基于高通量分析的黑土中邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯降解功能微生物鉴定及其修复机制研究

本研究针对黑土中DEHP污染问题，通过微宇宙实验结合宏基因组学技术，系统解析了功能微生物群落结构变化与降解机制。研究人员成功筛选出10个高效降解菌群，48小时内对400 mg/L DEHP降解率超98%，揭示了放线菌门与变形菌门的关键作用及苯甲酸代谢通路的上调机制，为黑土微生物修复提供理论依据和菌种资源。

　　

随着农业地膜覆盖技术的广泛应用，塑料制品中的邻苯二甲酸酯（PAEs）类增塑剂持续向土壤环境迁移，其中邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯（DEHP）因其高检出率和持久性已成为我国土壤中最主要的污染物之一。尤其在东北黑土区，DEHP占PAEs总量的83.79%，其生物有效性高达6.8%，可通过植物和微生物吸收进入生态循环。DEHP污染不仅抑制土壤微生物生物量碳含量，破坏氮循环过程，更会导致微生物群落结构失衡，最终威胁黑土这一"耕地中的大熊猫"的生态功能与农业可持续生产。

为破解黑土DEHP污染治理难题，齐齐哈尔大学生命科学与农林学院的张文丽、郭和奇等研究团队在《Current Research in Microbial Sciences》发表了创新性研究成果。该研究选取内蒙古鄂伦春自治旗和黑龙江红星隆、海伦、克山四地黑土，通过75天微宇宙实验模拟DEHP自然降解过程，整合宏基因组测序与功能微生物筛选技术，首次系统阐明了黑土微生物响应DEHP污染的生态机制，并成功获得多组高效降解菌群。

研究采用微宇宙模拟培养系统构建DEHP污染环境，利用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）监测污染物及代谢产物动态变化；通过Illumina HiSeq 2500平台进行PE150测序，平均测序深度达12Gb/样本；创新性采用土壤浸提液与最小盐培养基（MSM）复合筛选策略，通过96孔板高通量筛选和浓度梯度驯化获得降解菌群；借助气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）分析代谢途径；采用SILVA数据库对16S rRNA基因V3-V4区进行物种注释，并运用主坐标分析（PCoA）和Mantel Test等统计方法解析微生物群落结构与环境因子的关联性。

3.1. 黑土中DEHP含量及降解效率分析

四地黑土75天降解效率分别为76.37%、74.16%、92.21%和75.35%，其中红星隆土壤因有机质含量最高而表现最佳。降解过程中监测到邻苯二甲酸（PA）和苯甲酸（BA）的阶段性积累，证实DEHP生物降解途径的激活。土壤有效钾、有效磷等理化性质显著改变，表明DEHP污染对土壤肥力因子产生深远影响。

3.2. DEHP对黑土微生物群落的影响

DEHP污染显著提升微生物α-多样性指数（Shannon指数），主坐标分析显示不同处理组微生物群落结构发生明显分离。Mantel Test分析揭示DEHP降解速率与微生物α-多样性、总氮含量、pH值等因子呈显著正相关。放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）对DEHP污染响应最为敏感，其中诺卡氏菌属（Nocardioides）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）和红球菌属（Rhodococcus）等降解功能菌属相对丰度显著上升。

3.3. DEHP降解功能微生物鉴定

KEGG模块分析显示M00623和M00636（PAEs至原儿茶酸降解途径）丰度变化显著。黄杆菌科（Xanthomonaceae）、鞘氨醇单胞菌科（Sphingomonadaceae）、生丝微菌科（Hypomicrobiaceae）和丛毛单胞菌科（Comamonadaceae）对上游代谢贡献突出。通过基因-微生物关联分析发现，pht3（K18068）、pht4（K18067）和pht5（K04102）等关键降解基因主要来源于上述菌群。

3.4. 黑土中苯甲酸降解功能基因及功能微生物变化

构建苯甲酸降解基因集发现，DEHP污染后苯甲酸代谢相关序列比例显著上调，K10220、K10218等17个功能基因丰度增加。Bradyrhizobium、Rhodococcus、Sphingomonas等属与苯甲酸代谢功能基因丰度呈正相关，证实这些菌属在下游矿化过程中的关键作用。

3.5. DEHP降解菌群鉴定及降解能力测定

通过土壤浸提液-MSM复合筛选策略，成功获得10个降解菌群（JQ104、JQ52、JQ129等），48小时内对400 mg/L DEHP降解率超98%。底物偏好性实验表明菌群能利用多种PAEs及其代谢产物。GC-MS检测到2-乙基己基苯甲酸酯（EHBA）、邻苯二甲酸二丁酯（DBP）、邻苯二甲酸二甲酯（DMP）和2-乙基己醇等代谢中间体，证实菌群通过酯水解和β-氧化双途径降解DEHP。

该研究通过多组学联用技术揭示了黑土微生物响应DEHP污染的生态机制，证实微生物多样性提升有助于增强降解效率。研究首次报道了黄杆菌科、丛毛单胞菌科等在DEHP上游代谢中的关键贡献，并发现Rhodococcus、Sphingomonas、Nocardioides和Arthrobacter等属与苯甲酸降解基因丰度呈正相关。创新性的土壤浸提液-MSM筛选策略成功突破了传统培养限制，获得的多菌群降解体系展现卓越的应用潜力。这些发现不仅为黑土DEHP污染微生物修复提供理论支撑，更为构建合成微生物群落进行原位生物修复提供了优质种质资源和设计思路，对保障东北黑土区农业可持续发展与生态环境安全具有重要实践意义。