相較于單一種類微生物，合成功能菌群因其具有分工合作、代謝互養(yǎng)、功能冗余、穩(wěn)定性高、抗逆性強等特點，在復(fù)雜環(huán)境下復(fù)合污染的生物修復(fù)方面具有明顯優(yōu)勢。但目前對于合成菌群在不同底物條件下的結(jié)構(gòu)演變、功能裝配與互作機制的認識仍然不足，尤其是稀有菌屬與優(yōu)勢菌屬在維持系統(tǒng)穩(wěn)定性和功能多樣性中的作用機制尚未得到深入揭示，制約了人工合成高效菌群的定向設(shè)計與農(nóng)田精準修復(fù)技術(shù)的發(fā)展。

中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所“環(huán)境污染過程與效應(yīng)創(chuàng)新組群”徐明愷團隊，長期聚焦于合成微生物組學(xué)在面源污染治理中的理論與應(yīng)用研究，近期，團隊針對復(fù)雜條件下復(fù)合污染土壤難以修復(fù)的瓶頸問題，以合成功能微生物組學(xué)策略，構(gòu)建了具有廣譜降解磺酰脲類除草劑能力的合成菌群L1，實現(xiàn)了除草劑復(fù)合污染的高效去除。該研究創(chuàng)新性的以豐富/稀有菌屬視角系統(tǒng)解析了菌群L1在不同底物條件下的群落結(jié)構(gòu)、裝配機制、功能類群和微生物互作機制。研究表明，L1可高效降解氯嘧磺隆、苯磺隆、甲磺隆、芐嘧磺隆和噻吩磺隆等五種典型除草劑，展現(xiàn)了穩(wěn)定的廣譜降解能力。多組學(xué)分析結(jié)果顯示，優(yōu)勢菌屬(如 Methyloversatilis、Pseudoxanthomonas、Chitinophaga)是降解功能的核心驅(qū)動，而稀有菌屬在維持網(wǎng)絡(luò)連接和系統(tǒng)穩(wěn)定性中發(fā)揮重要作用，且特定條件下二者可發(fā)生轉(zhuǎn)換，突破了以往研究僅關(guān)注優(yōu)勢菌的局限。功能注釋結(jié)果進一步揭示，谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶和脲酶等關(guān)鍵酶在不同底物條件下表現(xiàn)出差異性貢獻，體現(xiàn)了功能冗余與底物適應(yīng)性并存的特征。網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)菌群內(nèi)部以正相關(guān)互作為主，不同底物條件下的互作強度和復(fù)雜性顯著增強，揭示了底物復(fù)雜性對菌群自適應(yīng)和穩(wěn)健性的驅(qū)動效應(yīng)。這些結(jié)果不僅深化了對廣譜降解菌群功能機制的理解，也凸顯了稀有類群與優(yōu)勢類群協(xié)同作用在維持群落穩(wěn)態(tài)和功能多樣性中的關(guān)鍵意義，為合成功能菌群的理性構(gòu)建及精準應(yīng)用提供了新的理論框架和技術(shù)路徑。

研究成果近日以“Taxonomic structure and functional assembly of the broad-spectrum sulfonylurea herbicide-degrading microbial consortium L1 under different herbicide substrates”為題，在線發(fā)表于Environmental Technology & Innovation(中科院II區(qū)，IF：7.1)。中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所助理研究員李想為第一作者，徐明愷研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金(32401406)、中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA28010503)、國家重點研發(fā)計劃(2024YFD1501304)、遼寧省重點研發(fā)計劃(2023JH2/101800054)等資助。

圖1 廣譜降解菌群L1機制解析示意圖

圖2 谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶[EC 2.5.1.18]和脲酶[EC 3.5.1.5]的 K–W H 檢驗(a)、潛在降解菌屬的貢獻度分析(b)、高貢獻(HC)菌屬的Venn圖(c)。