新聞動態(tài)李繼兵等ISME + JGR：石油污染區(qū)功能微生物的原位代謝特征、地球化學(xué)驅(qū)動因子、群落組裝機(jī)制與功能解析
我國是石油生產(chǎn)和消費(fèi)大國，在原油開采、運(yùn)輸和冶煉過程中，污染事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅生態(tài)安全與土壤健康。微生物在污染物生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演著至關(guān)重要的角色，尤其在石油烴類污染物的分解過程中，降解功能微生物能夠?qū)⒂卸疚廴疚镛D(zhuǎn)化為無毒化合物，是降解過程的核心執(zhí)行者。然而，在實(shí)際環(huán)境中，功能微生物通常以群落形式協(xié)同作用，而非單獨(dú)發(fā)揮功能。因此，深入挖掘石油污染土壤中的微生物資源，準(zhǔn)確識別復(fù)雜微生物群落中起到關(guān)鍵降解作用的功能菌群，明確其驅(qū)動因子和群落構(gòu)建機(jī)制，是深入理解石油烴類污染物生物降解和調(diào)控機(jī)理的關(guān)鍵?，F(xiàn)有研究大多聚焦石油污染土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，對石油烴降解功能微生物的關(guān)注仍然有限。如何在復(fù)雜的自然環(huán)境中精準(zhǔn)甄別具有實(shí)際降解能力的微生物，并解析其作用機(jī)制，仍是亟待解決的挑戰(zhàn)。
近期，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所李繼兵副研究員、羅春玲研究員團(tuán)隊(duì)，將穩(wěn)定同位素示蹤（SIP）、單細(xì)胞拉曼分選（RACS）、16S rRNA擴(kuò)增子測序、基因組測序和地球化學(xué)因子分析等技術(shù)相結(jié)合，以正十六烷和菲作為模型化合物，深入揭示了石油污染區(qū)域功能微生物群落的組成差異、代謝機(jī)制及其受控因素。研究發(fā)現(xiàn)，功能菌群盡管整體組成有所不同，但關(guān)鍵菌種中的假單胞菌、海洋桿菌、食烷菌、蒼白桿菌和鞘氨醇單胞菌等始終是正十六烷和/或菲的功能降解菌。其中，假單胞菌、蒼白桿菌、食烷菌和鞘氨醇桿等功能菌表現(xiàn)出代謝多樣性，能夠有效降解兩種污染物。進(jìn)一步通過SIP-宏基因組分箱分析，研究團(tuán)隊(duì)獲得了假單胞菌屬、蒼白桿菌屬、鞘氨醇單胞菌屬的主要功能降解菌的全基因組，并全面解析了石油烴降解途徑（如鄰苯二甲酸酯和水楊酸代謝途徑）及其相關(guān)基因（如PAH雙加氧酶基因、alkB基因），證實(shí)了這些微生物的生物修復(fù)潛力及其在石油烴類污染物原位生物降解過程中的重要作用。環(huán)境因素和方差分解分析表明，石油污染對功能微生物群落組成的影響最大（12%），其次是有效鉀和有效氮；地球化學(xué)因子和地理位置分別獨(dú)立解釋了14%和21%的總變異。值得一提的是，功能性微生物群落結(jié)構(gòu)中超過一半（51%）的變異仍未被解釋，可能是由于未測量的環(huán)境變量所致。
為了更深入地探明功能微生物群落原位代謝機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了原位功能微生物菌群（FMC）的概念，并以菲為模型化合物建立了原位FMC構(gòu)建方法。該方法涉及功能微生物的單細(xì)胞鑒定、分選和培養(yǎng)，最終形成精準(zhǔn)的原位FMC。通過RACS-SIP技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功識別并分離出了菲降解功能菌單細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)了基于基因組指導(dǎo)、精準(zhǔn)可控的原位功能菌群構(gòu)建。原位FMC在實(shí)際土壤環(huán)境中的降解效率優(yōu)于傳統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的功能菌群，主要?dú)w因于原位功能菌群中各個物種具備多樣化的菲代謝途徑。這些物種通過分工合作或相互交流，能夠協(xié)同提高菲的降解效率。此外，盡管傳統(tǒng)分離方法獲得的高效降解菌在人工條件下對污染物具有較好的耐受性，但在自然環(huán)境中往往缺乏實(shí)際降解能力。相關(guān)結(jié)論表明，在深入解析原位功能降解菌的基礎(chǔ)上構(gòu)建原位FMC具有巨大潛力，能夠?qū)崿F(xiàn)污染物的持續(xù)高效降解；而單細(xì)胞測序技術(shù)可以建立降解菌、功能基因和代謝途徑之間的直接關(guān)聯(lián)，為原位FMC的構(gòu)建機(jī)制提供了深刻見解。
以上研究揭示了石油污染區(qū)域功能微生物群落結(jié)構(gòu)的影響因素及功能菌群構(gòu)建機(jī)制，為石油烴污染的原位調(diào)控和生物修復(fù)提供了重要的理論依據(jù)。同時，原位FMC體系構(gòu)建方法強(qiáng)調(diào)了在全面微生物功能分析和資源探索中，功能菌單細(xì)胞精準(zhǔn)識別、分離和培養(yǎng)的關(guān)鍵作用。該技術(shù)還具有擴(kuò)展應(yīng)用于古菌和真菌FMC研究的潛力，為復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中元素循環(huán)與污染物轉(zhuǎn)化的FMC構(gòu)建提供技術(shù)支持。
該研究得到國家自然科學(xué)基金（32061133003 & 42277210）、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃（2020B1111530003）、廣東省杰出青年基金（2023B1515020038）以及中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會會員（2023368）等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。相關(guān)成果發(fā)表在環(huán)境科學(xué)和地球化學(xué)研究領(lǐng)域權(quán)威期刊《JGR-Biogeosciences》和《The ISME Journal》。
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1????????? Li,J.,Huang,Q.,Cai,X.,Zhao,X.,Luo,C.*,Zhang,G.,2024. Metabolic Characterization and Geochemical Drivers of Active Hydrocarbon-Degrading Microorganisms. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences 129,e2024JG008104. https://doi.org/10.1029/2024JG008104
2????????? Li,J.,Luo,C.*,Cai,X.,Zhang,D.,Guan,G.,Li,B.,Zhang,G.,2024. Microbial consortium assembly and functional analysis via isotope labelling and single-cell manipulation of polycyclic aromatic hydrocarbon degraders. The ISME Journal 18,wrae115. https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae115
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圖1. (a) 中國北方石油污染區(qū)不同地點(diǎn)土壤樣本的空間分布圖；(b) 石油污染區(qū)不同地點(diǎn)土壤樣本石油烴污染水平。
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圖2. (a) SIP 鑒定獲得的降解菌（蒼白桿菌屬、假單胞菌屬、鞘氨醇單胞菌屬和 Shinella 屬）基因組圈圖； (b) 參與 PAH 和飽和烴代謝的功能基因聚類分析
圖 3. (a) 與功能微生物群落結(jié)構(gòu)變異顯著相關(guān)的土壤地球化學(xué)因子的冗余分析 (RDA)；（b）方差分解分析量化地球化學(xué)因子 (G)、地理位置 (L) 以及土壤石油污染 (O) 的貢獻(xiàn)。(b) 概述，(c) 關(guān)鍵功能微生物。
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圖4. 基于RACS-SIP的原位功能微生物菌群 (FMC) 構(gòu)建示意圖。
圖5. 菲降解功能微生物細(xì)胞的原位識別和分選
