实验室规模原油生物降解过程中富集菌群的演替与组成变化

《Bioresource Technology Reports》：Temporal succession and compositional shift in an enrichment consortium during laboratory-scale crude oil biodegradation

　　

摘要

由于石油烃的疏水性和化学稳定性，它们能够在环境中长期存在，这使得微生物难以对其进行分解。本研究评估了从科威特原油污染土壤中分离出的、具有石油烃降解能力的微生物群落的生物降解性能及其随时间的变化规律。在以原油作为唯一碳源进行6个月的富集培养后，该群落又被置于含原油的培养基中继续培养5周。研究过程中监测了表面张力、石油烃去除率、微生物种群变化以及可能的代谢途径。到第3周时，表面张力从69.3米牛顿/米下降到56.3米牛顿/米，与此同时，石油烃的总去除率为39%。针对不同类型石油烃的去除情况分析显示，正烷烃的去除率最高，为79%，多环芳烃为82%，而烷基化多环芳烃的去除率为79%。在降解初期，假单胞菌占主导地位，而无色杆菌则保持相对稳定的数量。功能预测表明，大约在第3周时，该群落的脂肪酸代谢、β-氧化以及石油烃降解能力会有所增强，这为理解原油生物降解过程中微生物群落的动态适应机制提供了依据。

引言

总石油烃是当前最常见且最难以清除的环境污染物之一，其主要来源是大量的原油开采、运输以及工业应用（Varjani和Upasani，2016）。由于泄漏、溢出或燃烧不完全等原因，这些污染物会意外进入陆地和水生生态系统，造成大规模污染，对生态环境和人类健康构成严重威胁（Gao等人，2021）。总石油烃包含多种有机化合物和副产品，它们因其化学稳定性、疏水性以及抗生物降解性，被列为优先处理的环境污染物，比如持久性有机污染物和多环芳烃（Ossai等人，2019）。

微生物生物降解是一种可持续且有效的解决石油烃污染环境的策略。与物理或化学修复方法相比，这种方法对环境的危害更小，且更有助于生态系统的长期恢复（Durval等人，2020）。尤其是基于富集培养的微生物群落，已被广泛用于筛选和构建能够适应复杂石油烃混合物的微生物群落（Cao等人，2022；Rezaei和Moghimi，2024）。这类群落通常具有互补的代谢功能和较强的生态适应性，因此能够在条件变化的情况下有效降解各种石油成分（Chen等人，2023）。然而，石油烃生物修复过程中一直存在一个难题，那就是疏水化合物的水溶性较低，且容易被基质吸附，这限制了微生物的接触机会，从而减缓了降解速度（Cui等人，2021）。为了解决这一问题，人们采用了添加表面活性剂的方案，无论是合成表面活性剂还是微生物产生的生物表面活性剂，都可以通过乳化作用提高石油烃的生物可利用性（Sharma等人，2023）。不过，关于天然产生表面活性剂的降解菌在富集培养环境中的行为，尤其是在其种群演替和在原油降解过程中的功能作用方面，仍有许多未知之处。此外，越来越多的研究表明，在富集培养过程中微生物群落结构的适应性变化，会显著影响原油降解的效率和范围（Yu等人，2022）。与其说某种特定的降解菌的存在至关重要，不如说微生物群落的动态结构，包括优势菌种的更替，才是决定降解进程的关键因素（Li等人，2020）。这样的变化可能会提升某些类型石油烃的降解效率，但同时也会缩小可降解化合物的范围，进而降低功能上的冗余性。例如，参与特定长度烷烃链或多环芳烃分解的关键菌种的消失或出现，可能会决定哪些类型的石油烃仍然难以降解，或者何时才能被降解（Liang等人，2022）。

以往的研究已经探讨了天然富集的微生物群落如何在不添加外部表面活性剂的情况下，自主协调生物表面活性剂的产生与石油烃的降解过程，但这些群落在石油烃降解过程中的动态重组机制仍不甚清楚。本研究假设，从石油污染土壤中分离出的微生物群落能够自我组织，从而实现生物表面活性剂产生与石油烃降解的最佳平衡。本研究的目的就是阐明在原油生物降解过程中，表面张力下降、石油烃组分去除、微生物种群更替以及功能变化之间的时间关联规律。为此，研究人员对原油培养5周期间的群落演替和功能变化进行了跟踪观察。该微生物群落经历了不同的降解阶段，同时伴随着表面张力的下降和石油烃的去除。这些研究结果有助于深入了解微生物群落在原油降解过程中的动态适应机制，也为设计更为高效的可持续生物修复策略提供参考。

章节节选

本地石油烃降解微生物群落的富集培养

用于降解原油的微生物群落是从科威特布尔甘油田（北纬29.078度，东经47.981度）采集的受原油污染的陈年土壤中分离得到的，具体细节见补充材料中的表S1。将10克该土壤接种到300毫升的基础培养基中，该培养基的成分包括10.0克/升的蛋白胨、5.0克/升的氯化钠以及0.1克/升的二水合氯化钙，这种培养基此前曾被用于培养从石油污染土壤中分离出的石油烃降解细菌（Diez等人，2022）。原油

石油烃降解微生物群落的结构特征与生物表面活性剂活性

首先对富集得到的微生物群落的结构特征进行了分析，以便确定与原油降解相关的优势微生物类群。在该群落中，最丰富的门类是变形菌门，占比为74.5%，其中γ-变形菌亚门占比47.9%，β-变形菌亚门占比18.3%，α-变形菌亚门占比8.2%。厚壁菌门也是该群落中的重要成员，占比为22.3%（见表1）。与原始存在于原油中的微生物群落相比

结论

在本研究中，以假单胞菌和无色杆菌为主的富集微生物群落，展现了具备生物表面活性剂相关乳化能力以及相应分解功能的原油烃类去除能力。群落分析结果表明，假单胞菌在降解初期起主要作用，而无色杆菌在整个培养期间都保持相对稳定的存在状态。功能预测进一步表明，在第3周左右，该微生物群落的某些功能会出现变化

CRediT作者贡献说明

Taein Kim：原文撰写——初稿、方法学、实验研究、正式分析。Sungjong Lee：原文撰写——审阅与编辑。Eun Hea Jho：原文撰写——审阅与编辑、研究指导、方法学、概念设计。Jin-Kyung Hong：原文撰写——审阅与编辑、原文撰写——初稿、验证、研究指导、项目管理、方法学、资金获取、正式分析、概念设计。

伦理声明

作者声明，本研究未涉及人类或动物实验对象。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了全南国立大学（资助编号：2024-1936-01）、韩国水资源集群需求导向型碳中和水技术示范支持项目以及由韩国教育部和京畿道共同资助的京畿地区创新系统与教育项目（Gyeonggi RISE项目）的财政支持。作者同时感谢使用基于大型语言模型的人工智能工具来协助语言编辑和论文准备工作。

Taein Kim|Sungjong Lee|Eun Hea Jho|Jin-Kyung Hong

韩国永仁 Hankuk大学外国语学院环境工程系