具有铬还原能力的Alcaligenes faecalis菌株以及耐铬的Lysinibacillus macrolides菌株组成的微生物群落，可用于针对性修复铬污染的土壤，并进行转录组分析

《Bioresource Technology》：Chromium-reducing Alcaligenes faecalis and chromium-tolerant Lysinibacillus macrolides microbial communities for targeted remediation of chromium-contaminated soils and transcriptomic analysis

土壤铬污染微生物修复机制及工程化应用研究。采用工程化微生物群落系统（A. faecalis S1与L. macroides S2协同），通过转录组分析和代谢途径研究，揭示S1通过醌还原酶电子传递链及硫酸还原酶将Cr(VI)还原为Cr(Ⅲ)，同时激活抗氧化系统清除ROS；S2通过上调pcrA和细胞色素氧化酶基因增强抗应激能力。两者协同形成ABC/MFS转运体介导的Cr(Ⅲ)外排机制，实现60天81.5%的高效Cr(VI)去除率，较对照组提升3倍。

铬污染土壤微生物修复协同机制研究取得突破性进展

（摘要）
针对全球范围内铬污染土壤修复技术存在的效率低下、二次污染等问题，本研究创新性地构建了由耐铬菌Alcaligenes faecalis S1和高效还原菌Lysinibacillus macroides S2组成的靶向微生物群落系统。通过整合土壤微宇宙实验、铬去除动力学分析、群落结构测序和关键基因表达谱技术，首次系统揭示了复合菌群协同作用下的铬生物转化机制。实验表明，该复合菌群在60天周期内实现铬去除效率81.5%，较单一菌群提升3倍以上。研究重点解析了双菌株在铬胁迫响应中的差异化代谢调控网络：S1菌群通过建立双电子传递链系统（包括醌还原酶和硫酸还原酶复合体），配合外排泵ABC/MFS转运系统，实现铬的定向还原与高效外排；S2菌群则通过激活DNA修复通路pcrA和优化细胞色素氧化酶系统，构建起多层级抗氧化防御网络。这种功能互补的协同机制有效突破了单一菌种在复杂污染环境中的效能瓶颈。

（核心发现）
1. 代谢协同网络构建
研究证实S1与S2在碳氮代谢方面形成互补：S1通过激活丙酮酸脱氢酶复合体提升Cr(VI)还原所需的NADPH产量，其糖酵解途径增强使胞内能量储备提升47%；S2则通过增强三羧酸循环关键酶的表达，将有机碳利用率提高32%。这种代谢协同使得复合菌群在Cr(VI)浓度达0.4mM时仍保持85%以上的活性。

2. 抗氧化防御体系整合
通过比较转录组数据发现，S1在低浓度Cr(VI)（0.2mM）下优先激活谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和超氧化物歧化酶（SOD）组成的初级抗氧化系统，而在高浓度（0.4mM）时启动泛醌抗氧化系统。S2菌群则通过pcrA基因的上调，形成DNA损伤修复-抗氧化联动的保护机制，其脂质过氧化产物（MDA）含量较单一菌群降低58%。这种时空差异的抗氧化响应形成互补防御网络。

3. 铬转化动力学特征
实验数据显示复合菌群存在明显的协同时效效应：前72小时以S1主导的还原反应为主（Cr(VI)去除速率达120mg/(kg·d)），中期（72-120h）S2的稳定代谢贡献超过40%，后期（>120h）外排泵的持续工作使系统保持92%以上的去除效率。这种动态协同使整体去除效率比任一单体提升2.3倍。

（技术创新）
1. 靶向菌群构建策略
基于前期分离菌株的基因组特征筛选出：S1携带完整的Cr(VI)还原酶基因簇（包含mtrC、crAB等关键基因），其Cr(VI)还原速率达3.8mg/(g·h)；S2则具有独特的ABC转运蛋白复合体（mtrABCD），可主动外排Cr(III)复合物。通过基因表达谱分析发现，在0.4mM Cr(VI)胁迫下，两菌株的互补基因表达量同步提升，形成稳定的协同代谢框架。

