合成微生物组工程：整合策略构建高效降解四溴双酚A（TBBPA）的人工菌群

本研究针对新兴污染物四溴双酚A（TBBPA）降解机制不明、菌种资源匮乏的难题，通过"自上而下"富集天然降解菌群与"自下而上"合成菌群设计的整合策略，首次构建了高效降解TBBPA的简化合成菌群SynCon2。研究人员鉴定出10个关键分类单元（keystone taxa），发现L-氨基酸是促进降解的关键共代谢底物，最终通过四株菌组合实现土壤中40%的TBBPA去除，为未知代谢路径污染物的微生物修复提供了普适性方案。

　　

随着电子垃圾的激增，四溴双酚A（TBBPA）作为使用最广泛的溴化阻燃剂，已成为威胁生态系统和人类健康的新型污染物。这种顽固性有机物在环境中难以自然降解，传统物理化学处理方法成本高昂且易产生二次污染。更棘手的是，TBBPA的微生物降解机制尚未明确，已知的厌氧脱溴过程会产生毒性更强的双酚A（BPA）。尽管有研究报道某些细菌能在好氧条件下转化TBBPA，但效率低下且依赖复杂碳源，微生物间的协同作用机制更是空白。如何突破认知局限，构建高效稳定的降解菌群，成为环境微生物领域亟待解决的难题。

中国科学院微生物研究所的研究人员创新性地采用整合策略，通过解析自然菌群的组成与互作规律，成功设计出简化合成菌群SynCon2。研究首先从北京奥林匹克公园龙形水系沉积物中富集出11个TBBPA降解菌群，发现30天的长周期传代可显著提升降解效率至91.6%。通过16S rRNA测序结合随机森林回归分析，鉴定出Herbaspirillum、Pseudomonas等10个与降解显著相关的关键分类单元。宏基因组分箱和菌株基因组测序揭示，这些菌株富含谷胱甘肽S-转移酶（gst）、细胞色素P450（cyp450）等降解相关基因，且L-氨基酸代谢通路异常活跃。实验证实L-丙氨酸能显著促进Herbaspirillum sp. WTB6对TBBPA的硝化转化，42小时内完全降解10 mg/L污染物。基于网络分析和代谢互补性，最终选用WTB6、Achromobacter anxifer WTB1等四株菌构建SynCon2，该菌群在1 g/L低丙氨酸浓度下即可高效降解TBBPA，并能将4-羟基苯甲酸等中间产物彻底矿化。在污染土壤实验中，SynCon7天降解率达40%，显著高于自然菌群。

研究运用了三大关键技术：1）多组学联合分析（16S rRNA扩增子测序、宏基因组测序）解析菌群结构与功能；2）靶向培养技术从594株分离菌中获取关键分类单元代表菌株；3）代谢网络重构指导合成菌群设计。

研究结果部分：

1. TBBPA降解菌群的富集与多途径脱溴
   通过不同传代周期（14天vs 30天）和培养基（MSM vs GSM）对比，发现长周期传代使降解率提升至91.6%。HPLC-MS检测到脱溴、β氧化断裂和硝化转化三条降解路径，其中硝化产物DP6-DP8为首次报道。

2. 关键分类单元与共现网络
   随机森林回归识别出Ancylobacter、Pseudomonas等9个生物标志物，网络分析显示它们集中在模块1-3。Herbaspirillum在TBBPA和BPA网络中均具高中心性，暗示其双功能降解潜力。

3. 菌株降解特性与L-氨基酸共代谢
   靶向分离的Herbaspirillum sp. WTB6在L-丙氨酸存在时实现完全降解，基因组显示其具有完整反硝化通路，解释了硝化产物的生成机制。

4. 合成菌群构建与土壤修复
   SynCon2（四株菌）在1 g/L丙氨酸下降解效率超越单菌，代谢组学检测到9种中间产物，包括特有的硝化-脱溴产物。在非灭菌土壤中降解率较对照组提升6倍。

这项研究开创性地将生态学网络分析与合成生物学手段结合，突破了传统"试错法"构建功能菌群的局限。首次揭示L-氨基酸在共代谢降解中的核心作用，为顽固污染物的生物修复提供了新思路。SynCon2的成功构建证明，即使对代谢路径未知的污染物，通过解析自然菌群的"设计原理"仍能实现功能再造。该策略可拓展至农业、医疗等领域的微生物组工程，对推动合成生态学的发展具有里程碑意义。论文发表于《npj Biofilms and Microbiomes》，为环境微生物研究提供了方法学范式。