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微生物群落降解复合除草剂的研究表明，补充葡萄糖可显著提升降解效率，并通过功能基因筛选构建高效合成微生物群落。
马青云|M.J. 洛佩兹|张书斌|金亮|魏丹|杨建军|刘建斌|阮志勇
中国北京农林科学院植物营养资源与环境研究所，北京 100097
摘要
除草剂在农业中的广泛使用导致了持续的土壤污染。尽管对单一除草剂的微生物降解机制已有大量研究，但微生物群落对复杂除草剂混合物的反应及其共代谢过程仍不清楚。本研究旨在探讨简单碳源（葡萄糖）对天然微生物群落（NMC）降解除草剂的影响，并确定关键降解菌株，以构建高效的合成微生物群落（SynCom）。从中国东北部受除草剂污染的黑土中富集的NMC被接种到含有除草剂混合物（阿特拉津、尼科硫磺隆和甲氧磺隆）的矿物盐培养基中，这些除草剂作为唯一的碳/氮来源，分别在不添加葡萄糖（MSM）和添加葡萄糖（GSM）的条件下进行实验。仅在GSM条件下观察到显著的除草剂降解效果：8天后，尼科硫磺隆的降解率为97.27%，甲氧磺隆为68.00%，阿特拉津为22.91%。通过整合16S rRNA基因测序和宏基因组分析发现，葡萄糖的添加改变了微生物群落结构，并激活了中心碳代谢（三羧酸循环和糖酵解途径），从而增强了细胞能量供应，促进了除草剂的共代谢降解。相比之下，MSM条件下的代谢活动主要偏向于生物合成。结合随机森林（RF）和共现网络分析，确定了Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia复合体、Rhodanobacter和Achromobacter为关键菌株。宏基因组筛选显示这些菌株富含与除草剂降解相关的功能基因，包括atzF（异丙苯胺水解酶）和gst（谷胱甘肽S-转移酶）。基于这些功能关联构建的简化四菌株SynCom在GSM条件下比单独菌株或NMC更有效地降解了除草剂混合物。这些发现阐明了可利用碳在驱动复杂除草剂共代谢中的作用，并提供了候选菌株和构建策略，有助于实际生物修复应用。
引言
全球范围内除草剂的广泛使用（年用量超过100万吨）虽然提高了作物产量，但也导致了严重的持续性土壤污染[58]。尽管除草剂的使用增加了作物产量，但超过50%的化学物质仍残留在土壤中[8]，并在农田生态系统中积累[40]、[76]。这些残留物经常在土壤、水体、非目标生物甚至人体中被检测到，其持久性会改变土壤性质，降低肥力和长期生产力[40]、[76]。更重要的是，农业土壤很少只受到单一除草剂的污染。中国东北部拥有全球最大的黑土资源之一，产出了全国近25%的粮食[81]，但这些土壤受到除草剂残留物的广泛而严重的污染[47]。其中，阿特拉津（ATZ）和尼科硫磺隆（NIS）是最常见的除草剂组合[36]、[40]。此外，为了增强杂草控制效果，经常同时使用多种除草剂（如甲氧磺隆（MES）[36]，这增加了除草剂残留物的复杂性和多重污染的风险。
微生物修复是一种有前景且环境友好的除草剂清除策略[27]。然而，单一菌株对复杂除草剂混合物的降解受到组成成分化学结构和降解途径差异的限制[52]。相比之下，微生物群落通过成员间的功能互补性和共代谢相互作用可以实现更高效和完全的降解[4]、[54]。然而，自然形成的群落通常存在组成不稳定和可控性有限的挑战，阻碍了其可预测的应用。为了克服这些限制，合理设计合成微生物群落（SynCom）成为一种有前景的方法[15]。SynCom由在受控条件下定义的一组微生物组成，具有更高的可重复性、稳定性和可调的功能性。此外，通过引入关键降解菌株等核心功能物种，可以显著改善生物修复效果，甚至对土壤健康产生额外益处[38]、[46]。然而，针对化学多样性除草剂混合物进行合理设计的简化SynCom的研究仍存在明显不足[67]。因此，开发稳定的、高效的SynCom以修复复杂除草剂污染对于全球土壤健康恢复至关重要。微生物对外源污染物的降解通常依赖于共代谢过程，即微生物利用外源碳源（如葡萄糖）生长，同时降解顽固的目标污染物[71]。然而，目前对复杂微生物群落中共代谢的分子和调控机制的理解仍然有限，尤其是在碳源对代谢资源分配到降解途径或基本代谢过程的影响方面。
