原始土壤微生物群落对四溴双酚 A 的早期适应：揭示快速演替与生态生理机制

《Journal of Hazardous Materials》：Early-Stage Adaptation of Pristine Soil Microbiota to Tetrabromobisphenol A: Unveiling Rapid Succession and Ecophysiological Mechanisms

　　

摘要

针对现有研究主要局限于从受污染环境中分离四溴双酚 A（TBBPA）降解菌并关注降解特性的局限性，本研究采用多组学方法，系统阐明了原始土壤微生物群落在急性 TBBPA 胁迫下的动态演替模式和代谢适应机制，并实现了对功能降解菌的快速筛选。结果表明，TBBPA 浓度和暴露时间共同驱动了群落结构的重构，其中 甲基杆菌属（*Methylobacillus*）和 潘诺尼亚菌属（*Pannonibacter*）因其强耐受性和高丰度而成为潜在的核心降解菌。功能分析表明，高浓度 TBBPA（200 mg/L）使 DLD 基因丰度降低了近 60%，而群落通过上调上游三羧酸循环基因（CS、IDH3 和 ACO）和呼吸链功能基因（ccoN 和 ccoO）有效缓解了能量代谢抑制，并形成连接更紧密的相互作用网络以增强功能协同。代谢组学分析揭示了与膜修复相关的脂质（Gpetn 和 Lysopa）和氨基酸（Norleucine 和 L-Phenylalanine）的显著积累，同时激活了与 ABC 转运蛋白相关的通路，共同证实了微生物群落中以膜修复和防御反应为核心的胁迫适应机制。降解过程表现出多酶协同特性，其中谷胱甘肽 S-转移酶起主导作用。驯化后，微生物群落的降解效率显著提高，并成功分离出关键菌株 不动杆菌属 sp. T3（*Acinetobacter* sp. T3）。本研究为开发针对持久性有机污染物（POPs）的原位生物修复技术提供了理论依据和土壤微生物群落资源。

引言

溴代阻燃剂凭借其优异的阻燃性能和相对较低的生产成本，被广泛应用于电子电气设备、建筑材料、纺织品和交通运输领域，已成为全球普遍存在的新兴污染物 [1]。其中，四溴双酚 A（TBBPA）是全球产量最大的溴代阻燃剂，在使用过程中可通过磨损、浸出及相关过程轻易释放到环境中 [2]。毒理学研究表明，TBBPA 对人类具有显著的神经毒性、免疫毒性、甲状腺干扰和内分泌干扰效应 [3], [4], [5], [6]。由于其高持久性和生物累积潜力，TBBPA 广泛分布于土壤、沉积物和水体等环境介质中，并在动物组织、人体血清甚至母乳中被检出。它已被列入《斯德哥尔摩公约》控制的持久性有机污染物（POPs） [7], [8], [9], [10]。作为 TBBPA 等有机污染物的重要汇和最终受体，土壤代表了一个关键的环境隔室，其中微生物群落在 TBBPA 胁迫下的响应机制和适应策略构成了理解此类污染物环境归趋和生物修复潜力的核心科学问题 [11], [12]。鉴于土壤微生物群落是有机污染物降解的主要驱动力，阐明其对 TBBPA 扰动的即时生理和生态响应，对于预测受污染土壤的自然衰减能力和制定有效的生物修复策略至关重要。

现有研究主要集中于从污染场地分离筛选高效降解菌株或分析长期受污染土壤中的微生物群落 [13]。这些研究揭示了假单胞菌属（Pseudomonas）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）和不动杆菌属（Acinetobacter）菌株的 TBBPA 降解活性，并提出了包括脱溴、羟基化、氧化和异丙叉桥断裂在内的可能转化途径 [1], [14], [15]。然而，当原始土壤中的稳定微生物群落突然暴露于急性 TBBPA 胁迫时，其内部即时和动态的响应过程仍不清楚。早期胁迫阶段是一个关键窗口，决定了群落能否生存、适应并建立降解功能。了解该阶段微生物群落的演替轨迹、关键类群的更替模式以及胁迫抗逆机制，不仅有助于揭示微生物对新兴有机胁迫物的生态响应原理，也为构建高效降解菌群提供了精确的理论目标。然而，这一科学问题尚未得到充分阐明。

