新疆盐碱棉田土壤中草甘膦降解菌及其基因多样性的挖掘与机制解析

《Environmental Microbiome》：Diversity of glyphosate-degrading bacteria and degradation genes from Xinjiang cotton field’s unique soil environment

本研究针对干旱碱性土壤中草甘膦残留污染问题，通过富集新疆棉田土壤微生物群落CW，系统解析了其降解效率、菌株多样性及代谢通路。研究发现CW群落可在pH 8.0条件下36小时内完全降解500 mg/L草甘膦，分离出24株降解菌（含6个新报道属），并首次证实Aquamicrobium与Shinella属的降解能力。宏转录组与基因组分析揭示了AMPA途径（dadA、thiO基因）和肌氨酸途径（soxA、phn复合体基因）的协同作用，为盐碱土壤农药生物修复提供了理论依据。

　　

草甘膦（Glyphosate）作为全球使用最广泛的有机磷除草剂，在农业、林业等领域发挥着重要作用。然而，其稳定的理化性质导致其在环境中长期残留，尤其易在土壤和水体中积累，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。微生物降解因其成本低、无二次污染等优势，被视为解决农药残留问题的理想途径。但现有研究多集中于中性或酸性环境下的单一菌株降解特性，针对干旱碱性土壤（如新疆棉田）中草甘膦降解菌多样性及机制的系统研究仍属空白。新疆作为我国重要棉花产区，土壤pH常高于8.0，且长期连作导致草甘膦残留问题突出。因此，揭示该特殊环境下草甘膦降解微生物的资源与功能，对推动区域性农药污染治理具有重要意义。

本研究通过模拟新疆棉田土壤环境（pH 8.0），以草甘膦为唯一碳源，富集获得高效降解菌群CW，并系统评估其降解特性、菌株多样性、代谢产物及基因调控网络。关键技术方法包括：基于16S rRNA扩增子测序分析群落结构；利用超高效液相色谱-三重四极杆质谱（UHPLC-QQQ MS）检测降解产物；通过宏转录组测序解析降解过程中基因表达动态；结合细菌基因组测序（如W6/W7复合菌株）比对已知降解基因。样本来源于新疆阿克苏长期连作棉田的盐碱土壤。

群落CW的获取与降解特性

通过连续传代培养，群落CW在96小时内完全降解500 mg/L草甘膦，且在pH 8.0条件下降解效率稳定。降解曲线显示，0-36小时为适应期，降解率低于10%，菌体生物量（OD₆₀₀）显著上升；36-72小时进入快速降解阶段，96小时时草甘膦完全降解且生物量达峰值（0.14）。群落结构分析表明，CW以变形菌门（Pseudomonadota, 87.33%）为主，优势属为Aquamicrobium（66.50%）和Bacillus（7.99%）。共现网络分析显示群落具有模块化结构（模块度0.575），核心属间存在强正相关性，提示功能协同。

可培养菌株的分离鉴定与降解能力评估

从CW群落中分离出24株菌，分属于放线菌门（Actinomycetota）、变形菌门和拟杆菌门（Bacteroidota），涵盖Aquamicrobium、Shinella、Pseudoxanthomonas等9个属。降解实验表明，18株菌具降解能力，其中14株可完全降解50 mg/L草甘膦。菌株W10和W11降解最快（36小时），W6/W7复合菌株通过协同作用实现100%降解。首次报道Aquamicrobium、Shinella、Nocardioides和Chitinophaga具降解能力，拓展了草甘膦降解菌资源库。

群落CW与复合菌株W6/W7的降解产物分析

UPLC-MS/MS检测发现，CW群落降解产物为AMPA（m/z 112.02）和磷酸盐（m/z 98.98），而W6/W7复合菌株额外产生肌氨酸（m/z 90.05），表明CW通过多途径完全降解草甘膦，而W6/W7因缺乏phnY基因导致肌氨酸积累。毒性评估显示AMPA对水生生物具急性毒性，凸显完全降解的重要性。

群落CW的宏转录组分析

宏转录组测序（WCon组：降解率0%；WGly组：降解率50%）发现，降解过程中变形菌门丰度下降（69.83%→64.96%），而Arthrobacter、Hyphomicrobium等属丰度上升。差异表达基因分析显示，氮代谢、磷酸盐代谢等相关基因显著上调。通过NCBI-BLAST比对，鉴定出多种降解基因：AMPA途径中的dadA（ glyphosate oxidoreductase）和thiO（glycine oxidase），肌氨酸途径中的soxA（sarcosine oxidase）和phnJ/D/A（C-P lyase复合体亚基）。基因表达水平证实群落CW具备完整的双途径降解能力。

复合菌株W6/W7的基因组特征与降解基因

基因组测序显示，W6/W7包含7,576个编码基因，其中dadA、phnJ/D/A、soxA等基因与已知降解基因高度相似（97.84%-100%）。但与CW群落相比，W6/W7缺乏phnY基因，导致肌氨酸途径不完全。功能注释表明，多数基因参与氨基酸代谢、能量转化等过程，与其降解功能相符。

结论与意义

本研究首次系统揭示了新疆盐碱棉田土壤中草甘膦降解菌的多样性、降解基因及代谢通路。群落CW通过多菌株协同及双途径（AMPA与肌氨酸）作用实现草甘膦高效降解，而单一菌株或简单复合菌株（如W6/W7）因基因完整性不足可能导致中间产物积累。研究结果为构建人工高效降解菌群、定向强化土壤自净能力提供了理论基础，尤其对干旱碱性土壤的农药污染治理具有重要应用价值。未来需进一步结合环境因素（如盐分、有机质）优化菌群功能，推动微生物修复技术的实地应用。