天然多环芳烃降解细菌联合体（PD1）的表征及其土壤修复性能

《Environmental Research》：Characterization and Soil Remediation Performance of a Natural Polycyclic Aromatic Hydrocarbon-Degrading Bacterial Consortium (PD1)

　　**摘要**- 从矸石回填场土壤中成功富集到一种新型多环芳烃（PAHs）降解菌 consortium（PD1）。- PD1 能在液体和土壤环境中于3天内高效降解80%的300 mg/L菲（PHE）。- 宏基因组和宏转录组分析揭示了降解途径及类群特异性功能角色。**引言**多环芳烃（PAHs）是由两个或多个苯环以线性、角形或簇状排列融合而成的芳香族化合物（Gan et al., 2009; Montano et al., 2025）。PAHs通常按环数分为低分子量化合物（二至三环，LMW-PAHs）和高分子量化合物（四环及以上，HMW-PAHs）（Patel et al., 2020）。近年来，工业活动已成为PAHs的重要人为来源，导致其在土壤、水体和大气中广泛存在（Wang et al., 2025; Wang et al., 2020; Wu et al., 2022）。大多数PAHs通过大气沉降及其他生态过程在土壤环境中积累，并可持续存在数十年（Ma et al., 2016; Zhou et al., 2024）。土壤是环境中PAHs的主要储库（Ili? et al., 2021）。菲（PHE）是一种典型的PAH，由三个苯环组成，同时也是最小的湾区结构化合物（Corgié et al., 2006）。此外，作为致癌性PAHs的最小结构单元，PHE常被用作研究致癌性PAHs的模型化合物（Vijayanand et al., 2023; Yang et al., 2025）。在PAHs污染的土壤中，PHE通常表现出较高的浓度和较广的分布（Peng et al., 2008）。PAHs污染场地的修复，尤其是PHE污染的修复，已成为一项全球性挑战（Berríos-Rolón et al., 2025; Lu et al., 2011）。由于PAHs的脂溶性特性，它们能够轻易进入生物体，并通过生物放大作用沿食物链富集，从而对人类健康构成严重威胁（Onyena et al., 2024; Ramesh et al., 2004）。PHE被列为16种优先控制的PAHs之一，具有显著的多器官毒性，其中心脏毒性尤为突出（He et al., 2021; Li et al., 2019）。它通过抑制与心脏功能相关的离子通道和关键酶对心肌细胞产生毒性作用（Shiels, 2026）。PHE引起的其他系统性毒性包括氧化应激、线粒体功能障碍和自主神经功能障碍。重要的是，PHE满足心脏毒性12项关键特征中的11项（England et al., 2024）。因此，控制PHE污染对人类健康至关重要，尤其是在其主要积累的土壤环境中。目前常用的修复方法包括物理修复（如固化/稳定化（Martin et al., 2024）、电动力学修复（Sun et al., 2025））、化学修复（如化学氧化（Zhou et al., 2026）、表面活性剂增溶（Rathankumar et al., 2022））和生物修复（如微生物修复（Banerjee et al., 2024）、植物修复（Verane et al., 2020; Darajeh et al., 2020））。然而，物理和化学方法往往成本高昂，会破坏土壤生态系统，且可能只是转移污染物而非真正降解，有时还会产生二次污染。微生物生物修复是研究广泛的PAHs修复方法之一（Ghosal et al., 2016; Sankhyan et al., 2025）。微生物通过各种代谢途径降解PAHs，将这些化合物转化为通常毒性较低或更易降解的形式，从而降低土壤中PAHs的含量，实现修复目的（Li et al., 2025a; Li et al., 2024b）。与物理和化学方法相比，微生物生物修复通常更具可行性，具有经济高效、操作简单和对环境影响较小的优点（Abd Elnabi et al., 2023; Zhang and Qin, 2025）。因此，微生物生物修复被认为是一种优先的环境修复策略，具有广阔的应用前景。微生物修复技术可分为两种途径：生物刺激和生物强化（Davletgildeeva and Kuznetsov, 2024）。生物强化涉及筛选PAHs降解微生物并将这些外源菌株引入污染场地。PAHs降解微生物的分离与表征对于理解并开发有效的生物修复策略至关重要。目前，已有大量微生物被分离出来，并展现出有效的PHE降解能力。Altererythrobacter sp. H2可在7天内降解50 mg/L的PHE，并且还能降解荧蒽（FLA）、芘（PYR）和苯并[a]蒽（BaA）等多种PAHs（Han et al., 2025）。Pseudomonas aeruginosa AO-4可在7天内降解50 mg/L PHE的43.8%，并在降解过程中将30 mg/L的Cr(VI)进行转化（Tang et al., 2024）。Streptomyces sp. M-1可协同降解PHE和蒽（ANT），在7天内可降解约50%的50 mg/L PHE（Zhang et al., 2025b）。Rhodococcus也是常用的研究对象之一。Rhodococcus qingshengii FF可在7天内降解50 mg/L PHE的92%以上（Wang et al., 2021）。