分子生态网络引导的共生体组装揭示了阶段依赖的代谢协同增强头孢氨苄去除效果

《Environmental Research》：Molecular ecological network-guided consortium assembly reveals stage-dependent metabolic cooperation for enhanced cephalexin removal

　　

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  基于分子生态网络的关键节点比例实现了降解头孢拉定群落的理性定量。
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  C2将S8介导的吸附缓冲与S2驱动的酶促转化相结合。
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  核心-外围聚集体在空间上组织了吸附和生物转化过程。
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  泛酸和鞘脂代谢途径驱动了阶段性代谢适应。
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  与超广谱β-内酰胺酶/细胞色素P450相关的功能支持了头孢拉定中间产物的持续衰减。

引言

抗生素的广泛使用和不完整去除导致其在水环境中持续输入和残留积累，使其成为制药废水、畜禽废水和市政污水处理系统中日益关注的有机污染物(Lees等，2016年)。头孢拉定（CLX）是一种典型的β-内酰胺类抗生素，由于其频繁的临床使用和环境中广泛检出，被认为是需要重点控制的优先抗生素污染物之一(Aus Der Beek等，2016年)。CLX分子含有β-内酰胺环、芳香侧链和多个极性官能团。其结构稳定性和抗菌活性使其难以通过传统生物处理工艺完全去除(Noman等，2021年)。残留的CLX不仅可能抑制污水处理系统中功能微生物的正常代谢，还可能促进抗生素耐药菌和抗生素耐药基因的富集和传播(García等，2020年)。因此，开发高效、绿色且环境风险可控的CLX去除技术已成为抗生素污染控制领域的紧迫挑战。

与高级氧化、吸附和膜分离等物理化学方法相比，生物处理因其相对较低的成本、环境兼容性和更好的可持续性，在抗生素污染修复中展现出独特优势(Adeoye等，2024年；Tiwari等，2017年)。在生物策略中，生物强化涉及向活性污泥系统中引入高效功能菌株，可以有方向地增强对目标污染物的去除能力，被认为是提高难降解有机化合物生物去除的有效途径(Zhang等，2017年)。近年来，已分离出几种能够去除CLX的微生物，并证明它们通过吸附(Al-Gheethi等，2019年)、生物转化(Kou等，2025年；Lin等，2015年；Tian等，2023年)或共代谢(Wang等，2017年)参与污染物衰减。在我们之前的研究中，发现两种功能菌株S2和S8表现出差异化的CLX去除特性，表明功能不同的菌株之间存在潜在的互补合作，为构建高效去除CLX的人工微生物群落提供了基础(Shan等，2025年)。然而，单一功能菌株在实际应用中常面临诸多局限性，包括环境适应性不足、污染物毒性抑制、中间产物积累以及难以长期维持主导功能(Zheng等，2019年)。相比之下，微生物群落可以通过功能互补、底物交叉利用、胞外基质保护和代谢分工来增强系统稳定性和污染物去除性能(Lu和Chandran，2010年)。因此，基于已知功能菌株构建合成微生物群落已逐渐成为基于生物强化的抗生素去除的重要方向。

目前，用于抗生素去除的人工微生物群落构建主要遵循两种策略："自上而下"和"自下而上"方法(Tobias-Hünefeldt等，2021年)。前者主要依赖长期驯化来获得具有目标功能的复合群落。尽管此类群落可能表现出良好的去除性能，但其复杂的群落组成和不清楚的功能分配使得阐明核心功能微生物之间的协同机制变得困难，从而限制了所得接种物的可控性和工程适用性(Chi等，2024年)。后者强调基于功能菌株及其相互作用对合成群落进行理性组装。然而，菌株比例往往由等比例混合或经验判断决定，对原始原位群落的生态位、种间相互作用和网络拓扑特性考虑不足(Karakurt-Fischer等，2023年；Rawat等，2023年)。尽管分子生态网络分析已被广泛用于表征环境微生物群落的组装规则和关键类群(Banerjee等，2018年；Zhang等，2025年)，但网络信息很少被转化为定量接种参数，如用于合理设计定义合成群落的菌株比例，特别是对于β-内酰胺类抗生素。先前的研究表明，人工构建的双菌株或多菌株系统可以通过代谢互补和交叉喂养实现复杂抗生素分子的分步降解(Kong等，2023年)。然而，关于内部代谢网络如何重构、中间产物如何持续衰减以及不同功能菌株如何在空间和时间上协调"吸附-转化"过程，仍缺乏系统理解(Yang等，2025年)。特别是对于头孢拉定等头孢菌素类抗生素，人工微生物群落的构建逻辑和功能菌株之间的协同代谢机制仍有待深入探索。

基于上述考虑，本研究提出了一种由原位生态网络信息指导的双菌株合成群落构建策略，使用两种先前获得的功能菌株——谷氨酸杆菌属菌株S2和根瘤菌属菌株S8作为核心成员(Shan等，2025年)。与依赖经验组合或单纯追求去除效率的传统接种物构建策略不同，本研究将两种菌株在原始污泥群落中的生态位特征、网络关键节点比例和功能互补性纳入接种物设计过程，从而构建了一个具有"吸附富集-酶促转化"潜力的复合群落(Zhao等，2026年)。此外，本研究从空间组织、胞外微环境和代谢重塑的角度探讨了两种菌株在CLX去除过程中的协同机制，旨在阐明一种转化主导菌株和一种吸附缓冲菌株如何通过代谢分工和功能耦合共同促进污染物的持续衰减。本研究有望从理性接种物构建和协同代谢调控的角度深化对生物强化去除β-内酰胺类抗生素的理解，并为设计由功能分化菌株驱动的高效合成微生物群落提供理论框架和技术途径。

章节片段

化学品、功能菌株和接种物制备

头孢拉定一水合物（CLX，C₁₆H₁₉N₃O₅S，纯度≥98%）、色谱级乙腈、甲醇、甲酸和其他有机溶剂均购自上海阿拉丁生化科技有限公司。所有其他试剂均为分析纯。将CLX溶解于去离子水中制备1 g/L储备液，稀释至所需浓度，并在4 °C避光条件下短期储存。实验全程使用超纯水。

无机盐培养基（MSM）

MEN引导的双菌株合成群落理性构建

尽管单个菌株能够在特定环境参数下自主降解CLX，但微生物群落通常由于协作代谢相互作用而表现出增强的去除效率。这种功能优势在生态学基础上源于群落内物种间协调相互作用产生的协同或共生关系(Fuller等，2021年)。我们先前发表的研究表明，

结论

本研究开发了一种由谷氨酸杆菌属菌株S2和根瘤菌属菌株S8组成的MEN引导合成群落用于CLX去除，并调查了其协同机制。纳入原位生态位特征、关键节点比例和功能互补性为群落组装建立了生态学基础。此外，S2:S8 = 1:3比例构建的C2表现出最佳整体性能。C2形成核心-外围聚集体和蛋白质-多糖EPS

CRediT作者贡献声明

山晓清：写作 – 审阅与编辑，可视化，验证，方法论。 高洪杰：写作 – 审阅与编辑，项目管理。 山泽林：写作 – 初稿，验证，调查，资金获取，形式分析，数据整理，概念化

未引用参考文献

Li等，2024年；Zhang等，2020年；Zhang等，2023年。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的经济利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了中国中央政府对基础科学研究业务费专项基金支持，中国环境科学研究院（编号：2024YSKY-50）。

山泽林|山晓清|高洪杰