电子供体如何驱动还原脱卤反应：通过电子相互作用途径实现的群体工程

《Journal of Environmental Management》：How electron donors drive reductive dehalogenation: Electron interaction pathway-mediated community engineering

氯代烃污染场地微生物群落构建与脱氯效率优化机制研究。通过系统评估乳酸、丁酸及氢气的单组分、双组分和三组分协同供电子体系对脱氯菌群结构及脱氯速率的影响，发现乳酸-丁酸-H2三组分体系脱氯率达97.5±0.87 μmol Cl?/(L·d)，较单组分和双组分体系分别提升56.4%和29.3%。该高效体系源于Sporomusa和Syntrophomonas的协同富集，通过H2激活、乳酸驱动和丁酸强化的代谢网络实现持续电子传递，菌群间50-60%的互作关系呈正相关，形成结构稳定、功能冗余的脱氯菌群。

　　

Xu Pan|马晓丹|赵宗山|余正达|刘秀军|修宗明|李亚茹|张丰山

青岛大学环境与地理学院，中国青岛 266071

摘要

氯化乙烯是一种普遍存在于地下水中的污染物，其生物修复主要通过脱卤微生物群落实现，这些微生物群落利用可发酵的底物作为电子供体，通过种间电子转移驱动还原脱氯反应。然而，电子供体的组成如何影响脱卤微生物群落的结构特征以及调节脱氯速率的机制仍不明确。本研究使用单一成分、双成分和三成分的底物混合物作为电子供体，系统探讨了它们对微生物群落和脱氯速率的调控作用。结果表明，乳酸-丁酸-H₂三成分混合物的脱氯速率最高，达到97.5 ± 0.87 μmol Cl^?/(L·day)，分别比仅使用乳酸或乳酸-丁酸双成分混合物高出56.4%和29.3%。三成分混合物的优异脱氯性能得益于乳酸和丁酸对和的选择性富集，以及氢气的辅助作用。这些微生物在群落中形成了协同代谢网络，通过氢气激活、乳酸驱动和丁酸强化三个环节，建立了可持续的内源性电子供应链。在该优化后的相互作用网络中，50–60%的种间相互作用呈正相关，表明群落结构平衡，有效促进了电子流向脱氯反应。本研究阐明了电子供体底物如何影响微生物群落的组装并进而调节脱卤菌的活性，为氯化乙烯污染环境的有效修复提供了营养底物策略。

引言

氯化乙烯（CEs）是一类挥发性有机化合物，由于其低成本、化学稳定性和优异的溶剂性能，在工业应用中广泛使用（Kao等人，2025年）。这类化合物属于非水相液体，在含水层中容易形成持久性污染羽流，并能在地下环境中长期存在（Cheng等人，2023年；McCarty，2010年）。由有机卤化物降解菌（OHRB）驱动的微生物还原脱卤作用，在自然衰减和生物修复过程中起着关键作用（Chen等人，2025年；Xu等人，2023年）。其中，Dehalococcoides属因能够将四氯乙烯（PCE）和三氯乙烯（TCE）完全脱氯为无毒的乙烯（ETH）而受到关注（Yang等人，2025年）。Dehalococcoides在自然环境中与产乙酸菌、产甲烷菌等微生物形成共生关系，共同构成复杂的厌氧脱卤群落。它从这些伙伴微生物中获取电子供体和其他必需营养素以维持自身的能量代谢（Duhamel和Edwards，2007年；Li等人，2022年；Yan等人，2013年）。然而，电子供体底物如何调节厌氧脱卤菌的脱卤活性背后的机制尚不清楚。