2. 多维度调控机制
研究揭示复合菌群通过三条协同路径实现铬污染治理：
- 物质转化路径：S1将Cr(VI)还原为Cr(III)后，S2通过磷酸化-糖基化修饰形成稳定外排复合物
- 能量耦合路径：S1产生的电子通过细胞色素系统传递至S2的硫还蛋白系统
- 信息调控路径：菌群间通过autoinducer分子（如AI-2）实现代谢同步调节

3. 环境适应性优化
实验采用梯度浓度（0.1-0.5mM）和复合污染（Cr+As）模拟体系，验证该菌群在真实环境中的适用性。数据显示复合菌群在Cr(VI)初始浓度0.3mM时仍保持78%的去除效率，且对pH波动（5.8-7.2）和有机质含量（2-5%）具有较强适应性，这得益于S2菌群的pH缓冲机制（通过磷酸盐合成）和S1菌群的碳源泛化能力。

（应用价值）
1. 工程化应用
已建立标准化菌群培养协议（含预适应驯化、营养液配比等关键参数），实现：
- 72小时启动期（生物膜形成阶段）
- 120小时稳定期（去除效率达峰值）
- 200天持续期（去除效率保持>85%）

2. 修复效能对比
与传统单一菌群修复相比，复合菌群优势显著：
- 去除速率提升300%（0.1mM Cr(VI)条件下达3.8mg/(g·h)）
- 抗性阈值提高至0.6mM（较单体提升40%）
- 毒性抑制效应增强（COD降低同步抑制Cr释放）

3. 生态安全验证
通过连续180天系统监测，证实该菌群具有：
- 无二次污染风险（重金属浸出率<0.5%）
- 群落多样性指数稳定（Shannon指数>3.2）
- 微生物网络拓扑结构优化（关键节点菌种比例1:1）

（机制深化）
1. 电子传递网络重构
复合菌群形成独特的"双通道"电子传递系统：
- S1通过醌还原酶链（QRC）传递电子至S2的硫还蛋白（ThiOR）
- 同时建立外源电子传递（ETE）通道，实现跨菌种协同

2. 转运蛋白协同表达
研究发现ABC转运蛋白的协同表达具有浓度依赖性：
- 当Cr(VI)浓度<0.2mM时，S1的MtrC转运体主导
- 0.2-0.4mM时，S2的MtrABCD复合体启动
- >0.4mM时，双菌株的转运蛋白形成协同外排网络

3. 应激记忆效应
通过连续驯化实验发现，经300mg/kg Cr(VI)处理后的菌群：
- 抗氧化酶基因表达记忆延长至120天
- 铬转运蛋白mtrC启动子区域出现顺式作用元件（CAI）
- 形成稳定的跨菌种信号传导网络

（未来方向）
1. 机制解析深化
计划采用原位电子显微镜（IM-PTT）技术，实时观测菌群间的电子传递路径和Cr配合物形成过程，结合单细胞转录组分析，解析不同环境因子（如Fe2?、有机酸）对协同机制的影响。

2. 工程化改进
重点优化：
- 菌群稳定性（现存活率72h后达85%）
- 修复效率（目标提升至90%以上）
- 环境适应性（拓展至酸性土壤（pH<5））

3. 产业化应用
已完成中试实验设计，拟在：
- 长三角地区电镀污泥修复（处理量500kg/天）
- 煤矿废弃地铬污染治理（处理深度>2m）
- 污泥-土壤复合体系修复（Cr总去除率>95%）

该研究为构建高效、稳定、安全的复合微生物修复系统提供了全新理论框架和技术范式，相关成果已申请国家发明专利（ZL2025XXXXXX.X），并作为技术标准在《重金属污染土壤修复技术导则（2025版）》中采纳。