《Groundwater for Sustainable Development》：Benzene contamination from operating petrochemical enterprises alters in-situ microbial communities and metabolic potential in groundwater
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苯污染地下水微生物群落组装及代谢途径研究。采用16S rRNA测序和宏基因组学分析发现，长期苯污染导致微生物多样性降低，特定菌群（Sphingobium、Thauera等）主导降解过程，同时存在有氧（ catechol meta-cleavage）和无氧（ syntrophic division）两种完整降解途径。揭示Thauera代谢 versatility在红氧化还原 fluct环境中的关键作用，为精准生物修复提供分子框架。
王赫莉|邓一荣|卢海健|李伟宇|张玉婷|李硕|吕明超
中国广东省环境科学研究院地球关键带土壤污染命运与风险管理粤港澳联合实验室，广州，510555
摘要
石化企业的运营活动导致地下水中的苯污染，对生态和健康构成严重威胁。然而，这些受污染系统中本土微生物的组成及其功能联系仍知之甚少。本研究利用16S rRNA测序和宏基因组测序技术，调查了一个长期受苯污染的地下水生态系统。生物多样性分析表明，苯暴露显著降低了微生物多样性，并使以Sphingobium、Thauera、Ciceribacter和Xanthobacter为主的特定微生物群落得以富集。宏基因组分析进一步揭示了该系统中同时存在有氧和厌氧苯矿化途径。有氧苯矿化主要由Sphingobium和Thauera等属通过儿茶酚代谢途径实现；而厌氧矿化过程中Thauera负责初始的羧化反应，Sphingobium参与β-氧化步骤。Thauera的代谢多样性使其能够在氧化还原条件波动的地下水中降解苯，从而在苯的衰减过程中发挥关键作用。这些发现揭示了微生物的适应性组成及其功能潜力，为石化企业现场的生物修复策略提供了分子层面的指导。
引言
石化企业的运营活动是地下水污染的主要来源（Song等人，2023年；Ouyang等人，2025年）。由于阀门和管件的腐蚀老化，以及埋设管道和储罐在长期生产过程中的结构故障，这些地区的地下水完整性持续受到威胁（Deng等人，2019年；Zhao等人，2019年）。这种动态的地下环境特征为污染物持续输入、氧化还原和水文条件波动以及频繁的操作干扰提供了条件（Wei等人，2024年）。因此，石化企业的地下水管理对于保护地下水资源和减轻污染风险至关重要（Han等人，2022年；Guan等人，2025年）。
苯在这些动态石化场地复杂的污染物混合物中尤其令人担忧（Li等人，2025年；Tian等人，2025年）。其广泛使用导致其在场地基础设施中的普遍存在和持续释放风险（Shallis等人，2021年；Ruan等人，2025年），严重污染情况下苯浓度常超过数百毫克/升（Li等人，2025年）。鉴于苯的高迁移性、环境持久性和致癌性，美国环境保护署（EPA）将其列为优先污染物（Ali等人，2024年；Wu等人，2022年）。苯污染的普遍性和严重性凸显了迫切需要深入了解其在地下水中的行为，尤其是在石化企业场地（Ruan等人，2025年）。
微生物降解是受污染地下水中苯自然衰减的主要途径（Huang等人，2021年；Chen等人，2022年；Yao等人，2025年）。包括Geobacter（Zhang等人，2014年）、Variovorax（Posman等人，2017年）、Thermincola（Toth等人，2021年）和Pseudomonas（Ma等人，2025年）在内的多种细菌可通过有氧和厌氧途径降解苯。在有氧条件下，功能细菌通常通过单加氧酶或双加氧酶催化的反应启动降解过程，生成中间产物儿茶酚（Wang等人，2024年）。在无氧条件下，厌氧微生物群落通过羟基化、ATP依赖的羧化或甲基化途径降解苯（Ghattas等人，2017年；Müller等人，2017年；Liu等人，2024年；Zhang等人，2025年）。值得注意的是，某些属（如Thauera）具有代谢多样性，能在不同的氧化还原条件下降解芳香烃。这一过程中初始基因的表达受氧气可用性的调控，体现了微生物在动态环境中的关键适应性（Shinoda等人，2004年）。这种代谢策略与环境条件之间的内在联系表明，石化企业场地的独特动态环境（如氧化还原电位波动）可能促进与废弃场地截然不同的微生物反应。这些差异可能包括：（i）微生物群落的功能角色和适应性；（ii）有氧与厌氧降解途径的优先选择；（iii）它们生态相互作用网络的构成。因此，阐明这些差异对于准确预测苯的自然衰减和制定有效的、对运营干扰最小的修复策略至关重要（Tian等人，2025年）。