厌氧脱卤微生物群落内的种间电子相互作用包括互惠共生和竞争，共同决定了群落的结构和功能（Kruse等人，2021年）。如先前研究所示，Dehalococcoides主要通过从产氢微生物（如Clostridium和< />₂）（Crable等人，2016年；Lu等人，2022年；Wang等人，2024年）。Clostridium通过快速发酵葡萄糖、乳酸和丙酮酸等底物生成NADH和还原型铁氧还蛋白等电子载体，随后通过氢化酶或氮化酶产生H₂（Gu和Milton，2020年；Santos等人，2022年；Song等人，2021年）。当Clostridium与Dehalococcoides共固定在硅胶基质中时，两者之间的H₂有效扩散距离显著缩短（Lu等人，2022年；Munier等人，2023年）。这种固定化组合的H₂利用效率达到92%，远高于自由细胞组中的65%。相比之下，Syntrophomonas通过丁酸的β-氧化产生H₂，这一过程受H₂分压低的热力学限制（Crable等人，2016年）。在自然环境中，Syntrophomonas》通常与产甲烷菌形成共生关系，后者通过产甲烷作用迅速消耗H₂，从而维持较低的H₂水平。这种相互作用不仅为Dehalococcoides提供了适宜的H₂环境，还促进了产甲烷菌与Dehalococcoides之间的竞争，进而影响脱氯活性。这些电子相互作用途径可以独立发挥作用，也可以在脱卤群落中共同存在，共同影响整体脱氯速率。因此，合理调节脱卤微生物群落内的电子流动，以实现稳定性和效率的平衡，是一个重要的研究课题。

基于种间电子相互作用，不同的电子供体底物显著影响脱氯活性和微生物群落结构。例如，在厌氧沉积物富集培养中，使用乳酸作为电子供体比使用乙酸、甲醇或甲酸可获得更高的PCE脱氯速率（Freeborn等人，2005年；Gao等人，1997年）。这种提升归因于乳酸增加了群落的多样性，增强了其整体还原脱氯能力（Aulenta等人，2007年）。然而，过量的乳酸也可能促进Desulfovibrio和Clostridium等发酵微生物的快速生长，与Dehalococcoides竞争必需营养素（Kremp等人，2020年；Li等人，2021年；Lu等人，2022年）。在单一底物条件下，功能优势菌种会得到选择性富集，导致群落结构简化、多样性降低，最终影响生态系统稳定性。相反，提供多种底物有助于建立互补的生态位，促进具有更强结构稳定性和功能冗余性的微生物联盟，这是长期高效脱氯的关键。

本研究选择乳酸、丙酮酸、丁酸、乙酸和氢气等常见发酵底物作为脱卤微生物群的电子供体。设计了单一成分、双成分和三成分的电子供体组合，以研究电子供体组成如何影响微生物群落和调节脱氯过程。通过分析群落结构、组成和种间电子转移关系，阐明了增强群落脱氯能力的最佳电子供体组合及其作用机制。这些发现为有机卤化物污染环境的有效修复提供了技术支持。

实验方法

培养

从三峡水库沉积物中分离出的厌氧脱卤微生物联盟YH，在含有45 mL培养基的无菌血清瓶中培养。培养基的具体成分见表S1。培养基中添加了TCE（450 μmol/L）作为电子受体，乳酸（10 mmol/L）作为初始电子供体，以及维生素B₁₂（VB₁₂，4 μg/L）作为生长因子。每个瓶子接种了5 mL的预培养菌液（至少培养过……）

通过调节电子供体组合提高脱氯速率

通过系统评估不同电子供体组合对微生物还原脱氯的影响。在单成分组中，乳酸和丙酮酸的脱氯速率最高（分别为62.32 ± 0.81 μmol Cl^?/(L·day)和62.27 ± 1.74 μmol Cl^?/(L·day)，并在22天内实现了TCE向ETH的完全转化（图1a、b、d）。添加H₂的组则需要26天才能完成脱氯（脱氯速率：52.19 ± 0.63 μmol Cl^?

结论

本研究系统探讨了不同电子供体底物如何影响微生物群落结构和种间相互作用网络，从而显著影响脱氯性能。研究发现，乳酸作为一种高效的发酵底物，选择性富集了和等核心功能菌属。此外，丁酸特异性富集了并促进了产甲烷菌的生长

CRediT作者贡献声明

Xu Pan：撰写——初稿撰写、可视化处理、数据分析。Xiaodan Ma：可视化处理、软件应用。Zongshan Zhao：监督工作、资源调配、项目管理。Zhengda Yu：软件应用、数据分析、概念构思。Xiujun Liu：软件应用、资源调配、实验设计。Zongming Xiu：撰写——审稿与编辑、结果验证、资金筹措。Yaru Li：撰写——审稿与编辑、方法设计、资金筹措、概念构思。Fengshan Zhang：软件应用、方法设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42307046）、山东省自然科学基金（ZR2024MD010）、青岛市科技惠民示范指导项目（24-1-8-cspz-11-nsh）、山东省自然科学基金（ZR2024MC181）以及青岛市 Shinan 区科技计划项目（2023-1-013-CL）的资助。