《Journal of Environmental Management》：A hybrid approach utilising adaptive laboratory evolution and gene expression analysis: How adaptive evolution improves PAHs biodegradation
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马尼莎·帕尔马（Manisha Parmar）|阿贾伊·帕特尔（Ajay Patel）|钦玛伊·乔希（Chinmayi Joshi）|丽图·帕特尔（Ritu Patel）|哈伦·戈萨伊（Haren Gosai）印度古吉拉特邦拉杰普尔-卡迪（Rajpur-Kadi）因德拉希尔大学（
马尼莎·帕尔马（Manisha Parmar）|阿贾伊·帕特尔（Ajay Patel）|钦玛伊·乔希（Chinmayi Joshi）|丽图·帕特尔（Ritu Patel）|哈伦·戈萨伊（Haren Gosai）
印度古吉拉特邦拉杰普尔-卡迪（Rajpur-Kadi）因德拉希尔大学（Indrashil University）科学学院生物科学系，邮编382740
摘要
多环芳烃（PAHs）是持久性的环境污染物，由于其毒性、疏水性和抗降解性，对生态和人类健康构成重大风险。尽管微生物生物降解提供了一种可持续的修复策略，但其效率在自然环境中常常受到盐度、温度和pH值波动等物理化学因素的限制，这些因素会限制微生物的活动和稳定性。因此，在这种压力条件下提高微生物的适应性和功能表现仍然是一个关键挑战。在这项研究中，我们通过整合适应性实验室进化（ALE）、转录组分析和生物反应器验证方法来增强微生物对PAHs的降解能力。三种细菌菌株——Pseudomonas stutzeri MP6、Stutzerimonas stutzeri MP15和Stutzerimonas frequens MP37——在逐渐增加的温度、盐度和酸性pH条件下接受了ALE处理，以提高其耐受性。在逐渐加剧的环境压力下，进化后的微生物群落表现出比单个菌株更高的降解效率，表明存在协同作用。转录组分析进一步显示，与芳香化合物代谢相关的基因（包括氧化酶和环裂解酶）的表达增加，表明代谢活性增强，这与PAHs的转化有关。在土壤浆液系统中的验证表明，进化后的菌群在模拟的环境条件下90天内实现了85.65%的降解率。总体而言，这些发现表明，基于ALE的适应性增强提高了微生物的恢复力和功能表现，支持其在PAHs生物修复中的潜在应用。
引言
沿海地区和海洋港口是人类居住和经济增长的重要资源，因为它们支持多样的生态系统，并具有独特的流体动力学和地貌特征（Chanchpara等人，2025年）。然而，污染水平的增加对这些生态系统构成了严重威胁（Patel等人，2025年）。近年来，主要来自化石燃料不完全燃烧和石油泄漏的有害碳氢化合物污染物引起了广泛关注（Prajapati等人，2026年）。一旦释放到环境中，这些污染物会渗透到土壤、地下水和海洋系统中，从而对生态平衡造成压力，并威胁沿海地区的可持续性（Zhang等人，2025年）。
多环芳烃（PAHs）是一类特别危险的碳氢化合物，由于其在环境中的持久性和毒性效应（包括致癌性、致突变性和致畸性），被归类为持久性有机污染物（POPs）（Sun等人，2019年）。它们的疏水性使其通过吸附在海洋沉积物中积累，从而长期存在并对食物链产生不利影响。这种积累导致生物放大效应，对生态系统和人类健康构成重大风险（Gosai等人，2022年；Parmar等人，2024年）。美国环境保护署（EPA）将十六种PAHs列为优先污染物，因为它们的毒性重要。其中，蒽、菲和芘常被用作环境监测和风险评估研究中PAHs污染的指标（Zhang等人，2025年）。尽管微生物降解已被广泛研究作为去除PAHs的策略，但在自然环境中的有效性仍然有限。PAHs的低溶解度、高疏水性和亲脂性使其降解过程缓慢且具有挑战性（Inam等人，2018年），但生物降解仍被认为是成本效益高且环境可持续的PAHs修复方法（Park和Choi，2020年；Sun等人，2019年）。据报道，包括Aeromonas、Mycobacterium、Vibrio、Nocardia、Flavobacterium、Bacillus、Rhodococcus、Cyanobacteria、Beijerinckia和Corynebacterium在内的多种微生物能够在不同的环境条件下降解PAHs（Gosai等人，2022年）。
