破译放线菌中2-MIB的生成机制：合成酶、营养代谢与季节性因素的相互作用

《Water Research》：Deciphering the 2-MIB production mechanism in Actinobacteria: the interplay of synthesis enzymes, nutrient metabolism, and seasonal regime

Actinobacteria从微生物休眠转为2-MIB产物的调控网络通过整合环境监测、实验室实验、微生物群落分析和机器学习揭示，发现溶解氧（DO）调控细胞增殖，而铵态氮（NH4+ -N）直接触发2-MIB合成。机制上，谷氨酰胺合成酶与2-MIB合成酶的耦合形成专用氮代谢途径，机器学习模型验证NH4+ -N是主要预测因子，为水质控制提供定量依据。

　　

郭红红|李荣|张轩子|高涵|袁若普|赵帅|布建伟|张海涵|黄婷琳

中国教育部西北水资源、环境与生态重点实验室，西安建筑科技大学，西安，710055，中华人民共和国

摘要

放线菌如何根据环境信号从微生物休眠状态转变为活跃的2-甲基异莰醇（2-MIB）生产，这一多方面的调控网络尚未得到充分理解。为阐明这一复杂系统，本研究结合了野外监测、实验室实验、微生物群落分析和机器学习方法，以解码控制2-MIB生物合成的功能网络。这种多尺度方法揭示了放线菌中的一个关键生理脱耦现象：溶解氧（DO）调控细胞增殖，而可利用的氮，特别是NH₄⁺-N，是2-MIB合成的直接代谢触发因素。机器学习模型进一步证实了这一功能专化，当磷充足时，NH₄⁺-N始终是预测2-MIB产生的主要因素。从机制上讲，谷氨酰胺合成酶与2-MIB合成酶之间存在紧密的功能耦合，表明存在一条专门的氮同化途径，将NH₄⁺-N直接引入气味物质的生成过程中。这一由NH₄⁺-N驱动的调控轴将复杂的生态现象转化为可量化、可预测的过程，为早期预警和水源控制策略提供了关键依据。

引言

湖泊和水库作为地球水圈的重要组成部分，是地表淡水的重要储存库（Zhang等人，2024年）。然而，在饮用水来源面临日益复杂的污染压力的背景下，与气味相关的问题已成为一个全球性挑战，威胁着供水安全与公众信任（Cen等人，2022年）。在饮用水系统中检测到的主要气味物质可分为土腥味、霉味、鱼腥味、腐败味、草腥味以及化学化合物（Su等人，2013年）。其中，土腥味和霉味主要由2-甲基异莰醇（2-MIB）和土臭素（GSM）等次级代谢产物引起，占所有水源气味问题的41%，且在湖泊和水库中更为普遍（Sun等人，2014年；Cerón-Vivas等人，2023年）。虽然2-MIB和GSM由多种微生物类群合成，包括蓝细菌、放线菌、变形菌和真菌（Dickschat等人，2007年；Mattheis和Roberts，1992年；Park等人，2014年；Yang等人，2023年），但它们的出现并不局限于藻类爆发。气味事件不仅在夏季发生，在冬季非藻类条件下也会出现（Li等人，2010年），并且放线菌被确认为关键驱动因素（Zaitlin和Watson，2006年）。然而，尽管放线菌在这些情景中具有生态重要性，但其产生的气味的化学生态学机制，尤其是那些独立于藻类活动的机制，仍大部分尚未被阐明。

放线菌作为土壤生态系统的自然居民，广泛分布于从陆地到水生系统的各种环境中，包括淡水和微咸水栖息地（Jensen等人，1991年）。这些细菌表现出显著的生物合成能力和代谢活性。在饮用水水库中，放线菌种类具有显著的环境持久性，其大量的生长和产气代谢活动对水质管理构成了重大挑战（Asquith等人，2018年）。特别是在非藻类、低温条件下，放线菌介导的气味事件带来了独特的管理难题。特别是在水库环境中，链霉菌成为主要的产气化合物产生菌（Zaitlin和Watson，2006年；Lukassen等人，2017年；Liu等人，2025年）。该属在多项水库监测研究中被持续发现为持久性定植者，表现出对水柱栖息地和底泥层的优先定植（Terkina等人，2002年）。最近的研究确定了特定的产气链霉菌菌株，如Streptomyces sp. LJH21、Streptomyces sp. ZEU13和Streptomyces sp. PQK19（Zhang等人，2024年）。链霉菌次级代谢产物的生物合成途径，尤其是产生2-MIB和GSM的途径，通常在营养限制条件或特定环境刺激下被激活（Sun等人，2017年）。鉴于链霉菌在放线菌中的主要产气地位，对其在饮用水水库中的生长动态和气味生成机制进行全面研究是必要的。