最近，多组学方法的快速发展为阐明污染物胁迫下微生物群落的功能响应提供了有力工具 [16]。16S rRNA 基因的高通量测序能够全面表征群落组成的时空动态，是非靶向代谢组学则允许对代谢产物进行整体分析 [17]。以前的研究报道了几种 TBBPA 转化途径，包括还原性脱溴、氧化性骨架修饰和 O-甲基化，并鉴定了三溴化和单溴化物种以及最终产物双酚 A（BPA）等中间体 [18], [19], [20], [21]。然而，将群落演替动态与代谢产物谱定量联系起来的研究仍然有限。具体而言，源自天然土壤的应力驯化混合菌群在高浓度污染条件下的演替和功能维持尚未得到充分阐明。此外，将群落水平代谢产物谱与关键分类群联系起来的证据仍然不足，使得难以识别负责特定代谢步骤的优势类群。此外，源自群落水平研究的、可用于工程化菌群重构的功能纯菌株仍然相对稀缺。这些局限性阻碍了混合微生物菌群向工程修复策略的转化。因此，迫切需要一项系统调查，将群落动态、代谢功能转变和菌株分离整合在单一实验框架内，以弥合基础生态理解与实际生物修复应用之间的差距。

基于这些发现，本研究从未污染土壤出发，采用逐步驯化策略，富集了能在 TBBPA 胁迫下稳定生长的混合微生物菌群。通过整合 16S rRNA 基因测序和非靶向代谢组学，系统分析了不同 TBBPA 浓度下微生物群落的演替模式及其与环境因子的相关性。进一步的群落 - 代谢物关联分析用于识别关键代谢步骤的潜在微生物贡献者。此外，从混合菌群中分离并表征了功能纯菌株，为后续工程菌群构建和定向功能增强提供了微生物资源和分子目标。本研究旨在为 TBBPA 污染环境的微生物修复提供理论依据和实践参考。

章节摘要

化学试剂

本实验使用的 TBBPA（≥98%）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司（中国上海）。TBBPA 溶于甲醇制成 10,000 mg/L 的储备液，并通过 0.22 μm 滤膜过滤灭菌。富集培养基由牛肉浸膏 3 g、蛋白胨 10 g、NaCl 5 g（分析纯，购自重庆莫赫五景贸易有限公司）和蒸馏水定容至 1 L 组成。无机盐培养基（MSM）由 Na₂HPO₄

不同浓度急性 TBBPA 胁迫下微生物群落的响应特征

基于 16S rRNA 测序和生物信息学分析，样本的测序深度足够且合理，微生物群落结构显示出高可靠性（表 S1）。低浓度组（10–50 mg/L）的 OTU 数量高于高浓度组（100–200 mg/L），表明 TBBPA 浓度的变化会影响细菌多样性 [22], [23]。α 多样性香农指数和辛普森指数的变化（图 1a）

结论

通过富集和驯化，本研究系统阐明了源自原始土壤的微生物群落在 TBBPA 胁迫下的响应和适应机制。结果表明，低 TBBPA 浓度（10–50 mg/L）增加了群落多样性，而高浓度（100–200 mg/L）促进了功能类群的选择性富集，导致变形菌门（Proteobacteria）和 甲基杆菌属（*Methylobacillus*）成为优势群。共现网络分析表明

环境意义

本研究系统阐明了原始（清洁）土壤微生物群落在急性 TBBPA 胁迫转换过程中的代谢可塑性和结构演替。通过采用多组学方法，研究强调了未预先暴露种群如何通过一种以能量代谢补偿、膜完整性恢复和高互联功能网络形成为特征的复杂生存策略来适应。研究发现将焦点转移

CRediT 作者贡献声明

何攀林: 写作 – 初稿，软件，资源，方法论，调查，形式分析，数据整理。姜佳威: 方法论，调查，形式分析，数据整理。兴志林: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，软件，方法论，调查，资金获取，形式分析。赵天涛: 软件，资源，调查，资金获取。李亮洁: 写作 – 初稿，软件，资源，方法论，调查，

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（52200145）、重庆市科技创新与应用发展项目（CSTB2023TIAD-KPX0071）以及中国重庆市教委科技研究计划（KJZD-M202301103, KJQN202201131）的资金支持。此外，我们要感谢 Home for Researchers (https://www.home-for-researchers.com) 的服务。

意义声明

持久性有机污染物的环境积累

李亮洁 | 何攀林 | 姜佳威 | 兴志林 | 赵天涛

重庆理工大学化工学院，重庆 400054，中国