《Bioresource Technology》：Harnessing native microbes: Intermittent aeration for bioremediation of phenolic compounds contaminated freshwater
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微生物群落动态及基因适应性研究揭示了间歇曝气联合活性炭对酚类污染物降解效率提升75%，建立基于功能基因丰度的预测模型（R2=0.75-0.88）。
Xusheng Wang|Xiaonan Wang|Shunhao Ai|Fan Wu|Jiayin Xi|Ji Li|Zhengtao Liu
中国环境科学研究院环境标准与风险评估国家重点实验室，北京100012，中华人民共和国
摘要
由于酚类污染物的毒性、结构多样性以及抗生物降解性，它们对淡水生态系统构成了持续性的威胁。本研究探讨了利用本土微生物群落进行酚类化合物去除的微生物群落动态、基因水平适应性和生物刺激策略。宏基因组分析显示，在酚类压力下存在显著的分类学变化：工程化系统倾向于模块化协同降解，而自然群落则依赖于耐压菌类的优势以及门间水平基因转移（HGT）。功能分析鉴定出28个候选KEGG同源基因（KOs），包括氧化基因、环裂解基因和能量支持基因，这些基因在诸如Pseudomonas、Sphingobium和Bordetella等核心降解菌中富集。生物刺激实验表明，氧气可用性是主要限制因素：间歇性曝气（IA）使酚类降解效率提高了29%，而IA结合活性炭（IA + AC）的方案效果更佳，尤其是对于双酚A（BPA）和硝基酚等复杂化合物，降解效率提高了75%。基于KOs丰度和刺激方法的预测模型（R2 = 0.75–0.88）成功预测了50个自然样本的降解性能。虽然IA + AC提供了最稳定的提升效果，但15个群落在仅使用IA的情况下也实现了相当的降解效率，这突显了与HGT和代谢途径多样性相关的降解能力依赖性。这些发现建立了一个可扩展的预测框架，并强调了根据本土微生物能力定制生物刺激策略的重要性，为现场生物修复酚类污染的淡水系统提供了实用途径。
引言
淡水生态系统对生态功能和人类福祉至关重要，它们支持生物多样性，调节生物地球化学循环，并提供饮用水、灌溉和渔业等基本资源。然而，这些生态系统正日益受到人为污染物的影响，尤其是来自工业和农业活动的污染物（Li等人，2022年）。酚类化合物是最关键的环境污染物之一，在主要工业部门中广泛使用和产生。这些部门包括石油化工精炼、农药和药品制造、塑料生产和煤炭加工。由于其持久性、急性毒性以及潜在的致突变性和致癌性，酚类化合物对水生生物和生态系统完整性构成了重大威胁（Chen等人，2020年）。一旦进入水生环境，酚类污染物会破坏微生物群落结构，抑制酶活性，并干扰营养相互作用（Du等人，2025年；Wang等人，2024年）。它们的存在通常伴随着溶解氧的减少、生化需氧量（BOD）的增加以及通过部分降解产生的有毒中间体（Du等人，2025年）。因此，修复受酚类污染的淡水水体是环境管理和公共卫生保护的重点。传统的物理化学处理技术——如活性炭吸附、高级氧化过程（AOPs）、电化学降解和化学沉淀——已经取得了一定程度的成功（Koh等人，2009年；Kundu等人，2022年；McAdam等人，2011年）。尽管这些方法在受控条件下能快速去除污染物，但在实际应用中往往受到高运营成本、复杂基础设施要求、能源密集型和产生二次污染物的挑战（Megharaj等人，2011年）。此外，这些方法还会通过破坏栖息地完整性和改变沉积物组成而对当地生物造成风险，从而降低其与生态敏感区域的兼容性（Cecconet等人，2020年）。
相比之下，生物修复作为一种可持续且经济有效的有机污染物处理方法应运而生，包括酚类化合物。该策略利用微生物群落的代谢潜力将污染物转化为危害较小或惰性的形式（Li等人，2020年）。与物理化学方法相比，微生物降解更符合自然生态系统动态，并且可以最小程度地干扰生态系统（Yang等人，2016年）。值得注意的是，使用本土微生物群落具有独特的生态和监管优势，例如对当地环境条件的固有适应性以及避免引入外来生物带来的风险（Zafra等人，2016年）。尽管前景广阔，但微生物生物修复在酚类污染物应用中仍面临重要限制。一个关键的限制因素是溶解氧的可用性，因为涉及酚羟化酶和儿茶酚双加氧酶的有氧分解途径通常比厌氧途径更高效和彻底（Writer等人，2011年；Zhou等人，2015年）。然而，许多淡水环境处于缺氧状态，导致这些途径无法有效运作或效率低下。因此，现场酚类化合物的降解速率往往不足以达到修复目标。为了克服这一障碍，人们采用曝气作为生物刺激手段来增强微生物的氧气供应并激活有氧降解途径（Martínez-Pascual等人，2015年）。然而，由于能耗和潜在的物理干扰，持续曝气并不总是可行的。最近的研究表明，间歇性曝气（通过交替供应和剥夺氧气）可能提供一种可行的替代方案，它通过创造动态的氧化还原条件来刺激有氧代谢，而无需持续的能量输入（Zheng等人，2018年）。间歇性曝气还与微生物多样性的增加、代谢灵活性的提升以及氧化还原耦合降解过程的潜力相关，其中兼性或厌氧生物可以补充厌氧途径。