然而，单一菌株容易受到场地条件、种间竞争和复杂污染物等因素的影响，在实际修复中难以达到最佳降解效果（Fan et al., 2024; Jia et al., 2025）。相比之下，混合菌群 consortium 通常更为稳定（Zhang et al., 2025a）。因此，获取天然或人工构建的微生物 consortium 已成为场地修复的首选方案。通过农田土壤富集获得的PAHs降解菌群Std-1，由48%的Castellaniella、16%的Mycobacterium、14%的Desulfonatronum、10%的Azospirillum以及2%的其他若干属组成。它能在10天内高效降解100 mg/L的PHE和芴（FLU），并在15天内降解100 mg/L的PYR（Bacosa et al., 2025）。同样，从PHE污染场地土壤中富集的菌群HJ-SH能够在3天内降解100 mg/L的PHE。从该 consortium 中分离出7种功能微生物，包括Pseudomonas、Stenotrophomonas和Delftia sp.（Chen et al., 2023）。利用污染土壤通过定向富集培养高效PAHs降解菌 consortium 的策略已被证明是有效的（Lu et al., 2019）。然而，现有研究大多集中在液体环境中，忽视了土壤才是修复的主要场所。土壤中的多种因素都会影响微生物的功能活性（Ghosal et al., 2016）。首先，土壤环境中的生态修复面临更大的复杂性，pH、温度和盐含量等因素可能显著影响微生物的功能活性（Aso and Obuekwe, 2024; Sahith et al., 2025）。因此，必须在多种环境条件下评估降解能力。其次，土著微生物群落发挥着关键作用。功能微生物与本地群落之间的营养和生态位竞争可能严重影响引入菌株的定殖和表现（K and Manian, 2023; Uyttebroek et al., 2006）。第三，污染土壤往往存在多种共污染物。PAHs、重金属、挥发性有机化合物和其他污染物共同造成的胁迫对微生物活性构成严重制约（Chen et al., 2025; Zhou et al., 2025）。最后，与均质的液体介质不同，土壤是一个非均质基质，PAHs可被强烈吸附在有机质和黏土矿物上，从而降低其对微生物的生物有效性（K and Manian, 2023）。大多数现有研究仍停留在实验室规模，未能捕获微生物菌株在土壤环境中的实际降解表现。因此，分离出能够在自然土壤条件下高效降解PAHs的微生物是一项重要的研究优先事项。矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的一种固体废弃物。其中含有大量有机污染物，PAHs是其中较为常见的污染物（Achten and Hofmann, 2009; Li et al., 2024a; Xu et al., 2023）。在矸石堆存和填埋场地的土壤和地下水中也经常检测到PAHs污染（Huang et al., 2016; Wu et al., 2023a; Wu et al., 2023b）。本研究从矿区矸石回填场采集土壤样品，以PHE作为唯一碳源和能源，富集到一个高效的PHE降解菌 consortium，命名为PD1。本研究的目的是：(1) 评估菌 consortium PD1的PAHs降解能力与特性；(2) 评价PD1用于土壤修复的效果；(3) 探索PD1降解PHE的潜在途径。**研究片段****化学品与培养基**菲（PHE，>97%）及其他PAHs购自阿拉丁（上海阿拉丁生化科技股份有限公司，中国上海）。乙酸乙酯购自康科德（天津康科德科技有限公司，中国天津），乙腈购自赛默飞（上海赛默飞世尔科技有限公司，中国上海）。无机盐培养基（MSM）的组分包括KH₂PO₄（0.5 g/L）、Na₂HPO₄·12H₂O（1.5 g/L）、NaCl（1.0 g/L）、(NH₄)₂SO₄（1.0 g/L）、MgSO₄·7H₂O（0.2 g/L）以及1 mL/L**菌群的富集**经过多次迭代富集培养后，获得了一个命名为PD1的菌 consortium。该 consortium 能够以PHE作为唯一碳源和能源稳定生长。该 consortium 在液体培养中的生长情况见图1和图S1。在整个培养过程中，培养基的颜色从白色变为橙红色。值得注意的是，该 consortium 形成了生物膜，特征为体积大、肉眼可见的**结论**本研究通过多轮转接培养和富集培养，从煤矸石回填场表层土壤中分离出一个天然PAHs降解微生物 consortium，命名为PD1。该 consortium 具有优异的PAHs降解能力，能够以PHE作为唯一碳源和能源进行生长。PD1主要由Comamonadaceae科和Alcaligenaceae科的细菌组成，其中Acidovorax和Pigmentiphaga被鉴定为**作者贡献声明**刘星宇：撰写—审稿与编辑、监督、项目管理、资助获取、形式分析、概念化。祁志雅：资源、调查研究。姚军：监督、概念化。吕颖：撰写—审稿与编辑、监督、项目管理、资助获取。吴浩宇：资源、调查研究。郑美琳：可视化、方法论。赵英豪：撰写—初稿、可视化、验证、方法论、形式分析、数据整理。魏**利益冲突声明**? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本项目获得国家自然科学基金（项目编号42330713、42407031）资助赵英豪|郑美琳|安娟|魏秀|姚军|祁志雅|吴浩宇|吕颖|刘星宇