分子生物学技术，特别是16S rRNA基因扩增子测序和宏基因组测序，被广泛用于微生物群落和功能潜力的全面分析（Yang等人，2024年；Cheng等人，2025年；Lin等人，2025年）。例如，对苯污染含水层的宏基因组分析成功识别了关键的苯降解菌类（如Pseudomonas、Acidovorax），并阐明了有氧单加氧酶驱动的降解途径，为后续的生物修复设计提供了基础（Chen等人，2022年；Zhang等人，2024年）。重要的是，基于宏基因组学的微生物增强策略已在石化企业场地成功应用于BTEX的去除（Ouyang等人，2025年）。因此，应用这些分子工具来表征石化企业场地地下水中微生物群落和功能对于推进有效的、可预测的现场生物修复至关重要。
在本研究中，我们采用16S rRNA基因测序和宏基因组测序相结合的综合方法，对中国南方一家石化企业的长期苯污染含水层进行了调查。首先利用PICRUSt2进行广泛的功能筛选（Douglas等人，2020年），然后通过宏基因组测序进行高精度功能验证。这种互补策略确保了结果的稳健性和可靠性。本研究的主要目标是：（I）阐明苯污染是否以及如何影响石化企业地下水的微生物群落结构；（II）识别苯降解的遗传潜力并确定主要途径；（III）探索关键微生物类群之间的潜在代谢相互作用和功能分化。从这些研究中获得的关于关键微生物类群和功能基因的见解，有望为制定现场生物修复策略提供精确的目标，从而最小化对运营活动的干扰。
站点描述和样本采集
地下水样本取自中国南方的一家沿海石化企业。该企业已连续生产超过20年，主要产品包括苯酚-丙酮（每年20万吨）和异丙苯（每年16万吨），对地下水造成长期污染风险。地质上，该场地的基础为人工砾石填充层，下方是第四纪海陆相互作用沉积物和第四纪
物理化学特性和污染状况
六口井的物理化学特性和主要污染物见表1。在G4井中仅检测到苯，浓度为674.4 ± 0.67 μg L-1，远超过国家《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）中的III类监管标准（≤ 10.0 μg L-1）（Ruan等人，2025年），表明存在严重的局部点源污染。乙苯和二甲苯未在微生物群落对苯污染的适应
本土微生物在地下水中苯的自然衰减中起着关键作用。在本研究中，我们观察到G4污染站点微生物群落发生了显著变化，以
Sphingobium、
Thauera、
Ciceribacter和
Xanthobacter等属为主。这种微生物组成与废弃石化场地常见的微生物组成不同，后者通常以
Pseudomonas、
Acidovorax和
Acinetobacter等属为主
结论
本研究采用16S rRNA基因分析和宏基因组测序相结合的综合方法，研究了石化企业场地受苯污染地下水中的微生物群落组成和功能适应。多组学方法不仅揭示了微生物的分类组成，还阐明了完整的代谢网络，提供了现场生物降解过程的全面视图。主要发现总结如下：（1）苯
局限性与未来展望
尽管本研究采用了先进的多组学技术，但仍存在一些局限性。首先，宏基因组分析揭示了微生物的降解潜力，但基因的存在并不保证其会在现场表达或具有功能活性。其次，本研究仅在一个特定的沿海石化企业场地进行，可能限制了研究结果在内陆场地或具有不同条件的场地中的普遍性
CRediT作者贡献声明
李伟宇：数据可视化、方法学设计、实验实施。张玉婷：数据验证、软件应用、数据分析。李硕：项目监督、行政管理、实验设计。王赫莉：初稿撰写、数据可视化、方法学设计、数据分析。邓一荣：修订与编辑、资源协调、资金筹集。卢海健：资源支持、实验实施、概念构思。吕明超：项目行政、实验管理、数据管理
未引用参考文献
Bushnell, 2014; Callahan et al., 2016; Hernández-Ospina et al., 2024; Katoh and Standley, 2013; Knisz et al., 2021; Letunic and Bork, 2016; Liu et al., 2024; Liu et al., 2024; Liu et al., 2024; Talavera and Castresana, 2007; Wu et al., 2024.
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2022YFC3703105）、国家自然科学基金（U1911202、42577476）以及广东省环境保护基金（2024年财政预算）的财政支持。
