从食物废弃物中分离出的、具有代谢互补性的合成微生物群落能够协同去除甲硫醇及其他异味气体

《Bioresource Technology》：Synergistic removal of methanethiol and other odorant gases by a metabolically complementary synthetic consortia isolated from food waste

从食品废料中分离出三种高效降解甲硫醇（MeSH）的菌株：Agrobacterium cavarae R1、Mycolicibacterium neoaurum CD 和 Pseudomonas qingdaonensis CF。代谢组学分析显示其具备甲硫氨酸和半胱氨酸代谢通路。二元共培养（A. cavarae R1与P. qingdaonensis CF 5:1）6天降解率达87.2%（MeSH）、98.7%（H2S）和100%（NH3）；三元共培养（3:2:1或3:1:2）进一步优化降解效率。该研究证实复合微生物群落对多类恶臭气体协同治理的有效性，为食品废料资源化提供新策略。

　　

陈帆 张|李雪 郑|全西 张|岳霞 张|贤云 郑

山西大学环境科学研究所，太原 030006，中国

摘要

甲硫醇（MeSH）是一种典型的挥发性硫化合物，对环境异味有显著影响，并存在生态风险。在本研究中，从食物废弃物中分离出了三种能够去除超过40%甲硫醇的细菌菌株。这些菌株经分类鉴定分别为：Agrobacterium cavarae、Mycolicibacterium neoaurum 和 Pseudomonas qingdaonensis。通过京都基因与基因组百科全书（KEGG）的宏基因组注释发现，所有菌株均具有参与甲硫氨酸和半胱氨酸代谢途径的关键酶，表明它们具有降解甲硫醇的潜力。在二元联合菌群中，A. cavarae R1 和 P. qingdaonensis（比例为5:1）的组合表现出最佳的降解效果，6天培养后甲硫醇的去除效率达到87.2%，H₂S的去除效率为98.7%，NH₃则被完全消除（100%）。在三元联合菌群中，A. cavarae R1/M. neoaurum CD/P. qingdaonensis（比例为3:2:1和3:1:2）的组合对三种目标异味物的去除效率均较高。具体而言，3:2:1比例的联合菌群甲硫醇去除效率为94.7%，3:1:2比例的联合菌群NH₃去除效率为91.7%。这些结果证明了在废物管理系统中使用复合微生物制剂进行异味控制的可行性。

引言

挥发性硫化合物（VSCs）是含硫有机物热分解或厌氧分解过程中产生异味的主要来源（Zhang等人，2021年）。其中，甲硫醇（MeSH）是最强烈的异味物质之一，在石油精炼、天然气脱硫、农药合成和制药生产过程中广泛存在（Martinez-Zuniga等人，2024年）。其工业重要性在于它既是液化石油气（LPG）中的异味物质，又是氨基酸合成的原料，同时也是有机磷农药生产的中间体（Li等人，2022年；Bayout等人，2024年）。然而，甲硫醇的嗅觉阈值最低（0.4 ppb），即使在微量水平下也会引起强烈的嗅觉不适，并且具有毒性、刺激性和易燃性等风险（Xu等人，2023年；Lin等人，2025年）。在空气中，甲硫醇容易氧化为二甲基二硫化物（DMDS），从而造成二次污染（Kastner等人，2003年）。因此，有效去除甲硫醇已成为环境异味控制的重点。

目前已采用多种物理化学方法来去除甲硫醇，包括光催化氧化、吸附和化学洗涤。虽然这些方法可以迅速降低甲硫醇浓度，但通常能耗高、试剂消耗量大、吸附剂再生问题突出，并且会产生二次污染，限制了它们的长期可持续性（Wei等人，2024年；Lin等人，2025年）。相比之下，微生物降解方法更具能源效率且生态兼容性更强，具有操作简便、成本低廉和完全矿化的优势（Chen等人，2023年；Shirazizadeh等人，2019年）。