高盐度、极端pH值和温度波动等环境压力因素显著影响微生物的存活率和生物降解效率，从而限制了它们在沿海地区的实际应用（Rojas-Vargas等人，2023年）。因此，在这种压力条件下提高微生物的耐受性和保持功能稳定性对于有效的原位生物修复至关重要。适应性实验室进化（ALE）已成为在受控压力条件下增强微生物菌株的有希望的方法（Vásquez-Sandoval等人，2025年）。这种方法涉及逐步让微生物群体暴露于定义的环境压力中，从而选择出具有更好恢复力和功能表现的表型（Vásquez-Sandoval等人，2025年；Xu等人，2025年）。尽管ALE在菌株开发中取得了成功应用，但其在增强PAHs降解方面的具体用途仍大多未被探索。此外，将ALE与先进的分析技术（如转录组分析和环境验证系统）结合的研究仍然有限，这突显了一个关键的研究空白。除了提高微生物的耐受性外，理解调控PAHs降解的分子机制对于优化生物修复策略也至关重要。转录组分析为研究基因表达模式和识别参与污染物降解和压力适应的代谢途径提供了强大工具（Lin等人，2020年）。比较转录组学能够识别与底物转运、信号转导和分解代谢过程相关的关键基因，从而提供关于微生物在压力条件下的功能反应的见解（Ha等人，2017年）。这种分子层面的理解对于弥合实验室规模发现与实际环境应用之间的差距至关重要（Fu等人，2023年）。
虽然转录组方法已被用于研究PAHs的降解，但它们与适应性菌株开发的结合仍然有限。例如，Peng等人（2020年）分析了Rhodococcus P14在PAHs降解过程中的转录组，并报告了与中心代谢途径相关的基因参与。同样，Fu等人（2023年）确定了Pseudomonas stutzeri LH-42中参与菲降解的二元氧合酶基因簇。Freyria等人（2025年）和Ma等人（2025年）进一步强调了氧化酶介导的途径和应激响应基因在碳氢化合物降解过程中的作用。这些研究共同强调了转录调控在微生物PAHs生物降解中的重要性。在此背景下，本研究旨在通过整合适应性实验室进化、转录组分析和土壤浆液系统验证来增强微生物对PAHs的降解能力。ALE被用于在逐渐增加的盐度、温度和pH条件下开发耐压微生物菌株。转录组分析用于研究与降解途径和压力反应相关的基因表达模式，而土壤浆液系统则用于评估微生物在环境相关条件下的表现。据我们所知，这项研究代表了一种结合适应性进化、分子分析和系统级验证的综合性方法，以改善PAHs的生物降解。
章节摘录
从古吉拉特邦坎贝湾（Gulf of Cambay）的Alang-sosiya拆船和回收场（ASSBRY）收集了沉积物样本，以分离降解PAHs的细菌。从收集的样本中分离出了37种细菌菌株。在初步筛选过程中，17个菌株显示出能够以菲（Phe）、蒽（Ant）和芘（Pyr）作为唯一的碳源，这一点通过PAHs涂层的琼脂平板上形成的清晰区域得到证实。
ALE被应用于在逐渐增加的环境压力条件下提高降解PAHs的细菌菌株的降解性能（Wang等人，2023年；Kim等人，2021年）。经过十代连续培养，Pseudomonas stutzeri MP6、Stutzerimonas stutzeri MP15、Stutzerimonas frequens MP37和定义的微生物群落MP613分别暴露于逐渐升高的温度（31°C至40°C）、盐度（43至52 ppm）和降低的pH值（6.9至6.0）条件下。
本研究结合了适应性实验室进化（ALE）、转录组分析和土壤浆液生物反应器系统来研究微生物对PAHs的降解。通过逐步让选定的细菌菌株暴露于增加的盐度、温度和pH压力下，ALE与改善的生理耐受性和增强的降解性能相关联。
尽管本研究通过适应性实验室进化（ALE）和转录组分析提供了关于PAHs降解的重要见解，但仍需考虑几个局限性。一些参与PAHs降解的关键基因（如< />< />
本研究结合了适应性实验室进化（ALE）、转录组分析和土壤浆液生物反应器系统来提高多环芳烃的微生物降解能力。通过逐步让特定细菌菌株暴露于增加的盐度、温度和pH压力下，ALE成功提高了菌株的生理耐受性和降解速率。进化后菌群的降解性能提升得到了机制上的支持
马尼莎·帕尔马（Manisha Parmar）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法学、调查、正式分析、数据管理。阿贾伊·帕特尔（Ajay Patel）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、软件、正式分析、数据管理。钦玛伊·乔希（Chinmayi Joshi）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿。丽图·帕特尔（Ritu Patel）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿。哈伦·戈萨伊（Haren Gosai）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
作者感谢古吉拉特邦生物技术计划（GSBTM）（甘地纳加尔）提供的财政支持（资助编号GSBTM/JD(R&D)/662/2022-23/00292684）。作者还感谢Kshipra Pandey女士对稿件的语言改进。作者也感谢Khushal Khambhati提出的宝贵建议。
