S. fonticola与M. esteraromaticum共培养体系对BTEX污染的高效协同降解机制与生物修复潜力研究

本研究针对石油烃污染导致的BTEX（苯-甲苯-乙苯-二甲苯）环境风险问题，系统探究了Serratia fonticola与Microbacterium esteraromaticum共培养体系在单组分及多组分条件下的降解效能。结果表明，共培养对混合BTEX的降解率达47%，较单菌提升2-5%，其中苯降解率高达99%。该研究为复杂污染场地的定向生物修复策略提供了新思路。

　　

随着全球石油化工产业的快速发展，苯（Benzene）、甲苯（Toluene）、乙苯（Ethylbenzene）和二甲苯（Xylene）等BTEX化合物已成为地下水及土壤环境中广泛存在的高风险污染物。这类物质不仅具有强致癌性，且可通过迁移扩散污染饮用水源，对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统物理化学修复技术如热脱附、高级氧化等虽有一定效果，但存在成本高、能耗大、易造成二次污染等局限性。尤其在实际污染场地中，BTEX常以混合形式存在，浓度波动大（可达200 mg·L^?1以上），单一菌株降解能力有限，且易受环境因素（温度、pH、氧气浓度等）制约。因此，开发高效、低耗且适应复杂条件的生物修复策略成为当前环境微生物学研究的热点。

在此背景下，本研究创新性地构建了由Serratia fonticola和Microbacterium esteraromaticum组成的细菌共培养体系，旨在通过菌株间代谢互补与协同作用，提升对BTEX混合污染的降解效率。研究团队通过批量降解实验、生长动力学分析及代谢途径解析，系统评估了该共培养体系在单组分及多组分BTEX污染条件下的降解性能与耐受机制。相关成果发表于《International Biodeterioration & Biodegradation》，为BTEX污染场地的原位生物修复提供了理论依据和技术支撑。

本研究采用以下关键技术方法：首先从加拿大多伦多原油污染场地分离筛选获得S. fonticola和M. esteraromaticum菌株，并通过16S rRNA测序进行物种鉴定；其次设计单组分（30 mg·L^?1）及多组分混合（120 mg·L^?1，1:1:1:1）降解实验，在血清瓶中进行42小时批式培养；通过测定菌体密度（OD₆₀₀）、干重（DCW）及葡萄糖消耗（DNS法）监控微生物生长与代谢活性；利用顶空进样-气相色谱（GC-MS）定量BTEX残留浓度；通过统计学分析（ANOVA）验证降解效果的显著性。

3.1. 共培养体系性能

3.1.1. 能量代谢特征

葡萄糖消耗动力学显示，共培养体系在BTEX混合污染条件下消耗率达95%，显著高于单菌体系。甲苯和乙苯处理组中葡萄糖利用延迟（18小时耗尽），表明其代谢中间产物可能抑制三羧酸循环关键酶活性。而二甲苯与混合BTEX处理组未出现显著代谢抑制，说明共培养能通过调节多糖合成应对氧化应激。

3.1.2. 生物量生长

共培养在苯和甲苯处理中生物量最高（分别达6 g·L^?1和5 g·L^?1），较单菌提升11-33%。乙苯、二甲苯及混合处理中生物量较低（<3.5 g·L^?1），可能与活性氧（ROS）积累有关。共培养体系较文献报道的Arthrobacter ramosus、Chlorella vulgaris等微生物具有更快的生长速率与耐受性，凸显其应用潜力。

3.2. BTEX降解性能

3.2.1. 多组分降解

共培养对混合BTEX的降解率为47.4%，较S. fonticola（41.7%）和M. esteraromaticum（44.8%）提升2-5%。降解过程呈现阶段性特征：前12小时为缓慢期（降解率<18.5%），后期显著加速。菌株间存在底物偏好分工——S. fonticola主导乙苯降解（97.5%），M. esteraromaticum偏好二甲苯（88.1%），且通过共代谢机制共享3-甲基儿茶酚等中间产物，增强协同效率。

3.2.2. 单组分降解

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  苯降解：共培养42小时完全降解苯，速率较单菌提升3-5倍，优于文献报道的Acinetobacter baumannii（需更长时间）。

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  乙苯降解：S. fonticola贡献主要降解能力（97.53%），共培养与单菌无显著差异（p>0.05）。

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  二甲苯降解：M. esteraromaticum降解能力显著优于S. fonticola（p=0.05），共培养降解量达14 mg·L^?1。

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  甲苯降解：共培养降解率71.6%，较单菌提升5-15%，且生物量增长与降解进程同步。

本研究通过代谢途径分析（图2）揭示，菌株通过甲苯单加氧酶（Toluene Monooxygenase）、儿茶酚1,2-双加氧酶（C1,2D）等关键酶催化BTEX开环降解，同时通过OxyR/SoxR抗氧化系统缓解ROS毒害。共培养的协同优势源于菌株间酶系互补、底物分工及应激响应机制的整合。

综上所述，S. fonticola与M. esteraromaticum共培养体系显著提升了BTEX混合污染的降解效率与环境适应性，其高效降解能力、快速生长特性及协同代谢机制为复杂污染场地的生物修复提供了创新性解决方案。未来研究可进一步结合菌株固定化、生物强化等技术，推动该体系在实际地下水修复工程中的应用。