然而，水质和水生栖息地的异质性往往限制了单一修复策略在多种淡水环境中的适用性。尽管有这些有前景的研究，关于间歇性曝气如何影响酚类降解微生物群落的见解仍然有限。此外，很少有研究定量评估其在沉积物环境中的有效性或评估其在不同微生物组合中的普遍性。目前也缺乏能够将微生物群落组成、功能基因丰度和曝气策略与环境条件下的预期降解性能联系起来的预测框架。在实践中，生物修复方法的实施往往基于经验，这可能导致响应时间延迟和修复效率降低。生物修复的长期效果在很大程度上取决于微生物群落，尤其是细菌种群，其多样性和普遍性越来越被认为是水质的关键指标（Niu等人，2019年）。不同修复策略对微生物群落结构和功能的影响需要进一步研究。此外，细菌群落受到多种物理化学参数的强烈影响，特别是在受持久性污染物污染的环境中（Anantharaman等人，2016年；Gonze等人，2017年）。这些环境因素可能会进一步调节或放大水修复技术的影响。因此，全面了解不同环境条件下微生物群落的响应对于优化有效的生物修复策略的设计和实施至关重要。
解决这些挑战需要结合控制实验、高分辨率微生物分析和数据驱动的建模。实验室微宇宙能够模拟现场相关条件，同时实现对生物刺激参数的精确控制。当与分子生态技术（如16S rRNA基因测序、功能基因推断和代谢途径注释）结合使用时，这些系统可以提供关于群落对曝气和污染物暴露反应的见解（Michán等人，2021年）。此外，统计和机器学习方法的进步为开发预测模型创造了新的机会，将这些实验观察转化为现场应用的实用指导。在这方面，本研究旨在系统地探讨间歇性曝气对淡水生态系统中酚类生物降解的影响。研究目标有三个：（i）评估不同微生物群落对酚类化合物降解动力学的影响；（ii）表征微生物群落组成和功能潜力在曝气作用下的变化；（iii）探索使用基于基因的预测模型来估计在不同环境和操作条件下的降解效率的可行性。因此，本研究采用了两阶段策略：（i）首先，使用具有适应性和酚类压力的控制实验室微宇宙来放大和解析与酚类降解相关的关键微生物群落动态和功能基因库；（ii）随后，利用鉴定出的关键遗传标记构建预测模型，并将其直接应用于从自然淡水中收集的非适应性本土微生物群落，以评估其降解潜力并指导生物刺激策略的选择。通过同时考虑机制和预测方面，这项工作有助于更全面地理解如何利用生物刺激来增强自然水生系统中微生物对污染物的降解作用。
实验部分
降解实验和材料
本实验室适应阶段的主要目的是阐明在强化选择压力下驱动酚类降解的群落结构变化和功能基因变化，从而为识别通用生物标志物奠定基础。这种方法不同于旨在直接模拟现场条件的实验。四种酚类污染物（酚、4-n-壬基酚、4-硝基酚和双酚A；纯度>99.9%）从上海Macklin公司获得
三种微生物群落在酚类污染物压力下的差异
在酚类降解过程中，所有三个系统中的微生物组成都发生了显著变化（图1a）。在门水平上，最初Pseudomonadota、Bacteroidota和Bacillota占主导地位（分别为72.24%、7.99%和15.58%）。96小时后，Pseudomonadota下降到62.69%，Bacillota增加到25.68%，Bacteroidota略有恢复至6.09%。Pseudomonadota在活性污泥中的下降最为明显（从72.00%降至37.43%），同时Bacillota有所增加
结论
本研究表明，多样的微生物群落具有异质性的酚类化合物降解能力，这种能力受到分类组成、功能基因库和适应机制（如HGT）的影响。功能筛选鉴定出29个与酚类降解相关的稳健候选基因，可作为预测建模的生物标志物。生物刺激实验确认氧气是关键限制因素，间歇性曝气（IA）显著提高了降解效率，而IA结合活性炭（IA + AC）的效果更好
CRediT作者贡献声明
Xusheng Wang：撰写——原始草案、方法论、正式分析、概念化。Xiaonan Wang：撰写——审稿与编辑、监督、数据管理。Shunhao Ai：研究、数据管理。Fan Wu：可视化、验证。Jiayin Xi：验证、正式分析。Ji Li：项目管理。Zhengtao Liu：撰写——审稿与编辑、监督。
资助
本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号2021YFC3201005）和中国国家自然科学基金（项目编号42107303）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们向参与研究的人员表示感谢，感谢他们为这项工作付出的时间和支持。
