解析驯化污泥菌群中的厌氧吲哚降解机制：基于宏基因组和宏转录组分析推断的候选途径与微生物分工

《Journal of Hazardous Materials》：Unraveling anaerobic indole degradation in an acclimated sludge consortium: candidate pathways and microbial division of labor inferred from metagenomic and metatranscriptomic analyses

　　**摘要**吲哚是一种在畜禽粪便、污泥和污水处理系统中广泛存在的含氮杂环化合物，但参与其厌氧转化的酶类和微生物种群仍知之甚少。本研究构建了一个长期驯化的厌氧污泥微生物群落，并结合降解试验、代谢物分析、宏转录组学和基因组分辨率的宏基因组学，探讨了厌氧降解吲哚的功能基础。经120天驯化后，该群落可稳定降解100 mg/L的吲哚，而在相同策略下色胺未能被有效去除，表明微生物群落对底物具有特异性适应。代谢物分析检测到氧化吲哚、二氧杂吲哚、异吲哚酮和邻氨基苯甲酸，支持一条涉及吡咯环氧化和开环、生成邻氨基苯甲酸类中间体的推测转化途径。宏转录组学分析显示，添加吲哚后共有16,660个差异表达基因，转录响应强烈涉及氧化还原酶、水解酶、辅因子依赖的氧化还原代谢、芳香族-CoA相关代谢以及与甲烷代谢相关的途径。转录响应突出了黄嘌呤脱氢酶样的钼酶系统和异吲哚酮水解酶作为上游吲哚转化的候选功能因子，而abmG样基因、bcrC和oah基因的响应则与邻氨基苯甲酸的激活及下游CoA型加工可能相关。MAG解析分析进一步表明，这些候选功能可能分布在归属于拟杆菌门、绿屈挠菌门、脱硫杆菌门及产甲烷杆菌属的微生物种群中。综合而言，这些发现建立了一个稳定的厌氧降解吲哚群落，并为连接上游吲哚转化、芳香族-CoA代谢和产甲烷相关碳流的互营作用提供了一个可检验的功能框架。**章节摘要****引言**吲哚是一种典型的含氮杂环芳香化合物，广泛存在于天然和人工构建的微生物生境中，包括畜禽粪便、厌氧消化器、污水污泥和污水处理系统[33]。它主要通过色氨酸酶介导的微生物色氨酸代谢生成，并与吲哚-3-乙酸和3-甲基吲哚（色胺）等其他重要的吲哚类衍生物在代谢上相关[29]、[36]。吲哚日益被认为……**化学品与培养基**吲哚和色胺购自阿拉丁（上海，中国）。其余所有化学品和溶剂均为分析纯。矿物盐（MS）培养基每升含：2.0 g (NH?)?SO?、2.0 g KH?PO?、3.28 g Na?HPO?·12H?O、1.00 g CH?COONa、2.68 mg MnSO?·H?O、0.134 mg FeCl?·6H?O、21.4 mg MgSO?·7H?O、3.8 mg CaCl?以及1 mL微量元素溶液。厌氧实验时，培养基分装至血清瓶中，用高纯氮气鼓泡去除溶解氧，并用丁基橡胶密封……**长期驯化使吲哚得以稳定厌氧降解，但色胺未能降解**为期120天的分步驯化实验揭示了厌氧微生物群落对吲哚和色胺的适应存在明显的底物依赖性差异（图S1，图1a）。在仅含吲哚的体系中，第一阶段内迅速建立了去除活性，每个48小时周期内20 mg/L的吲哚被完全去除。当第二阶段进水浓度提高至100 mg/L后，前几个周期内吲哚去除不稳定，表明微生物……**结论**本研究建立了一个可稳定降解吲哚的长期驯化厌氧污泥群落，而在相同驯化策略下色胺未能被有效去除。代谢物分析确定氧化吲哚、二氧杂吲哚、异吲哚酮和邻氨基苯甲酸为主要转化产物，支持一条涉及吡咯环氧化和开环、生成邻氨基苯甲酸类中间体的推测厌氧途径。宏转录组学分析记录了广泛的转录……**意义声明**吲哚可在废水和粪便废物基质中积累至每升毫克级水平，但其厌氧转化的微生物机制仍知之甚少。本研究整合长期驯化、代谢物分析、宏转录组学和基因组分辨率宏基因组学，将吡咯环氧化和邻氨基苯甲酸生成与候选功能基因和微生物种群联系起来。研究结果提供了一个互营框架，其中细菌伙伴介导……**CRediT作者贡献声明**马乔：写作—审阅与编辑，写作—初稿撰写，监督，资源，方法学，经费获取，概念化设计。吴明和：正式分析。周浩：写作—审阅与编辑，资源。李根秀：调查研究。张家鑫：调查研究。赵宇扬：调查研究。刘家辉：写作—审阅与编辑，调查研究。朱静文：调查研究。严佳音：正式分析。孟楠：写作—审阅与编辑，写作—初稿撰写，可视化，……**利益冲突声明**作者声明，他们没有已知的可能影响本论文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本研究由辽宁省科技联合计划项目（编号2025-MSLH-076）和中央高校基本科研业务费（编号3132026157）资助。孟楠 | 朱静文 | 严佳音 | 赵宇扬 | 刘家辉 | 李根秀 | 张家鑫 | 吴明和 | 周浩 | 马乔大连海事大学环境科学与工程学部环境系统生物学研究所，中国大连 116026