最近，来自美国翻译基因组学研究所（Translational Genomics Research Institute，TGen）和卢森堡系统生物医学研究中心（LCSB）的一个科学家小组，对一处生物污水处理厂完成了前所未有的微生物学分析，对于保护环境、能源回收和人类健康，具有广泛的影响。

相关研究结果发表在2014年11月26日的《自然通讯》（Nature Communications）杂志，以前所未有的细节，描绘了一种模式生态系统中的复杂关系。

这项研究集中在生物燃料分子脂质，它们都是由微生物垫（水底）自然积累，漂浮在废水表面。这是“免费能源”，因为脂质可以转换成柴油燃料。

TGen病原菌基因组学研究部主任Paul Keim说：“细菌群落到处都是，理解它们之间如何相互作用，对于工业、农业、环境和人类健康都至关重要。”他还指出了这些研究结果的学术成就和应用影响。

Keim博士也是北亚利桑那大学（NAU）微生物学教授，他说：“微生物群落功能的基本原则可能是建立于一种环境中，然后用来生成适用于所有生物的假设和模型。”

这项研究的结果证实并统一了各种生态学概念，这些概念主要根据大型生物群系统（例如森林、河流和海洋）的观察结果而制定，因为这些群落生境的庞大规模，还不能深入地进行实验性研究。

在他们对污水处理厂生态系统的分析过程中，研究人员采用系统生物学方法。处理的废水包含能源丰富的基质，包括脂肪、蛋白质、碳水化合物和许多其他作为寄生细菌营养的物质。因此，每一处污水处理厂都是一个复杂的生态系统。无数的细菌物种适应了水里的生活条件，争夺资源，每找到一处生境它们就能够最好的生存。

本文第一作者、LCSB 的Emilie Muller博士说：“现在LCSB开发的技术，允许我们在分子水平上精确地阐明这些过程。”

这一切的基础就是所谓的“组学”――基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学，连同整合数据分析的新生物信息学方法。

Muller说：“有了这些，我们就可以根据样品确定，有哪些生物生活在处理厂，它们的群体规规模、基因组成、活动和物质周转率如何。因此，不再需要单独在纯培养基中研究细菌。基于此，我们可以最终模拟‘污水处理厂’的物质流，并描述，例如细菌物种将利用和消化哪种基板，到何种程度？”

TGen-LCSB研究小组想更进一步，不仅仅是模拟废水处理厂的生态学。他们的研究旨在了解是什么因素决定着物种组成和相应的生态平衡。

有一种细菌引起了研究人员的关注：微丝菌（Microthrix parvicella），他们在两年前首次描述了这种细菌的基因组序列。这种细菌能吸收和储存特别多的脂肪。在冬季，在处理池表面的细菌中有高达50%是这种细菌。这是相当惊人的，因为冬季废水中脂类的数量较低，并且微丝菌在这个季节的生活条件很不利。

该研究发现，微丝菌具有一个基因的28个拷贝，该基因主要负责脂质吸收。这个基因的扩增说明，重要脂质积累对于这种生物及相关群体有多么重要。

本文资深作者、LCSB 系统生物学研究团队主任Paul Wilmes博士指出：“微丝菌被生态学家们称为所谓的‘多面手’。这种生物可以适应非常多的生活条件，从而在高度波动的污水处理厂生态系统中占据支配地位。”

有28个基因负责脂质吸收，这是非常有帮助的，Wilmes说：“该基因的每个拷贝都与其他拷贝有点不同。如果生活环境变化，当温度下降或脂质成分改变，那么一种不同的脂质吸收基因就适应新的条件。这样，微丝菌就可以生存在许多不同的环境中。”

该研究小组的转化目的是，提高微丝菌的活性，以消除废水中尽可能多的脂质。来自废水的脂质存储在细菌中，是一种可再生能源，因为它们可以很容易地转化成生物柴油。

TGen 研究小组成员、本文共同作者Lance Price博士称，这种生态系统研究也具有重要的生物医学意义：“人类微生物组是一个类似的微生物群落。它通过微生物代谢、与人类细胞相互作用以及保护身体对抗病原体的能力，在许多组织和器官中占支配地位。废水群落的系统分析，将促进我们深入认识人类健康以及可持续能源的转化应用。”