两种分离的细菌菌株对中链烷烃的高效降解：性能及协同作用机制

研究成功分离出Pseudomonas toyotomiensis 414和Tsukamurella paurometabola LXY两种高效降解中链烷烃的新菌株，前者在45小时内降解360 mg/L n-heptane，后者18小时内完成同等浓度n-nonane降解。共培养使n-nonane去除率提升1.44-1.89倍，n-heptane提升1.13倍，通过代谢互补实现协同降解，为石油污染物生物治理提供新策略。

　　

何雅雪|韩睿|王慧|张奥涵|Piet N.L.Lens|Christian Kennes|李晓燕|李倩|卢立超|王磊|陈建萌|林荣生|陈东志

中国浙江海洋大学港口-石化工业污染控制重点实验室，舟山316022

摘要

来自石化尾气的中等链烷烃对人类健康构成严重威胁。微生物降解是一种环保的方法，不会产生二次污染物，但针对混合烷烃气体的高效菌株却鲜有报道。本研究分别分离出了两种新型菌株：Pseudomonas toyotomiensis 414和Tsukamurella paurometabola LXY，它们以-庚烷和-壬烷作为唯一的碳源。LXY菌株在18小时内降解了360 mg/L的-壬烷，这是首次报道如此高的去除效率；而414菌株在45小时内降解了360 mg/L的-庚烷。通过鉴定出alkB、ADH、FrmA、adhP、ALDH、actA、fadA和echA等功能基因，证实了它们具有典型的烷烃降解途径。共培养实验表明，与单独使用414菌株相比，-壬烷的去除效率提高了1.44至1.89倍，-庚烷的去除效率提高了1.13倍。414菌株在共培养中占主导地位，这可能归因于其较强的酒精和羧酸代谢能力以及电子传递和生长能力。LXY菌株主要参与能量生成和底物降解，而414菌株则增强了生物膜形成、信号传导和代谢物交换。这些互补作用共同促进了混合烷烃气体的协同降解。本研究为通过物种间协同作用高效去除混合烷烃气体提供了策略。

引言

烷烃来源于石油和天然气，是一种低成本且广泛使用的碳氢化合物，可用于生产多种高附加值产品（Concei??o等人，2025年）。由于烷烃的广泛应用，它们成为原油精炼和石化活动中空气污染的主要来源（Pulster等人，2020年）。其中-庚烷（C₇H₁₆）和-壬烷（C₉H₂₀）是典型的中等链烷烃，同时也是二次有机气溶胶的重要前体，因此对环境和人类健康构成严重风险（Li等人，2022年；Yang等人，2018年）。挥发性中等链烷烃的排放引起了广泛关注，各国已实施了严格的挥发性有机化合物（VOCs）排放限制。国际上已建立了严格的VOC排放标准：中国的《大气污染物综合排放标准》（GB 16297-1996）将NMHCs的排放量限制在120.0 mg·m^-3；欧盟的《工业排放指令》（2010/75/EU）通常将VOC排放量限制在50～150 mg·m^-3；美国的《清洁空气法》要求炼油厂和石化设施将VOC排放量减少95%以上，或保持出口浓度在100 ppmv（约180 mg·m^-3C）左右（欧盟委员会，2010年；美国环保署，2015年）。这凸显了有效控制VOC技术的迫切需求（Alvarado-Alvarado等人，2024年）。

随着全球VOC排放限制的日益严格，处理技术不仅需要实现高去除效率，还需在经济和能源上具有可持续性。已采用多种物理化学方法（如焚烧、吸附、光催化和电化学处理）来去除烷烃。尽管这些方法可达到高去除效率，但往往伴随着较高的运营成本和能源消耗。例如，化学洗涤法处理VOC的单元运营成本可达0.8–2.5 USD·kg^-1 VOC，这主要是由于化学试剂消耗和废水处理所需的能源（Northcutt等人，2020年）。同样，工业应用中的活性炭吸附法运营成本为2–6 USD·kg^-1吸附剂，而热再生过程则需要约3–6 MJ·kg^-1吸附剂的能量（Lee等人，2008年；Calvert等人，2023年）。

相比之下，生物处理技术通常在常温常压下运行，其能源消耗主要与曝气和液体循环有关。单位能耗可低至0.5–1.2 kWh·kg^-1 VOC，运营成本一般低于0.2–0.6 USD·kg^-1 VOC（Rojo等人，2009年；Wu等人，2022年；Abubakar等人，2024年）。无论是好氧还是厌氧微生物，在烷烃生物降解中都起着重要作用（Ehiosun等人，2022年；Mbadinga等人，2011年）。尽管已有几种菌株被驯化和分离出来用于降解复杂的石油烷烃，但针对实际环境中共存的混合中等链烷烃的研究相对较少（Abbasnezhad等人，2011年）。例如，从湖北油田的油水混合物中分离出的Rhodococcus CH91菌株能降解长链n-烷烃（C₂₀-C₃₆，浓度为0.4%，w/v）（Xiang等人，2022年）。从受油污染的土壤中分离出的Pseudomonas aeruginosa SJTD-1菌株可在36小时内降解500 mg/L的多种中等和长链n-烷烃（C₁₄、C₁₆和C₁₈），包括n-十四烷、n-十六烷和n-十八烷（Liu等人，2014年）。