在本研究中，我们从长期受除草剂污染的黑土中富集了一个高效微生物群落。为了系统地理解和优化其功能，我们设计了四个具体目标：（1）追踪除草剂混合物压力下的群落动态；（2）研究葡萄糖在促进除草剂降解中的作用；（3）鉴定、分离并验证关键降解菌株；（4）基于关键降解菌株构建SynCom。这些发现可能为复杂除草剂混合物生物修复过程中的微生物相互作用提供基本见解，并为设计基于SynCom的修复系统提供可扩展的框架。
土壤采样和物理化学特性
土壤样本取自中国东北部哈尔滨（45°34′N, 126°17′E）的一个玉米田（0–20厘米深度），该地区以典型的黑土著称。该地区主要使用的除草剂为ATZ、NIS和MES。土壤性质如下：水分含量29.28%；NH4+-N 33.45 mg/kg；NO3--N 23.57 mg/kg；土壤有机质（SOM）26.07 g/kg；有效钾（AK）155.64 mg/kg；总氮（TN）3.93 g/kg；有效磷（AP）63.07 mg/kg；pH值6.26。
化学物质和培养基
标准尼科硫磺隆培养基
富集微生物群落的除草剂降解性能
在MSM条件下，NMC对三种除草剂的降解作用微乎其微。pH值基本保持稳定，OD600较低（约为0.3），表明微生物生长缓慢（图1A–1B）。相比之下，在GSM条件下，NMC的除草剂降解效果显著提高：8天后，尼科硫磺隆的降解率为97.27%，甲氧磺隆为68.01%，阿特拉津为22.91%（图1A）。同时，系统pH值迅速下降并稳定在约3.0，而OD600上升
讨论
现有的生物修复方法通常依赖于单一细菌菌株，但其效率和底物范围有限[45]。相比之下，微生物群落提供了更大的代谢多样性和环境适应性[45]。在本研究中，我们通过从长期受污染的黑土中富集NMC并构建具有增强多除草剂降解能力的SynCom来解决复杂除草剂污染问题。关键的是，我们的研究结果证实了葡萄糖的作用
结论
总之，本研究表明葡萄糖通过重塑细菌群落并激活核心碳代谢途径来促进除草剂混合物的降解。通过结合随机森林（RF）和共现网络分析，我们确定了具有显著降解效率的SynCom。该SynCom的降解效率显著高于天然群落和最佳单菌株，展示了其在农业生物修复中的潜在应用价值。
环境影响
除草剂混合物的广泛使用对农业生态系统的可持续性构成了严重威胁。与单一除草剂不同，这些混合物通过协同作用表现出更强的毒性，导致土壤污染持续、养分循环紊乱和微生物多样性丧失。本研究表明，补充碳源（葡萄糖）通过重塑土壤细菌群落，加速了除草剂混合物的降解。
未引用的参考文献
19; 37
CRediT作者贡献声明
M.J. 洛佩兹：数据整理、概念构建。马青云：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法学、概念构建。阮志勇：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目管理、方法学、概念构建。刘建斌：项目管理、方法学、概念构建。杨建军：验证、资源提供。魏丹：验证、监督、资源提供。金亮：资源提供、方法学。张书斌：实验研究、形式化处理
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（NSFC 3211101206, 32070004, 31670006）的支持。本研究还得到了北京农林科学院创新能力专项（KJCX20251102, KJCX20230113）以及农业科技创新计划（编号CAAS-ZDRW202308）和中国农业研究系统专项基金（CARS-03）的支持。
