我國是石油生產和消費大國，在原油開采、運輸和冶煉過程中，污染事故頻發，嚴重威脅生態安全與土壤健康。微生物在污染物生物地球化學循環中扮演著至關重要的角色，尤其在石油烴類污染物的分解過程中，降解功能微生物能夠將有毒污染物轉化為無毒化合物，是降解過程的核心執行者。然而，在實際環境中，功能微生物通常以群落形式協同作用，而非單獨發揮功能。因此，深入挖掘石油污染土壤中的微生物資源，準確識別復雜微生物群落中起到關鍵降解作用的功能菌群，明確其驅動因子和群落構建機制，是深入理解石油烴類污染物生物降解和調控機理的關鍵。現有研究大多聚焦石油污染土壤微生物群落結構，對石油烴降解功能微生物的關注仍然有限。如何在復雜的自然環境中精準甄別具有實際降解能力的微生物，并解析其作用機制，仍是亟待解決的挑戰。
近期，中國科學院廣州地球化學研究所李繼兵副研究員、羅春玲研究員團隊，將穩定同位素示蹤（SIP）、單細胞拉曼分選（RACS）、16S rRNA擴增子測序、基因組測序和地球化學因子分析等技術相結合，以正十六烷和菲作為模型化合物，深入揭示了石油污染區域功能微生物群落的組成差異、代謝機制及其受控因素。研究發現，功能菌群盡管整體組成有所不同，但關鍵菌種中的假單胞菌、海洋桿菌、食烷菌、蒼白桿菌和鞘氨醇單胞菌等始終是正十六烷和/或菲的功能降解菌。其中，假單胞菌、蒼白桿菌、食烷菌和鞘氨醇桿等功能菌表現出代謝多樣性，能夠有效降解兩種污染物。進一步通過SIP-宏基因組分箱分析，研究團隊獲得了假單胞菌屬、蒼白桿菌屬、鞘氨醇單胞菌屬的主要功能降解菌的全基因組，并全面解析了石油烴降解途徑（如鄰苯二甲酸酯和水楊酸代謝途徑）及其相關基因（如PAH雙加氧酶基因、alkB基因），證實了這些微生物的生物修復潛力及其在石油烴類污染物原位生物降解過程中的重要作用。環境因素和方差分解分析表明，石油污染對功能微生物群落組成的影響最大（12%），其次是有效鉀和有效氮；地球化學因子和地理位置分別獨立解釋了14%和21%的總變異。值得一提的是，功能性微生物群落結構中超過一半（51%）的變異仍未被解釋，可能是由于未測量的環境變量所致。
為了更深入地探明功能微生物群落原位代謝機制，研究團隊創新性地提出了原位功能微生物菌群（FMC）的概念，并以菲為模型化合物建立了原位FMC構建方法。該方法涉及功能微生物的單細胞鑒定、分選和培養，最終形成精準的原位FMC。通過RACS-SIP技術，研究團隊成功識別并分離出了菲降解功能菌單細胞，實現了基于基因組指導、精準可控的原位功能菌群構建。原位FMC在實際土壤環境中的降解效率優于傳統方案設計的功能菌群，主要歸因于原位功能菌群中各個物種具備多樣化的菲代謝途徑。這些物種通過分工合作或相互交流，能夠協同提高菲的降解效率。此外，盡管傳統分離方法獲得的高效降解菌在人工條件下對污染物具有較好的耐受性，但在自然環境中往往缺乏實際降解能力。相關結論表明，在深入解析原位功能降解菌的基礎上構建原位FMC具有巨大潛力，能夠實現污染物的持續高效降解；而單細胞測序技術可以建立降解菌、功能基因和代謝途徑之間的直接關聯，為原位FMC的構建機制提供了深刻見解。
以上研究揭示了石油污染區域功能微生物群落結構的影響因素及功能菌群構建機制，為石油烴污染的原位調控和生物修復提供了重要的理論依據。同時，原位FMC體系構建方法強調了在全面微生物功能分析和資源探索中，功能菌單細胞精準識別、分離和培養的關鍵作用。該技術還具有擴展應用于古菌和真菌FMC研究的潛力，為復雜生態系統中元素循環與污染物轉化的FMC構建提供技術支持。
該研究得到國家自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃、廣東省杰出青年基金以及中國科學院青年創新促進會會員等項目的聯合資助。相關成果發表在環境科學和地球化學研究領域權威期刊《JGR-Biogeosciences》和《The ISME Journal》。
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1????????? Li,J.,Huang,Q.,Cai,X.,Zhao,X.,Luo,C.*,Zhang,G.,2024. Metabolic Characterization and Geochemical Drivers of Active Hydrocarbon-Degrading Microorganisms. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences 129,e2024JG008104. https://doi.org/10.1029/2024JG008104
2????????? Li,J.,Luo,C.*,Cai,X.,Zhang,D.,Guan,G.,Li,B.,Zhang,G.,2024. Microbial consortium assembly and functional analysis via isotope labelling and single-cell manipulation of polycyclic aromatic hydrocarbon degraders. The ISME Journal 18,wrae115. https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae115
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圖1. (a) 中國北方石油污染區不同地點土壤樣本的空間分布圖；(b) 石油污染區不同地點土壤樣本石油烴污染水平。
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圖2. (a) SIP 鑒定獲得的降解菌（蒼白桿菌屬、假單胞菌屬、鞘氨醇單胞菌屬和 Shinella 屬）基因組圈圖； (b) 參與 PAH 和飽和烴代謝的功能基因聚類分析
圖 3. (a) 與功能微生物群落結構變異顯著相關的土壤地球化學因子的冗余分析 (RDA)；（b）方差分解分析量化地球化學因子 (G)、地理位置 (L) 以及土壤石油污染 (O) 的貢獻。(b) 概述，(c) 關鍵功能微生物。
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圖4. 基于RACS-SIP的原位功能微生物菌群 (FMC) 構建示意圖。
圖5. 菲降解功能微生物細胞的原位識別和分選
圖6. 菲降解功能微生物細胞的菲代謝通路重建
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