从受油污染的环境中已分离出许多能降解烷烃的微生物，证明了它们在碳氢化合物生物修复中的关键作用（表1）。例如：Pseudomonas aeruginosa PU1和NCIM 5514菌株能够完全降解十六烷和原油组分；Pseudomonas veronii 7-41和Paraburkholderia aromaticivorans BN5菌株根据烷烃类型表现出不同的降解效率（Domdi等人，2021年；Varjani等人，2016年；Mullaeva等人，2022年；Lee等人，2019年）。同样，Rhodococcus CH91菌株能降解长链n-烷烃（C₂₀-C₃₆），而Pseudomonas aeruginosa SJTD-1菌株可降解超过95%的中等和长链n-烷烃（C₁₄-C₁₈）（Liu等人，2014年；Xiang等人，2022年）。尽管取得了这些进展，大多数研究仍集中在液相底物上，而对于石化尾气中常见的混合气态中等链烷烃（如-庚烷和-壬烷）的降解研究仍然较少（Abbasnezhad等人，2011年）。

疏水性中等链烷烃的去除通常受到其低溶解度和气体向液体转移受限的影响，从而降低了微生物的生物可利用性（Pineda等人，2023年）。单一菌株通常具有狭窄的底物谱和较差的环境适应性，而共培养或微生物联合体可以通过协同作用、代谢互补性和分工提高污染物去除效率。例如，Pseudomonas toyotomiensis ND1和Microbacterium resistens ND2的共培养将多环芳烃（PAHs）的降解效率提高了80%至89%（Sbani等人，2021年）；Acinetobacter mesopotamicus GC2^T菌株在7天内完全降解了原油中的n-烷烃（C₁₁-C₃₄），并且具有很强的耐盐和耐碱能力（Acer等人，2020年）。真菌与细菌的相互作用也能改善VOC的降解，例如Mycobacterium neworleansense WCJ通过菌丝介导的吸附作用将n-己烷的去除效率提高了64.8%至84.0%（Chen等人，2024年）。

从机制上看，底物利用主要受酶特异性控制：Pseudomonas和Acinetobacter等γ-变形菌通过AlkB和CYP153酶降解短至中等链烷烃（C₅-C₂₀）；而Rhodococcus和Gordonia等放线菌通过LadA和AlmA单加氧酶降解长链烷烃（>C₂₀）（Wang等人，2013年）。初级降解菌产生醇、醛和脂肪酸等中间产物，这些产物可由次级降解菌进一步矿化，从而形成互利的代谢循环（McGenity等人，2012年）。

共代谢机制使得在共底物诱导下能够氧化顽固化合物，无需额外能量输入即可扩展降解能力（Flemming等人，2016年；Omarova等人，2019年；Sivadon等人，2019年）。然而，共培养策略仍面临挑战，如不同的最佳环境参数（如温度和pH值）、底物竞争以及不稳定的物种间相互作用。因此，选择具有互补代谢能力和相似生长需求的兼容菌株对于实现协同降解效果至关重要。为了解决高效菌株的稀缺性和缺乏针对石化尾气中中等链烷烃蒸汽的协同去除策略的问题，本研究选择了-庚烷和-壬烷作为代表性底物，旨在：1）分离高效降解-庚烷和-壬烷的菌株并优化其降解条件；2）利用细菌共培养评估-庚烷/-壬烷混合物的共代谢降解性能；3）通过分析降解途径和微生物相互作用阐明协同机制。

化学物质和培养基

酵母粉、蛋白胨、十二水合磷酸二氢钠、-壬烷和丙酮酸钠购自上海阿拉丁有限公司（中国上海）。所有其他分析级试剂均从上海新华化工试剂有限公司购买。根据Deng等人（2023年）修改的方案制备了三种培养基：矿物培养基（MM）、R2A培养基和Luria–Bertani（LB）培养基。详细配方和制备步骤如下

-庚烷降解菌的分离、环境优化和降解能力

基于16S rRNA测序和系统发育分析，该好氧、革兰氏阴性菌株被鉴定为Pseudomonas toyotomiensis 414（CCTCC NO: M 20241106）（图1a）。透射电子显微镜观察显示其具有鞭毛，菌落在血琼脂上表现出溶血活性（见图1）。P. toyotomiensis 414能够以-庚烷作为唯一的碳源。初始-庚烷浓度分别为70、140、210、280和350 mg/L时，其降解效率分别为4.29%

结论

本研究分离出了两种新型的碳氢化合物降解菌株：Tsukamurella paurometabola LXY和Pseudomonas toyotomiensis 414。这两种菌株均表现出对气态中等链烷烃的强降解能力。LXY菌株在18小时内完全降解了360 mg/L的-壬烷，这是迄今为止报道的最高去除效率之一；而414菌株也高效降解了-庚烷。基于它们相似的生长条件（pH 7.0，30°C），

CRediT作者贡献声明

张奥涵：数据整理。Piet N.L.Lens：写作——审稿与编辑。Christian Kennes：写作——审稿与编辑。陈建萌：数据可视化。何雅雪：初稿撰写，概念构思。林荣生：写作——审稿与编辑，资源提供，概念构思。韩睿：实验研究，数据分析。陈东志：项目监督，资金筹集。王慧：实验研究。李晓燕：实验研究。李倩：数据可视化。卢立超：数据可视化。王磊：

未引用的参考文献

Aparicio等人，2024年；Banerjee等人，2024年；Calvert，2008年；Guangquan等人，2026年；He等人，2022年；Hodar，2024年；Lichao等人，2025年；Li等人，2022年；Matsuyama和Reed，2000年；Narayanan和Manikandan，2020年；Northcutt等人，2001年；Ruhal和Kataria，2021年；Van Beilen和Funhoff，2005年；Varjani和Upasani，2016年；Wang和Shao，2013年；Wang等人，2025年；Williams和Austin，2022年；Wu等人，2020年。

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（编号52470129、52300141）和国家重点研发计划（编号2022YFC3702000）的支持。UDC的BIOENGIN团队感谢加利西亚政府对竞争性参考研究组（GRC）（ED431C 2021/55）的财政支持。