我国是石油生产和消费大国，在原油开采、运输和冶炼过程中，污染事故频发，严重威胁生态安全与土壤健康。微生物在污染物生物地球化学循环中扮演着至关重要的角色，尤其在石油烃类污染物的分解过程中，降解功能微生物能够将有毒污染物转化为无毒化合物，是降解过程的核心执行者。然而，在实际环境中，功能微生物通常以群落形式协同作用，而非单独发挥功能。因此，深入挖掘石油污染土壤中的微生物资源，准确识别复杂微生物群落中起到关键降解作用的功能菌群，明确其驱动因子和群落构建机制，是深入理解石油烃类污染物生物降解和调控机理的关键。现有研究大多聚焦石油污染土壤微生物群落结构，对石油烃降解功能微生物的关注仍然有限。如何在复杂的自然环境中精准甄别具有实际降解能力的微生物，并解析其作用机制，仍是亟待解决的挑战。
近期，中国科学院广州地球化学研究所李继兵副研究员、罗春玲研究员团队，将稳定同位素示踪（SIP）、单细胞拉曼分选（RACS）、16S rRNA扩增子测序、基因组测序和地球化学因子分析等技术相结合，以正十六烷和菲作为模型化合物，深入揭示了石油污染区域功能微生物群落的组成差异、代谢机制及其受控因素。研究发现，功能菌群尽管整体组成有所不同，但关键菌种中的假单胞菌、海洋杆菌、食烷菌、苍白杆菌和鞘氨醇单胞菌等始终是正十六烷和/或菲的功能降解菌。其中，假单胞菌、苍白杆菌、食烷菌和鞘氨醇杆等功能菌表现出代谢多样性，能够有效降解两种污染物。进一步通过SIP-宏基因组分箱分析，研究团队获得了假单胞菌属、苍白杆菌属、鞘氨醇单胞菌属的主要功能降解菌的全基因组，并全面解析了石油烃降解途径（如邻苯二甲酸酯和水杨酸代谢途径）及其相关基因（如PAH双加氧酶基因、alkB基因），证实了这些微生物的生物修复潜力及其在石油烃类污染物原位生物降解过程中的重要作用。环境因素和方差分解分析表明，石油污染对功能微生物群落组成的影响最大（12%），其次是有效钾和有效氮；地球化学因子和地理位置分别独立解释了14%和21%的总变异。值得一提的是，功能性微生物群落结构中超过一半（51%）的变异仍未被解释，可能是由于未测量的环境变量所致。
为了更深入地探明功能微生物群落原位代谢机制，研究团队创新性地提出了原位功能微生物菌群（FMC）的概念，并以菲为模型化合物建立了原位FMC构建方法。该方法涉及功能微生物的单细胞鉴定、分选和培养，最终形成精准的原位FMC。通过RACS-SIP技术，研究团队成功识别并分离出了菲降解功能菌单细胞，实现了基于基因组指导、精准可控的原位功能菌群构建。原位FMC在实际土壤环境中的降解效率优于传统方案设计的功能菌群，主要归因于原位功能菌群中各个物种具备多样化的菲代谢途径。这些物种通过分工合作或相互交流，能够协同提高菲的降解效率。此外，尽管传统分离方法获得的高效降解菌在人工条件下对污染物具有较好的耐受性，但在自然环境中往往缺乏实际降解能力。相关结论表明，在深入解析原位功能降解菌的基础上构建原位FMC具有巨大潜力，能够实现污染物的持续高效降解；而单细胞测序技术可以建立降解菌、功能基因和代谢途径之间的直接关联，为原位FMC的构建机制提供了深刻见解。
以上研究揭示了石油污染区域功能微生物群落结构的影响因素及功能菌群构建机制，为石油烃污染的原位调控和生物修复提供了重要的理论依据。同时，原位FMC体系构建方法强调了在全面微生物功能分析和资源探索中，功能菌单细胞精准识别、分离和培养的关键作用。该技术还具有扩展应用于古菌和真菌FMC研究的潜力，为复杂生态系统中元素循环与污染物转化的FMC构建提供技术支持。
该研究得到国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划、广东省杰出青年基金以及中国科学院青年创新促进会会员等项目的联合资助。相关成果发表在环境科学和地球化学研究领域权威期刊《JGR-Biogeosciences》和《The ISME Journal》。
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
图1. (a) 中国北方石油污染区不同地点土壤样本的空间分布图；(b) 石油污染区不同地点土壤样本石油烃污染水平。
图2. (a) SIP 鉴定获得的降解菌（苍白杆菌属、假单胞菌属、鞘氨醇单胞菌属和 Shinella 属）基因组圈图； (b) 参与 PAH 和饱和烃代谢的功能基因聚类分析
图 3. (a) 与功能微生物群落结构变异显著相关的土壤地球化学因子的冗余分析 (RDA)；（b）方差分解分析量化地球化学因子 (G)、地理位置 (L) 以及土壤石油污染 (O) 的贡献。(b) 概述，(c) 关键功能微生物。
图4. 基于RACS-SIP的原位功能微生物菌群 (FMC) 构建示意图。
图5. 菲降解功能微生物细胞的原位识别和分选
图6. 菲降解功能微生物细胞的菲代谢通路重建
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