Lowry垃圾填埋场超级基金站点生物反应器中降解1,4-二噁烷的微生物群落结构与功能稳定性研究及其对生物修复技术的启示

本文深入探讨了Lowry垃圾填埋场超级基金站点生物反应器在降解1,4-二噁烷过程中的微生物群落组成与功能稳定性。研究通过16S rRNA基因和宏基因组测序，揭示了以硝化螺菌科（Nitrospiraceae）、硝化球菌科（Nitrososphaeraceae）和硝化单胞菌科（Nitrosomonadaceae）为主的优势菌群，并鉴定出可溶性二铁单加氧酶（SDIMO）尤其是Group V类DxmA-like蛋白在降解过程中的核心作用。研究还发现这些关键酶基因周围存在多种水平基因转移（HGT）元件（如毒素-抗毒素系统、噬菌体整合酶和转座酶），暗示其潜在的环境适应性进化。该工作为大规模生物修复系统中污染物降解机制的解析和工程优化提供了重要理论依据。

　　

摘要

1,4-二噁烷（1,4-dioxane）是一种新兴污染物，因其潜在致癌性和环境持久性对人类健康及生态系统构成威胁。微生物降解作为一种经济高效的去除方式日益受到关注，但针对大规模生物修复系统中微生物群落结构及功能的研究仍较为缺乏。本研究以美国科罗拉多州Lowry垃圾填埋场超级基金站点的生物反应器为对象，通过16S rRNA基因测序和鸟枪法宏基因组测序，系统解析了其支持介质上的微生物群落组成、可溶性二铁单加氧酶（Soluble Di-Iron Monooxygenase, SDIMO）的多样性及其在二噁烷降解与水平基因转移中的潜在作用。

微生物群落组成与稳定性

对2019年至2022年间四个时间点的样品分析表明，生物反应器中的微生物群落具有较高的多样性且随时间保持稳定。在门水平上，变形菌门（Proteobacteria）、硝化螺菌门（Nitrospirota）、放线菌门（Actinobacteriota）和泉古菌门（Crenarchaeota）为优势类群。在科和属水平上，硝化螺菌科（Nitrospiraceae）、硝化球菌科（Nitrososphaeraceae）、硝化单胞菌科（Nitrosomonadaceae）和假诺卡氏菌科（Pseudonocardiaceae）占据主导地位。值得注意的是，假诺卡氏菌属（Pseudonocardia）——已知的二噁烷降解菌——在所有样品中均被检测到，相对丰度介于1.8%至8.4%之间，暗示其在降解过程中可能发挥重要作用。

SDIMO的多样性、丰度与功能预测

研究共鉴定出86个Tier 1级别的SDIMO α-羟化酶序列，分属于Group I、II、IV和V，其中Group V占据绝对主导地位（总丰度105.4 RPKM）。进一步分析显示，Group V中包含两个重要的候选二噁烷降解蛋白（CDDP）亚类：DxmA-like和PrmA*-like蛋白。DxmA-like蛋白（38个）与已知降解菌Pseudonocardia dioxanivorans CB1190的DxmA蛋白具有高度同源性（99%氨基酸一致性），且在所有12个宏基因组样品中均被检测到，表明其可能是生物反应器中降解二噁烷的关键酶。系统发育分析显示，这些蛋白与直接代谢型（如CB1190）和共代谢型（如Pseudonocardia sp. ENV478）的酶均聚集成簇，提示其降解机制可能具有多样性。

基因邻域分析与水平基因转移证据

对17条含有DxmA-like基因的contig进行深入分析发现，其SDIMO基因簇的排列顺序（α-羟化酶、还原酶、β亚基、调控/耦合蛋白）高度保守。此外，在这些基因周围还鉴定出多种与水平基因转移（HGT）相关的元件，包括：

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  毒素-抗毒素系统（如Type II phd-doc家族蛋白），可能参与质粒稳定性和环境应激响应。

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  噬菌体整合酶（如酪氨酸家族整合酶），暗示病毒可能介导了基因的转移。

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  转座酶（如IS5家族）和微型反向重复转座元件（MITEs），这些元件的存在表明SDIMO基因可能位于可移动遗传元件上，具有在微生物群体间传播的潜力。

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  质粒评分：多数contig（13/17）被geNomad软件预测为可能来源于质粒（评分>0.7）。

  这些发现共同表明，编码关键降解酶的基因可能具有流动性，这为微生物群落快速适应复杂污染物环境提供了一种进化机制。

中间产物降解途径的初步探索

研究还搜索了与二噁烷降解中间产物代谢相关的酶类。成功鉴定出多个可能参与将二噁烷初始羟基化产物进一步降解的酶编码基因，包括：

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  醇脱氢酶（Alcohol dehydrogenase）和醛脱氢酶（Aldehyde dehydrogenase）：负责将羟基二噁烷转化为二噁烷-2-酮和2-羟乙氧基乙酸。

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  醚酶（Etherase）：可能催化中间产物裂解生成乙二醇和乙醇酸。

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  醛还原酶（Aldehyde reductase）、醇氧化还原酶（Alcohol oxidoreductase）、乙醇酸氧化酶（Glycolate oxidase）：参与生成乙醛酸。

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  乙醛酸羧基连接酶（Glyoxylate carboligase）、甘油酸激酶（Glycerate kinase）、苹果酸合酶（Malate synthase）、2-异丙基苹果酸合酶（2-Isopropylmalate synthase）：这些酶的存在表明乙醛酸可能通过两条不同途径进入TCA循环，最终被完全矿化为CO₂。

  这些酶的检出为Lowry生物反应器中的微生物具备完全矿化二噁烷的能力提供了基因组学证据。

讨论与意义

本研究揭示Lowry生物反应器拥有一个以硝化菌和假诺卡氏菌为关键成员的复杂且稳定的微生物群落。Group V SDIMO（尤其是DxmA-like蛋白）的绝对优势表明，直接代谢或THF诱导的共代谢可能是该系统降解二噁烷的主要途径。降解基因周围丰富的HGT特征表明，微生物群落可能通过质粒、转座子、噬菌体等多种机制共享和传播降解功能，以应对填埋场渗滤液复杂混合污染物的选择压力。与其它研究相比，本系统中Group III（sMMO）和Group VI（PrmA）SDIMO的缺失，可能反映了特定环境条件（如铜离子浓度）对微生物代谢途径的选择。本研究首次在大规模、长期运行且处理效果稳定的生物修复系统中，全面解析了其微生物组的结构与功能，为发展基于微生物组的生物增强技术和优化生物反应器运行参数提供了重要的科学依据。未来的研究可聚焦于分离关键降解菌株、验证SDIMO酶活性和表达、以及阐明群落内部微生物间的互作关系。