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微生物群落ZL通过系统解构与优化，构建了“专用烷烃降解菌-多功能菌株-表面活性剂（dirhamnolipid和surfactin）生产菌”协同框架，实现含油污泥66.22%的15天高效降解，C10-C40烃类降解率显著高于PAHs（86.19%>55.80%），表面张力降低至35.16 mN/m，关键代谢基因丰度及转录组分析验证了多菌株功能互补机制。
李玉静|朱一民|张玲华|刘伟峰
大连海事大学环境科学与工程学院，中国辽宁省大连市甘井子区凌海路1号，116026
摘要
针对特定目标的生物修复，专门设计的微生物联合体仍然是一个挑战，通常依赖于经验筛选而非可预测的原则。为了填补这一空白，提出了一种基于“专用烷烃降解菌–多功能菌株–生物表面活性剂（二甘露糖脂和表面活性素）生产菌”的创新联合体设计框架。该框架源自对一种具有高降解能力的烃类降解联合体ZL的系统性分析。在优化条件下（葡萄糖20 g/L、谷氨酸钠20 g/L、柠檬酸钠10 g/L作为共代谢底物），ZL在15天内使油污泥中的烃类降解率达到66.22%。ZL表现出广泛的烃类降解能力，其中C10-C40烃类的降解效率高于多环芳烃（86.19% > 55.80%）。ZL在前三天内迅速自发产生了生物表面活性剂（E24 = 72%）。在修复过程中，表面张力从58.85 mN/m降低到35.16 mN/m，乳化活性（E24 > 65%）与单独使用5%外源二甘露糖脂的效果相当（E24 = 67%）。微生物多样性分析显示，ZL含有更多的烃类降解菌株，并且相关代谢途径和基因的丰度高于本地微生物群。宏转录组分析揭示了ZL的整体响应及其成员菌株之间的功能分工。通过比较单个菌株培养和ZL中的菌株功能，提出了一个微生物联合体设计框架和一些建议。本研究为设计高效油污泥修复的微生物联合体提供了机制性蓝图。
引言
油污泥是石油开采、精炼和运输的副产品，由烃类、水和土壤组成（Lin等人，2025年）。油污泥中的烃类对人体具有致畸、致癌和突变风险，同时还会严重污染土壤和水环境（联合国环境规划署，2020年；Xu等人，2025年）。在中国，油污泥被归类为危险废物（HW08），年产量达1000万吨，累计总量达1.5亿吨（Lin等人，2025年）。由于其成本效益低且不会造成二次污染，微生物修复受到了广泛关注。
微生物联合体在复杂的油污泥环境中具有较高的存活率，并能降解多种烃类，因此在油污泥处理方面具有很大潜力（Koolivand等人，2024年；Ahmed等人，2025年）。这些联合体可以通过富集或分离单个菌株并人工构建获得（Lü等人，2024年）。基于富集的联合体在传代培养过程中往往功能不稳定，这限制了其功能的可预测性。相比之下，人工构建的联合体具有明确的菌株组成，更适合降解油污泥中的多种烃类（Zhao等人，2025年）。已有研究报道了使用人工构建的微生物联合体进行油污泥修复（Geed等人，2024年；Muthukumar等人，2022年；Wu等人，2025年）。然而，目前仍缺乏系统性的联合体设计框架。
生物表面活性剂可以有效溶解疏水性烃类，从而提高生物可利用性，这是高效降解的关键因素（Miao等人，2024年；Zhu等人，2025年）。生物表面活性剂可以外部添加，也可以由微生物原位产生。由于成本考虑，生物表面活性剂在工业油污泥回收中得到广泛应用（Ma等人，2023年；Yan等人，2012年）。然而，它们在大规模生物修复过程中的应用受到限制，特别是在需要长时间降解的情况下需要反复添加（Zhou等人，2022年；Li等人，2018年）。因此，同时具备烃类降解和生物表面活性剂生产能力的微生物非常受欢迎。尽管许多研究已经分离出了这类菌株（例如铜绿假单胞菌、Junii不动杆菌、矮小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌）（Li等人，2024年；Dong等人，2016年；Fooladi等人，2016年；Du等人，2023年），但很少有研究探讨它们在人工构建的联合体中的作用或相关基因的转录调控。
了解油污泥的修复机制对于提高修复效率至关重要（Peng等人，2024年；Li等人，2024年）。宏转录组技术被广泛使用，但大多数研究集中在微生物群落水平上（Auffret等人，2015年；Ou等人，2025年），例如通过差异基因表达和途径富集分析，而没有明确联合体内单个菌株的具体作用。这一差距阻碍了微生物联合体的合理设计。
针对上述问题，对一种具有高烃类降解率的烃类降解联合体ZL进行了系统性分析，旨在开发用于油污泥修复的联合体设计框架。研究了ZL对油污泥的修复效果，包括总残留油、C10-C40烃类和多环芳烃（PAHs）的降解率，以及乳化活性和表面张力。微生物多样性分析比较了ZL与本地微生物群的群落结构，以及烃类降解代谢途径和相关基因的相对丰度。在油污泥压力下的宏转录组分析阐明了ZL的整体响应和功能分工。通过比较单个菌株培养和ZL联合体中菌株的功能，本研究为烃类降解联合体的设计提供了建议。ZL扩展了微生物联合体资源，为未来的微生物联合体设计提供了理论指导。
材料
实验所用菌株之前是从我们实验室的油污泥中分离得到的。
实验用的油污泥来自中国大庆油田，残留油含量为9.99%。饱和烃占53.42%，芳香烃占25.78%，非烃类占16.56%，沥青占4.24%。油污泥中C10-C40烃类和PAHs的含量见表S1。在C10-C40烃类中，C21以上烃类的比例占81.91%，而四环及以上的PAHs占...
ZL对油污泥的修复
优化了ZL的发酵条件，当每种菌株以1%（v/v）的接种量，在葡萄糖（20 g/L）、谷氨酸钠（20 g/L）和柠檬酸钠（10 g/L）作为共代谢碳源的情况下，实现了最高的烃类降解率66.21%。发酵方法的详细优化过程和结果见SI-TEXT3和表S2。修复前后油污泥的可见颜色变化见图1A。
结论
本研究提出了一种新型的可预测设计框架：“专用烷烃降解菌–多功能菌株–生物表面活性剂（二甘露糖脂和表面活性素）生产菌”，用于油污泥的生物修复。该框架有效解决了合成联合体开发中的长期瓶颈：缺乏可预测的设计原则和过度依赖经验筛选。这一框架的核心理念基于对...
CRediT作者贡献声明
李玉静：撰写 – 原稿撰写、研究、数据分析、概念构思。朱一民：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取。张玲华：数据分析。刘伟峰：数据分析、概念构思。
参与者同意将案例报告提交给期刊。
本研究手稿不涉及人类参与者、他们的数据或生物材料的研究。
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中央高校的基础研究基金（授权号：3132019334）和辽宁省重点研发计划（授权号：2019010054-JH8/101）的支持。
