在人工选择用于苯并三唑降解的微生物群落的过程中，核心微生物组与功能趋同之间的关联

《Environmental Research》：Linkages between core microbiome and functional convergence during artificially selecting microbial communities for benzotriazole degradation

苯并三唑（BTR）作为新兴难降解有机污染物，本研究通过人工选择策略在序批式反应器中富集了两种不同来源的微生物群落。尽管两类菌群在分类学上呈现不同进化路径，但均保持超过96%的BTR降解效率和75%以上的COD去除率。基因组学分析揭示功能冗余机制：不同属的 keystones（如Nocardioides和Methylobacterium）携带类似降解基因簇，而Bacteroidota属内的近缘种（如MAG.480和MAG.17）则表现出显著的降解基因谱系分化。研究证实核心微生物群落的动态调控是功能稳定性的关键机制，为污染控制微生物群落设计提供了新理论框架。

　　

袁琦|郑秀琳|何希伟|黄凯龙|王德鹏|张旭翔

中国南京大学环境学院，水污染控制与绿色资源循环利用国家重点实验室，南京210023

摘要

苯并三唑（BTR）作为一种新兴的难降解有机污染物，其日益普遍的存在引起了人们对开发高效生物修复方法的关注。尽管构建微生物联合体是一种有前景的策略，但在人工选择过程中，群落演替与功能特征之间的内在关系仍知之甚少。为了解决这一问题，本研究使用自上而下的选择策略，在逐步增加BTR浓度的序贯批式反应器中培育出了两种不同的微生物联合体。虽然这两种联合体在分类学上发生了分化，但它们在功能上表现出显著的趋同性，始终保持了较高的BTR转化率（>96%）和化学需氧量（>75%）去除效率。在BTR作为唯一碳源的严格条件下，这种稳健的性能凸显了它们的强大适应潜力。宏基因组分析进一步将这种功能稳定性归因于功能冗余的原则，即分类学上不同的关键物种（如Nocardioides和Methylobacterium）携带了功能相似的基因簇。此外，拟杆菌门（Bacteroidota）中的多个同属物种（如MAG.480和MAG.17）在降解基因库方面表现出显著差异。这些发现不仅推进了人们对微生物组介导的BTR生物降解机制的理解，也为高性能生物修复联合体的合理设计和优化提供了基础。

引言

苯并三唑（BTR）广泛应用于防腐剂、腐蚀抑制剂和飞机除冰液等产品中（Sampaio等人，2024年），已成为废水处理中令人担忧的污染物（Zhao等人，2024年）。由于其高环境持久性和抗生物降解性，BTR在环境中不断积累，带来了严重的生态毒性风险（Zhang等人，2023年）。因此，开发高效且经济可行的技术来去除BTR并减轻这些风险是一个重要的环境挑战（Wang等人，2023年）。在各种处理方法中，微生物降解因其环境可持续性而被视为一种非常有前景的策略。然而，自然环境中本土微生物群落的降解效率往往不足（Deng等人，2024年）。因此，有针对性地富集和设计特定的功能性微生物联合体是实现有效生物修复和污染控制的关键。

降解性微生物联合体的设计和构建主要采用自上而下的选择策略和自下而上的设计方法。自上而下的方法模拟自然选择，从活性污泥等复杂环境中富集功能性微生物（Zheng等人，2024年），已被证明是高效降解BTR的有效策略。其有效性可能归因于富集联合体的高环境适应性（Huang等人，2021年）。通过将目标污染物作为选择压力，这种方法引导微生物群落朝着高效去除污染物的方向进化（Pan等人，2025年）。然而，群落组装受到确定性和随机性过程的共同影响（Ning等人，2019年）。在目标污染物与多种碳源共存的复杂环境中，随机性尤其显著，这通常导致来自不同来源的功能趋同联合体在分类学上出现显著分化（Estrela等人，2022年）。因此，功能稳定性不能仅从物种组成推断出来，需要更深入地研究生态系统功能背后的动态机制。

最近的研究表明，尽管来自不同环境的联合体在物种组成上存在显著差异，某些关键功能类群始终表现出富集趋势（Estrela等人，2022年）。例如，一项关于1,4-二氧烷生物降解的研究发现，尽管来自两种不同的环境，微生物联合体最终都形成了以Rhizobiales目成员为主的核心功能群。此外，Shinella yambaruensis物种在这两种联合体中被鉴定为共同的关键降解菌（Tian等人，2024年）。这表明核心微生物组可能是功能稳定性的关键（Miranda等人，2025年；Zorz等人，2019年）。基于此，我们假设BTR降解功能的维持主要由核心微生物组的演替动态决定，而不是由静态不变的物种列表决定（Efremova等人，2024年）。然而，当前的研究主要集中在这些降解性群落的最终状态（Dai等人，2022年；Ruppelt等人，2020年）。因此，长期选择压力下核心微生物组的动态演替模式及其与系统功能稳定性的相关性是一个亟待深入研究的知识空白。

为了建立能够降解BTR的微生物联合体，本研究在序贯批式反应器（SBRs）中采用了自上而下的选择性策略。来自两个不同来源的活性污泥在逐步增加的BTR浓度梯度下进行了驯化。通过结合16S rRNA基因测序和宏基因组分析，本研究系统地解析了群落在分类学和功能层面的动态变化。本研究旨在：（1）阐明微生物群落组成和功能的演替模式；（2）识别核心微生物组并分析其动态特性；（3）揭示核心微生物组与整个群落功能之间的耦合关系。这些发现将为靶向调控复杂微生物联合体以增强BTR生物修复提供新的见解。

部分摘录

生物反应器的操作

苯并三唑降解的微生物群落的选择在两个平行的序贯批式反应器（SBRs）中进行，分别命名为Bioreactor_M和Bioreactor_A。Bioreactor_M的接种污泥来自一个全规模的膜生物反应器工厂，而Bioreactor_A的接种污泥来自一个全规模的厌氧-缺氧-好氧工艺工厂，两者均位于中国无锡。两个生物反应器的初始混合液悬浮固体浓度均设定为3500

生物降解能力

通过194天的富集培养和人工选择策略，成功从两种不同的活性污泥来源中富集出了能够降解BTR的微生物联合体。虽然在R2阶段观察到BTR去除效率的初始波动，但从R5阶段到R110阶段，降解性能稳定在96%以上（图1a）。这种稳定性表明微生物群落需要一定的适应期才能高效降解BTR

结论

本研究通过自上而下的群落选择策略，在逐渐增加的BTR压力下，在两个独立的生物反应器中建立了两种高效且稳定的BTR降解微生物群落。富集期结束后，BTR转化效率始终保持在96%以上，而COD去除效率则随着BTR浓度的增加而逐渐下降。尽管这两个群落在分类学上经历了不同的演替路径，

CRediT作者贡献声明

张旭翔：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。王德鹏：撰写 – 审稿与编辑、方法学、数据管理。袁琦：撰写 – 初稿撰写、验证、方法学、实验研究。郑秀琳：撰写 – 初稿撰写、验证、正式分析、数据管理。黄凯龙：撰写 – 审稿与编辑。何希伟：方法学、实验研究

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2022YFA0912500）、国家自然科学基金（编号52025102和52192682）、江苏省重点研发计划（BE2023805）以及江苏省碳达峰和碳中和科学技术基金（BE2022861）的财政支持。