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Integrated Metagenomic and Metaproteomic Analyses Unravel Ammonia Toxicity to Active Methanogens and Syntrophs, Enzyme Synthesis, and Key Enzymes in Anaerobic Digestion

生物化学 产甲烷 丙酸盐 生物 古细菌 人口 细菌 甲酸脱氢酶 醋酸激酶 化学 微生物学 辅因子 大肠杆菌 基因 人口学 社会学 遗传学
作者
Chao Liu,Haining Huang,Xu Duan,Yinguang Chen
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (21): 14817-14827 被引量:126
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c00797
摘要

During anaerobic digestion, the active microbiome synthesizes enzymes by transcription and translation, and then enzymes catalyze multistep bioconversions of substrates before methane being produced. However, little information is available on how ammonia affects truly active microbes containing the expressed enzymes, enzyme synthesis, and key enzymes. In this study, an integrated metagenomic and metaproteomic investigation showed that ammonia suppressed not only the obligate acetotrophic methanogens but also the syntrophic propionate and butyrate oxidation taxa and their assistant bacteria (genus Desulfovibrio), which declined the biotransformations of propionate and butyrate → acetate → methane. Although the total population of the hydrolyzing and acidifying bacteria was not affected by ammonia, the bacteria with ammonia resistance increased. Our study also revealed that ammonia restrained the enzyme synthesis process by inhibiting the RNA polymerase (subunits A′ and D) during transcription and the ribosome (large (L3, L12, L13, L22, and L25) and small (S3, S3Ae, and S7) ribosomal subunits) and aminoacyl-tRNA synthesis (aspartate-tRNA synthetase) in translation. Further investigation suggested that methylmalonyl-CoA mutase, acetyl-CoA C-acetyltransferase, and CH3-CoM reductase, which regulate propionate and butyrate oxidation and acetoclastic methanation, were significantly downregulated by ammonia. This study provides intrinsic insights into the fundamental mechanisms of how ammonia inhibits anaerobic digestion.
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