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，在復雜環(huán)境下復合污染的生物修復方面具有明顯優(yōu)勢。但目前對于合成菌群在不同底物條件下的結構演變、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計與農(nóng)田精準修復技術的發(fā)展。

中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所“環(huán)境污染過程與效應創(chuàng)新組群”徐明愷團隊，長期聚焦于合成微生物組學在面源污染治理中的理論與應用研究，近期，團隊針對復雜條件下復合污染土壤難以修復的瓶頸問題，以合成功能微生物組學策略，構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構、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。多組學分析結果顯示，優(yōu)勢菌屬(如 Methyloversatilis、Pseudoxanthomonas、Chitinophaga)是降解功能的核心驅動，而稀有菌屬在維持網(wǎng)絡連接和系統(tǒng)穩(wěn)定性中發(fā)揮重要作用，且特定條件下二者可發(fā)生轉換，突破了以往研究僅關注優(yōu)勢菌的局限。功能注釋結果進一步揭示，谷胱甘肽轉移酶和脲酶等關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性并存的特征。網(wǎng)絡分析發(fā)現(xiàn)菌群內(nèi)部以正相關互作為主，不同底物條件下的互作強度和復雜性顯著增強，揭示了底物復雜性對菌群自適應和穩(wěn)健性的驅動效應。這些結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鍵意義，為合成功能菌群的理性構建及精準應用提供了新的理論框架和技術路徑。

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)。中國科學院沈陽應用生態(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基金(32401406)、中國科學院A類戰(zhàn)略性先導科技專項(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)。