更高的微生物多样性在好氧和硝酸盐还原条件下能够增强有机微量污染物的生物降解程度和速率

《Water Research》：Higher microbial diversity enhances the extent and rate of organic micropollutant biodegradation under aerobic and nitrate-reducing conditions

本研究通过固体稀释至灭绝法构建不同微生物多样性的土壤体系，在好氧和硝酸盐还原条件下探究有机微污染物（OMP）的降解及转化产物（TPs）形成。结果表明，高多样性社区（10?1和10?3）促进更多OMP降解（15和5种），并形成更多后续TPs，降解速率显著高于低多样性社区（10??）。氧化还原条件影响降解路径，好氧条件下TPs形成更充分。研究强调微生物多样性对OMP降解及TPs生成的关键作用，建议标准化测试中纳入多样性指标，以提升环境评估准确性。

　　微生物多样性与氧化还原条件对有机微污染物（OMP）的生物降解速率和途径具有重要影响。这项研究通过在不同氧化还原条件下（好氧和硝酸盐还原）测试微生物多样性对OMP降解及转化产物（TP）形成的影响，揭示了环境和工程系统中OMP处理效率的关键因素。研究使用了基于固体的稀释至灭绝方法，通过逐步稀释土壤微生物群落，生成具有不同多样性水平的微生物群落。随后，在好氧和硝酸盐还原条件下对20种OMP进行了培养和降解分析，以评估不同多样性水平和氧化还原条件对OMP处理能力的影响。

在好氧条件下，微生物多样性较高的群落（如10?1和10?3稀释水平）能够降解更多的OMP，包括15种化合物，而多样性较低的群落（如10??）只能降解11种。相比之下，在硝酸盐还原条件下，虽然生物降解效率较低，但微生物多样性仍然与降解程度呈正相关。这一结果表明，无论是在好氧还是硝酸盐还原条件下，微生物多样性都是影响OMP降解的重要因素。此外，研究发现，高多样性群落不仅能够提高降解速率，还能够生成更广泛的TP，包括后续生成的TP。这些TP的出现时间在高多样性和好氧条件下更早，表明微生物群落的多样性促进了更快的降解过程。

在TP的形成过程中，高多样性群落表现出更高的TP生成速率和更广泛的TP种类。研究结果还表明，TP的形成与微生物群落的代谢途径密切相关。在好氧条件下，某些TP的形成依赖于特定的微生物群落组成，而在硝酸盐还原条件下，TP的生成则可能受到不同微生物种类的共同作用。此外，一些TP的生成和降解路径在不同的氧化还原条件下表现出显著差异，例如，某些TP仅在硝酸盐还原条件下检测到，而其他TP则在好氧条件下更为常见。这些发现表明，微生物群落的多样性不仅影响OMP的降解速率，还决定了TP的种类和形成路径。

研究还指出，某些TP可能具有潜在的内分泌干扰效应。通过使用OPERA的CERAPP和CoMPARA模块进行预测，研究发现两个TP可能对内分泌系统产生影响。这一结果强调了在环境和工程系统中，除了关注OMP的降解过程外，还应重视TP的生态风险评估。同时，研究结果表明，微生物多样性存在一个临界阈值，当多样性低于这一阈值时，OMP的降解能力会受到显著影响。因此，在评估OMP在环境中的持久性和制定相关标准测试时，应将微生物多样性纳入考虑范围。

微生物群落的多样性对OMP降解的影响主要体现在其代谢能力和代谢协同效应上。在高多样性群落中，由于微生物种类的丰富性，能够实现更广泛的代谢功能，包括多种降解途径和协同作用。例如，某些微生物能够通过共代谢作用降解OMP，而其他微生物则可能通过特定的代谢途径进一步降解这些TP。这种协同效应在低多样性群落中较为罕见，因为微生物种类的缺失限制了代谢路径的多样性。因此，高多样性群落更有可能实现OMP的高效降解，并减少其对环境的潜在危害。

研究还表明，氧化还原条件对微生物群落的组成和功能有显著影响。在好氧条件下，微生物群落的多样性较高，能够支持更广泛的代谢活动和更高的降解效率。而在硝酸盐还原条件下，微生物群落的多样性较低，导致降解效率下降。这可能是因为好氧条件下的代谢过程需要更多的能量，而硝酸盐还原过程的能量效率较低，从而限制了微生物的活性和多样性。此外，某些微生物家族（如Defluviicoccaceae、Rhodospirillaceae和Steroidobacteraceae）仅在好氧条件下存在，而在硝酸盐还原条件下则无法检测到。这表明，氧化还原条件在很大程度上决定了微生物群落的组成和代谢能力。

研究结果对于环境管理和工程设计具有重要意义。在好氧条件下，由于微生物群落的多样性较高，能够更有效地降解OMP并生成多种TP，从而降低其对环境的潜在影响。而在硝酸盐还原条件下，由于微生物群落的多样性较低，降解效率和TP的多样性均受到影响。因此，在设计和评估生物修复系统时，应考虑微生物群落的多样性及其对不同氧化还原条件的适应性。此外，研究还建议，在未来的环境和农业政策中，应将微生物多样性作为评估OMP处理能力的重要指标。

总的来说，这项研究为理解微生物多样性在OMP生物降解中的作用提供了重要的实证依据。通过系统地比较不同多样性水平和氧化还原条件下的降解过程，研究揭示了微生物群落的多样性如何影响OMP的降解速率和TP的形成路径。这些发现不仅有助于改进现有的生物降解测试方法，还为制定更有效的环境管理策略提供了科学支持。此外，研究还强调了在环境和工程系统中，微生物多样性与氧化还原条件之间的相互作用，这对于预测OMP的环境行为和制定相应的风险评估方法具有重要意义。