相較于單一種類(lèi)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(qiáng)等特點(diǎn)，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(shì)。但目前對(duì)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(jī)制的認(rèn)識(shí)仍然不足，尤其是稀有菌屬與優(yōu)勢(shì)菌屬在維持系統(tǒng)穩(wěn)定性和功能多樣性中的作用機(jī)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(jì)與農(nóng)田精準(zhǔn)修復(fù)技術(shù)的發(fā)展。

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所“環(huán)境污染過(guò)程與效應(yīng)創(chuàng)新組群”徐明愷團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)針對(duì)復(fù)雜條件下復(fù)合污染土壤難以修復(fù)的瓶頸問(wèn)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(lèi)除草劑能力的合成菌群L1，實(shí)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(jī)制、功能類(lèi)群和微生物互作機(jī)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(shì)菌屬(如 Methyloversatilis、Pseudoxanthomonas、Chitinophaga)是降解功能的核心驅(qū)動(dòng)，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?jī)H關(guān)注優(yōu)勢(shì)菌的局限。功能注釋結(jié)果進(jìn)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(xiàn)，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(qiáng)度和復(fù)雜性顯著增強(qiáng)，揭示了底物復(fù)雜性對(duì)菌群自適應(yīng)和穩(wěn)健性的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。這些結(jié)果不僅深化了對(duì)廣譜降解菌群功能機(jī)制的理解，也凸顯了稀有類(lèi)群與優(yōu)勢(shì)類(lèi)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(zhǔn)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(xiàn)發(fā)表于Environmental Technology & Innovation(中科院II區(qū)，IF：7.1)。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)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(guó)家自然科學(xué)基金(32401406)、中國(guó)科學(xué)院A類(lèi)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(XDA28010503)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2024YFD1501304)、遼寧省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2023JH2/101800054)等資助。

圖1 廣譜降解菌群L1機(jī)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(yàn)(a)、潛在降解菌屬的貢獻(xiàn)度分析(b)、高貢獻(xiàn)(HC)菌屬的Venn圖(c)。