在盐环境中，镰刀菌（Fusarium）和普里斯蒂亚菌（Priestia）对多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs）的协同降解作用：从动力学特性研究到多组学分析

《International Biodeterioration & Biodegradation》：Synergistic degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons by Fusarium and Priestia in saline environments: From kinetic characterization to multi-omics dissection

多环芳烃盐碱环境降解研究：从胜利油田分离出Fusarium FG和Priestia BT1构建共生体，发现其在3%盐度下10天降解率41.98%，显著高于单一菌株。基因组学揭示互补代谢通路，代谢组学鉴定出关键产物及生物表面活性剂。

　　

韩风雷|刘兆同|张秀霞|杨帆|王彪|姚峰|李德|熊康|任莉涵

中国石油大学（华东）化学与化学工程学院，青岛，266580，中国

摘要

本研究针对多环芳烃在盐碱环境中生物利用度低和降解效率受限的问题，从天津大港油田的盐污染土壤中分离出了真菌Fusarium FG和细菌Priestia BT1。构建了一个由真菌和细菌组成的FG-BT1（FB）联合体，并以芘作为模型污染物评估了其协同降解性能。在3%盐度和50 mg/L芘的条件下，FB联合体在10天内实现了41.98%的降解率，显著高于单一菌株的效果。该联合体还对菲和萘表现出广谱降解能力。吸附-降解动力学研究表明，联合体遵循伪二级吸附模型和Monod降解模型。基因组分析揭示了BT1和FG之间的互补代谢途径，形成了一个交叉代谢网络。非靶向代谢组学分析鉴定出关键产物和中间体，包括1-羟基芘、1,2-萘醌、邻苯二甲酸和原儿茶酸，并强调了DGTS型生物表面活性剂和12-O-D-葡萄糖醛酸-13-羟基十八-9Z-烯酸在提高污染物溶解度和跨膜转运中的作用。未来的研究将聚焦于土壤模拟修复实验，以评估联合体在实际条件下的性能，并探索其与现有化学处理技术的整合，以制定更高效和可持续的修复策略。

引言

多环芳烃（PAHs）是一类含有两个或更多个苯环的有机化合物。这些化合物通常呈白色或淡黄色固体，以其显著的稳定性和在环境中的持久性而闻名（Ali等人，2022；Dai等人，2022）。它们广泛分布于土壤、河流、大气和海洋中。其主要来源包括石油和天然气行业的排放、废物焚烧以及生物质燃烧（Lin等人，2023；Mallah等人，2022；Mojiri等人，2019）。由于PAHs具有致癌、致畸和致突变性，对人类健康和生态系统构成严重威胁（Honda和Suzuki，2020；Phulpoto等人，2024）。目前，已有16种PAHs被列为优先控制污染物（Liu等人，2024a）。在中国，石油和天然气开发主要集中在盐碱土壤地区，如大港和胜利油田。这些地区的开发产生了大量含盐废水，进一步加剧了PAH污染（Wang等人，2020；Zhong等人，2021）。

为了减轻PAH污染，采用了三种主要策略：物理修复、化学修复和生物修复。物理技术（如原位热脱附（ISTD）和溶剂萃取/土壤洗涤（SE/SW）效果显著，但能耗高且成本昂贵（Dai等人，2022；Falciglia等人，2016；Gong等人，2010）。化学修复（主要是臭氧氧化和芬顿氧化）可以缩短处理时间，但存在产生二次污染物的风险（Cheng等人，2016；Dai等人，2022）。生物修复（通过生物刺激、生物强化、堆肥或植物修复）被认为是首选方法，因为它安全、环保、经济高效，且不需要将受污染物质转移到场外（Kuppusamy等人，2017）。然而，在盐碱环境中，溶解氧降低、盐析效应以及微生物活性受到抑制，使得生物修复更加困难（Castillo-Carvajal等人，2014；Louvado等人，2015）。