尽管研究兴趣日益增加，但迄今为止仅明确鉴定出少数几种能够降解甲硫醇的细菌，如Paenibacillus polymyxa CZ05、Thiobacillus thioparus 和 Pseudomonas属菌株（Zhang等人，2013年；Badr等人，2014年；Schmitz等人，2022年）。许多报道的降解菌株是在研究其他VSCs的过程中间接发现的（Ho等人，2008年；Gu等人，2018年；Su等人，2023年）。此外，目前的微生物分离株主要来自废水处理系统，而食物废弃物（FW）这种天然富含异味物质（包括甲硫醇、H₂S和NH₃）的环境中的微生物多样性尚未得到充分探索。一种成熟且可行的策略是从受污染环境中富集耐污染微生物菌株，然后分离出高效的降解菌群或菌株（Bokade等人，2023年；Thompson等人，2005年）。值得注意的是，来自FW的微生物最近显示出对多种污染物（如二甲基二硫化物（DMDS）、苯甲酸盐和复杂有机废物）的降解能力（Zheng等人，2025年；Krishnani等人，2022年；Pham等人，2022年）。从这类废弃物中分离出适应性强且高效的降解菌株可能为源头污染控制提供一种实用可行的方法（Zheng等人，2019年）。这些发现强调了FW作为发现具有强环境适应性的本土VSC降解菌的未开发资源的重要性。然而，从FW中分离出的能够去除甲硫醇的微生物菌株仍然相对较少。

除了单菌株方法外，合成微生物联合菌群因具有更广泛的代谢能力和功能韧性以及更高的稳定性而受到关注（Liu等人，2021年）。然而，构建有效的联合菌群需要代谢互补且相互兼容的菌株。菌株之间的潜在拮抗作用和竞争仍然是主要障碍（Chaudhary等人，2023年），这突显了在设计联合菌群时进行系统筛选的必要性。

在本研究中，我们从食物废弃物中分离出了细菌菌株，并评估了它们降解甲硫醇的能力。我们对这些菌株进行了全面的表征，包括生理和生化分析、系统发育鉴定以及甲硫醇去除性能测试。严格检测了菌株之间的拮抗作用，以确保它们适合组合使用。在确认不存在拮抗作用的基础上，构建了不同接种比例的混合联合菌群，并评估了它们同时去除甲硫醇、H₂S和NH₃的潜力。进一步应用宏基因组测序和代谢途径注释来阐明可能的降解机制。

总体而言，这项工作扩展了已知的甲硫醇降解细菌的生态来源，证明了构建基于FW的合成联合菌群用于多异味物处理的可行性，并为开发有效的、可持续的VSC污染生物修复策略提供了机制上的支持。

章节片段

培养基的制备及甲硫醇降解菌的分离

根据实验步骤（见补充材料），准备了用于富集甲硫醇的液体选择性培养基、无机盐筛选培养基、Luria-Bertani（LB）液体和固体培养基以及选择性固体培养基。从山西大学新苑食堂的食物废弃物中分离出了甲硫醇降解菌。经过30天的富集和5次单菌落分离后，评估了各分离株的除臭潜力。

各菌株对甲硫醇的去除效率

在本研究中，通过逐渐增加富集培养基中的甲硫醇浓度（最终浓度达到866 mg/L）来增强甲硫醇降解菌的富集效果。经过30天的富集和在甲硫醇选择性培养基上的5次连续划线分离后，共分离出20个菌落，其中10个来自蔬菜废弃物，10个来自肉类废弃物。较低的排放值表示更高的去除效率。经过6天的培养后，获得了12个菌株（R1、R2、R3）。

讨论

由于微生物生物修复具有高效性、特异性和环境兼容性，已成为控制环境污染的重要策略（Bala等人，2022年；Luo等人，2024年）。已报道了几种高效的甲硫醇降解菌株（Schmitz等人，2022年；Zhang等人，2013年），其中包括能够在50 mg/m³甲硫醇浓度下实现84%去除率的JLL菌株（Jiang等人，2004年）。Pseudomonas属菌株因其代谢多样性而特别值得关注；

结论

本研究成功从食物废弃物中分离并鉴定了三种新的细菌菌株：Agrobacterium cavarae R1、Mycolicibacterium neoaurum CD和Pseudomonas qingdaonensis CF，它们表现出显著的降解甲硫醇及其他异味气体（H₂S和NH₃）的能力。宏基因组测序分析揭示了它们的代谢潜力，发现半胱氨酸和甲硫氨酸代谢途径可能是甲硫醇降解的途径。当这些菌株组成复合菌群时，特定组合显示出更好的降解效果。

未引用的参考文献

Kiene等人，1999年；Salam，2024年；Shirazizadeh和Haghtalab，2019年。

CRediT作者贡献声明

陈帆 张：撰写初稿、数据可视化、项目管理和实验研究。李雪 郑：项目管理和实验研究。全西 张：资源获取和正式数据分析。岳霞 张：软件开发和概念构思。贤云 郑：撰写、审稿与编辑、监督及资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了山西奖学金委员会（2023-030项目）和山西（中国）与指定国家的国际科学技术合作项目（项目编号：202304041101011）的财政支持。