2-MIB的合成和释放是一种特征性的微生物次级代谢产物，其生成受营养可用性和一系列外部环境因素的共同调控。光照制度、温度和热分层的季节性变化直接影响微生物代谢速率，并塑造产气细菌群落的演替。从营养角度来看，2-MIB浓度的升高通常与总氮与总磷（TN: TP）比例较低相关（Bormans等人，2015年）。由于氨氮（NH₄⁺-N）的生物利用度更高，它比硝酸盐氮（NO₃^?-N）更易被吸收。太湖的野外研究表明，氮限制条件与2-MIB合成增强有关（Hampel等人，2018年）。此外，夏季常见的季节性热分层会导致下层水体缺氧和随后的沉积物养分释放，从而加剧气味物质的形成（Wang等人，2019年）。在营养非限制条件下，温度成为调控微生物产气的主要因素（Walls等人，2018年）。观察到生长与代谢产物产生之间存在明显的脱耦现象。尽管生物量较低，但在约15°C时2-MIB产量最高，表明存在温度依赖性的代谢转变（Ke等人，2008年；Dionigi和Ingram，1994年）。此外，水源中可检测到的放线菌数量与其产生的“土腥味”强度之间没有明显的直接相关性；然而，水的异味阈值与放线菌的丰度之间存在一定的相关性（Sivonen 1982年）。尽管存在这种复杂性，将这些多方面的环境驱动因素与2-MIB的现场生成动态联系起来的整体视角仍不完善，尤其是在具有不同形态的水库生态系统中。因此，季节性水文通过配置微生物代谢环境间接控制2-MIB的生成。可利用氮的具体化学形式（例如NH₄⁺-N与NO₃^?-N）可能在调节向2-MIB合成的代谢转变中起主导作用，这需要在水库生态系统中进行系统测试（Krysenko，2023年）。构建预测模型对于揭示从环境信号到关键2-MIB合成酶的功能响应的级联过程至关重要。

本研究采用综合的野外和实验室方法，系统地研究了饮用水水库中2-MIB生成的季节性动态。总体目标是阐明触发链霉菌优先进行2-MIB生物合成的具体环境和代谢条件。具体目标包括：（1）在受控实验室条件下定量确定关键环境因素对2-MIB生成的影响；（2）通过现场监测建立关键环境变量与链霉菌种群丰度动态之间的关联；（3）在群落水平上评估功能基因丰度的变化，以解释不同栖息地中放线菌的产气潜力差异及其与氮和磷代谢途径的关联；（4）系统地解析2-MIB生成的关键触发因素，从外部环境信号感知到内部微生物代谢响应。

部分摘要

水样采集和站点特征

本研究从中国三个水库系统收集了原始水样。来自中国的北方水样分别来自金盆水库（JP，34° 04′ N，108° 12′ E，最大深度约72米）和玉子沟水库（YG，34° 27′ N，108° 54′ E，最大深度约7米），这两个水库均位于陕西省西安市。相比之下，来自南方地区的水样来自深圳市的西坑水库（XK，22° 42′ N，114° 05′ E，最大深度约10米）。这三个水库

水库中微生物群落的空间分布受环境梯度影响

三个水库的营养元素季节性变化如图1(a-f)所示。热制度反映了纬度气候梯度和深度介导的分层模式（Kou等人，2023年）。金盆水库在夏季和秋季出现了明显的热分层，导致下层水体缺氧。在较浅的玉子沟水库中，有限的水力混合限制了氮的扩散，而活跃的沉积物-水交换和农业径流

结论

本研究揭示了氮和磷在调节链霉菌2-MIB生物合成中的协同作用，为理解水体异味事件的突然发生提供了新的理论框架。观察到链霉菌生长与气味产生之间存在明显的分离。研究结果表明，针对氮形式的调控有望从代谢源头抑制气味产生。在实际应用中，这些预测关系

未引用参考文献

Sun等人，2014年；Zhang等人，2024年

CRediT作者贡献声明

郭红红：撰写——审稿与编辑、监督、软件使用、资金获取、数据分析。李荣：撰写——初稿、方法学、数据分析。张轩子：监督、方法学。高涵：方法学。袁若普：方法学。赵帅：方法学。布建伟：方法学。张海涵：项目管理。黄婷琳：项目管理、方法学、资金获取、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

国家自然科学基金（52300012）、中国博士后科学基金（2024T170699）、西安科学技术协会青年人才基金（0959202513027）、陕西省杰出青年科学基金项目（编号2025JC-JCQN-019）。