为了提高盐碱环境中的PAH去除效率，研究人员转向了混合微生物联合体——细菌-细菌、真菌-真菌、细菌-微藻和真菌-细菌的组合（Li等人，2019）。这些联合体可以通过（i）扩大PAH降解细菌的数量，（ii）诱导更广泛的胞外酶谱，（iii）建立代谢互补的共生关系，以及（iv）提高PAH的生物利用度和微生物的耐盐性来协同增强PAH的去除（Bankole等人，2022；Chavez-Gomez等人，2003；Morales等人，2017；Zhong等人，2011）。尽管先前的研究已经记录了这些联合体在PAH降解速率和酶活性方面的协同效应，但其背后的分子机制仍大部分未被探索。因此，阐明这些联合体去除PAH的分子机制对于提高盐碱环境中生物修复的效率至关重要。

在本研究中，选择芘（Pyr）作为PAHs的代表化合物，重点研究Fusarium真菌和Priestia细菌，构建了一个用于PAH降解的真菌-细菌联合体。Fusarium广泛存在于PAH污染环境中，并表现出对盐碱条件的显著耐受性（Barnes等人，2023；Fallahi等人，2023）。然而，目前对Fusarium的研究主要集中在宏观方面，如降解速率、PAH吸附和主要酶的变化，对其涉及的分子机制了解有限（Zhang等人，2023）。Priestia以其对盐碱环境的优异耐受性而闻名，广泛应用于土壤修复，包括植物-微生物修复方法，可以减轻土壤盐碱化并增强土壤酶活性（Liu等人，2024b；Shi等人，2023）。尽管Priestia在土壤修复方面具有潜力，但关于其与Fusarium联合降解PAHs的能力的研究报道较少。本研究旨在通过动力学表征、基因组和非靶向代谢组学视角，阐明Fusarium和Priestia的协同降解机制，填补这一知识空白。这种综合方法不仅揭示了详细的分子相互作用，还为提高盐碱环境中PAH的生物修复提供了新的策略。研究结果有望为环境工程领域提供关于PAH污染场地生物修复理论的新见解。

材料、试剂和培养基

萘（Nap）、菲（Phe）和芘（Pyr）是从上海麦克林生化有限公司购买的，它们分别代表两到四个环的PAHs。NaBr、甲醇、对氨基苯甲酸、维生素B6、烟酸、核黄素和叶酸也是从上海麦克林生化有限公司购买的。KCl、(NH₄)₂SO₄、NaHCO₃、CaCl₂、K₂HPO₄、MgSO₄·7H₂O、MgCl₂·6H₂O、NaCl、ZnSO₄·7H₂O、MnSO₄·4H₂O、NaMoO₄·2H₂O、H₃BO₃、FeSO₄·7H₂O和CuSO4·5H₂O是从中国医药化学试剂有限公司购买的

真菌-细菌联合体

经过一个月的富集和一个月的反复分离与纯化，获得了一种真菌菌株和五种细菌菌株。真菌菌株被命名为FG，细菌菌株分别命名为BT1、BT2、BT3、BT4和BT5。其中，BT2、BT3和BT5的菌落较小且生长曲线相对平坦，表明它们的生长受到抑制（图S1和S2）。这种抑制可能是由于盐度压力、营养缺乏等因素造成的

结论

本研究表明，Fusarium真菌和Priestia细菌的联合体在盐碱环境中可以将芘的降解率提高至47.11%，比单独使用Priestia高48.38%，比单独使用Fusarium高80.80%。该联合体还对其他不同环数的PAHs（如菲和萘）表现出广谱协同降解作用，降解率提高了12-25%

CRediT作者贡献声明

韩风雷：概念构思。刘兆同：初稿撰写。张秀霞：资金获取。杨帆：数据管理。王彪：项目管理。姚峰：软件支持。李德：监督。熊康：审稿与编辑。任莉涵：方法学设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中央高校基本科研业务费（项目编号：22CX01004A-6）的资助。