农业土壤来源的丙烷氧化菌富集物对1,4-二噁烷的低浓度生物降解特性研究

《Science of The Total Environment》：Characterization of propanotrophic enrichments from agricultural soils capable of 1,4-dioxane biodegradation to sub-μg/L levels

本研究成功从农业土壤中富集出丙烷氧化菌群，证实其能通过共代谢作用将高、低浓度1,4-二噁烷降解至亚微克/升水平。研究揭示了丙烷单加氧酶（PrMO）的关键作用，并通过生物强化实验验证了该菌群在实际地下水修复中的应用潜力，为低浓度持久性污染物治理提供了新策略。

　　

章节亮点

化学品与土壤接种物

未标记的1,4-二噁烷（纯度≥99.5%）和氘代1,4-二噁烷-d₈（同位素纯度≥99%）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州）。用作接种物的农业土壤采集自密歇根州西南部凯洛格生物站长期生态研究（KBS-LTER）站点的主要种植系统实验区内的三个独立重复样地。如上所述，选择这些土壤作为接种物是因为我们课题组最近的研究表明其具有1,4-二噁烷生物降解活性（Li等人，2025年）。

测试不同添加物对1,4-二噁烷生物降解的影响

初步实验涉及测试五种处理（仅水、培养基、以及两种浓度的氨、异丙醇和丙烷）对接种了农业土壤的微宇宙中1,4-二噁烷生物降解的影响。如上所述，选择农业土壤是基于我们先前关于这些土壤对1,4-二噁烷生物降解具有积极影响的研究发现（Li等人，2025年）。这些初步实验是在高浓度1,4-二噁烷条件下进行的。

所有五种添加物均导致了显著的1,4-二噁烷生物降解。

讨论

在本研究中，从三种农业土壤开发出的丙烷氧化菌富集培养物，无论是在高（约4 mg/L）还是低（约200 μg/L）初始1,4-二噁烷浓度下，都表现出完全的生物降解能力。这些培养物是在最初使用多种底物（氨、异丙醇、丙烷）进行筛选后开发的，结果表明只有丙烷能提高1,4-二噁烷的生物降解速率。通过反复添加丙烷建立了富集培养物，并持续降解丙烷和1,4-二噁烷。这些培养物能够将1,4-二噁烷降解至接近或低于检测限（0.46 μg/L）的水平，这对于达到美国环保署的健康参考水平（0.35 μg/L）具有重要意义。从这些富集物中回收了18个含有完整丙烷单加氧酶操纵子的丙烷氧化菌宏基因组组装基因组（MAGs），以及22个丙烷单加氧酶操纵子的序列。这些发现扩展了已知能够将1,4-二噁烷降解至极低浓度的微生物资源库。

结论

总体而言，产生的结果强化了以丙烷为初级底物进行共代谢生物修复以降解1,4-二噁烷的价值。如上所述，共代谢过程的主要优势包括能够将污染物生物降解至低水平，以及能够降解多种污染物（Chen和Hyman, 2023; Hatzinger和Lippincott, 2019; Skinner等人, 2024; Stohr等人, 2023）。本研究证明了源自农业土壤的丙烷氧化菌富集培养物能够快速降解高浓度和低浓度的1,4-二噁烷。生物强化实验表明，这些培养物有潜力用于现场生物修复，以解决受污染地下水环境中持久存在的1,4-二噁烷问题。获得的丙烷氧化菌MAGs和丙烷单加氧酶基因序列为了解驱动这一过程的微生物和遗传机制提供了宝贵的资源。