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本研究揭示了厌氧环境下甲苯降解的稳定机制，关键在于一个由硫酸盐还原菌（SRB）、硫氧化菌及异养菌构成的多菌群微生物联合体。它们通过分工协作，形成了一个隐蔽的硫氧化还原循环（cryptic sulfur cycle），有效缓冲硫化物（H2S）毒性，维持体系氧化还原动态平衡，从而支持了甲苯在硫酸盐还原条件下的长期稳定降解。这一发现为污染场地（如缺氧含水层）的生物修复策略设计提供了新的理论框架。
引言：厌氧降解中的挑战与硫循环的潜在作用
石油碳氢化合物，包括甲苯等单环芳烃，是土壤、沉积物和含水层中广泛存在的污染物。在厌氧环境中，氧气耗尽后，烃类降解依赖于替代的末端电子受体，如硫酸盐。硫酸盐还原菌（SRB）通过延胡索酸加成途径（bss/bbs）激活甲苯，并将其完全矿化为CO2，同时将硫酸盐还原为硫化物（H2S）。然而，硫化物本身具有微生物毒性，其积累会抑制活性并破坏降解过程的稳定性。近年来，微生物生态学研究表明，硫化物不一定积累，而可以被硫氧化细菌快速再氧化，形成一个“隐蔽硫循环”，其中还原态和氧化态硫物种快速循环，净积累极少。尽管这种现象在海洋沉积物中已被充分证实，但它在烃类降解菌群中的作用仍待探索。越来越多的证据表明，厌氧烃类降解并非由SRB单独完成，而是SRB、硫氧化菌和兼性异养菌之间协同相互作用的结果，这些作用共同稳定了能量限制条件下的代谢。
材料与方法：构建与解析厌氧降解菌群
本研究构建了一个严格厌氧的生物反应器，以甲苯为唯一碳源和能源，硫酸盐为末端电子受体，接种来自意大利石油污染含水层的地下水。通过监测甲苯和硫酸盐的消耗动力学，结合长读长16S rRNA基因测序和基因组分箱（MAGs）分析，系统解析了该菌群的结构与功能。此外，还通过钼酸盐抑制实验，验证了甲苯去除与硫酸盐还原的直接耦合关系。
结果与讨论
1. 甲苯降解动力学与硫酸盐还原
在170天的运行中，菌群成功驯化，甲苯降解速率趋于稳定，平均为19.1 ± 1.2 μmol L-1d-1。甲苯降解始终与硫酸盐还原同步发生，证实了SO42-作为末端电子受体的作用。在第八个加料周期，将底物浓度加倍以测试系统鲁棒性，导致了暂时的速率下降，可能是由于甲苯毒性，但在恢复正常浓度后，降解活性完全恢复。整个实验期间，O2始终低于检测限，H2和CH4未检出，乙酸也未显著积累。对甲苯消耗和硫酸盐还原的化学计量学分析显示，观测到的硫酸盐消耗量是甲苯完全氧化理论值的约1.9倍，这可能归因于消耗电子受体但不直接贡献于底物氧化的“无效”氧化还原循环，作为一种快速解毒和维持细胞内氧化还原稳态的策略。钼酸盐抑制实验进一步证实，添加该硫酸盐还原抑制剂后，甲苯降解几乎完全停止。
2. 菌群组成与基于MAGs的功能潜能
长读长16S rRNA测序揭示，该菌群结构简单，由Desulfoprunum（约34%）和Sulfurovum相关的硫氧化菌（约34%）共同主导，其余成员包括Stenotrophomonas、Achromobacter、Stutzerimonas等（各<10%）。这种共主导模式在硫酸盐还原富集培养中并不常见，后者通常由单一SRB谱系（如Desulfobacula）主导。SRB（Desulfoprunum）与硫氧化菌（Sulfurovum）的共存，暗示了一种潜在的稳定机制，可能有助于缓解H2S的毒性效应。
基于长读长测序的宏基因组分析，成功重建了七个中高质量水平的MAGs。系统发育分析表明，它们分别隶属于Patescibacteriota的Moranbacterales、Gammaproteobacteria、Desulfocapsaceae和Sulfurovaceae。
功能注释分析发现：
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Desulfoprunumsp000769715 TD_2 是菌群中唯一携带厌氧甲苯激活关键途径——延胡索酸加成途径（bssABC, bbsEFGH）基因的成员。同时，它还编码了异化硫酸盐还原（DSR）的关键基因（aprAB, dsrAB），表明它是负责将甲苯氧化耦合到硫酸盐还原的关键初级降解者。
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其他MAGs则广泛分布着与硫同化相关的基因。多个Gammaproteobacteria的MAGs（如S. stutzeriTD_5）编码了近乎完整的Cys基因簇，用于将硫酸盐同化为H2S，进而合成半胱氨酸等含硫氨基酸，满足生物合成需求。这很可能解释了观测到的过量硫酸盐消耗。
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硫的氧化与再循环：SulfurovaceaeMAG (BN30871 sp. TD_0) 以及部分Gammaproteobacteria MAGs (A. pulmonisTD_1, S. stutzeriTD_5) 编码了硫化物:醌氧化还原酶 (sqr)。该酶能将H2S氧化为元素硫（S°），同时将电子传递给醌池，既解毒了硫化物，又可能耦合能量守恒。此外，MoranbacteralesMAG (UBA9337 sp. TD_4) 编码了一个假定硫氢化酶 (HydAB)，该酶可能催化元素硫（S°）还原回H2S。
3. 生态阐释与生物修复意义
上述互补的硫转化过程勾勒出一个潜在的、分布式的氧化还原网络，将甲苯氧化与内部硫循环联系起来。在这个网络中，Desulfoprunum通过DSR将甲苯氧化与H2S释放相耦合；共存的类群（如Sulfurovaceae等）则通过Sqr将H2S氧化为S°，从而缓解硫化物毒性并可能再生电子受体；而Moranbacterales则可能通过HydAB将S°还原回H2S，形成一个潜在的、内部的“隐蔽硫循环”闭环。同时，其他成员进行硫同化（ASR）以满足生物合成需求。
这种协调的相互作用实现了内部硫化物解毒和氧化还原缓冲，从而在含硫条件下支持了烃类的长期降解。从生态学角度看，这些发现强化了厌氧烃类降解是一个由硫循环相互作用促成的、群落驱动过程的观点。通过将污染物转化与内部硫转化相结合，微生物菌群可以增强厌氧环境中的代谢稳定性和恢复力。从应用角度看，这种合作的硫代谢为厌氧烃类降解菌群的功能韧性和鲁棒性提供了机制解释。这种内部硫循环可以通过缓解硫化物毒性和维持电子流，来增强原位生物修复系统（包括工程生物反应器）的性能。
结论
本研究提供了一个概念框架，用以理解硫循环相互作用如何支持厌氧烃类降解。研究表明，在含硫环境中，厌氧烃类降解可能源于通过隐蔽硫循环连接的多个微生物群落的协同作用。这种分布式氧化还原网络具有缓解硫化物毒性、缓冲环境波动并支撑降解长期稳定的潜力。未来的工作应致力于阐明单个类群的具体代谢作用，解析种间电子传递机制，并评估硫介导的稳定机制在自然和工程系统中的普遍性。这些发现揭示了人为影响的地下环境中碳-硫耦合的更广泛原则，并为设计利用多菌群微生物合作的生物修复策略提供了概念基础。
