生物利用度的陷阱：Shewanella putrefaciens 通过代谢状态依赖性的生物乳化作用和生物吸附作用产生虚假的修复信号

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：The Bioavailability Trap: Shewanella putrefaciens Induces False-Positive Remediation Signals via Metabolic State-Dependent Bioemulsification and Biosorption

　　

赵阳|邢恩璐|傅金涛|李中原|张峰|傅荣兵

中国同济大学环境科学与工程学院水污染控制与绿色资源回收国家重点实验室，上海市四平路1239号，200092

摘要

虽然Shewanella常与有机卤化物呼吸菌群共存，但其生态作用仍不明确。在这里，我们报道了一种由Shewanella putrefaciens BS1驱动的“生物可利用性陷阱”，该菌株是从一个四氯乙烯（PCE）脱氯菌群中分离出来的。尽管BS1缺乏还原脱卤酶基因，但它仍能迅速降低水中的PCE浓度（<10 mg/L），模拟了生物降解的动力学过程。然而，通过系统提取效率（SEE = 58.5% ± 4.2%）验证的最终质量平衡显示出现了“伪修复”现象：生物群保留了7913.8 ± 659.9 μg/L的总PCE——比非生物基线（3628.8 ± 499.0 μg/L）高出2.18倍，这排除了降解的可能性。基因组分析发现，该菌在生物乳化（活跃生长）和生物吸附（饥饿状态）之间存在代谢状态依赖的切换。共聚焦成像（CLSM）显示了一种“核壳”结构，支持PCE的胶束包裹。转录组学分析表明，活跃的乳化作用与分泌基因（secB，TPM > 560）和表面修饰基因（lapA，TPM ~330）的高表达有关，同时鞭毛基因（flgM，TPM > 2300）的表达也受到抑制。相反，数据表明饥饿状态会诱导代谢休眠和被动吸附。这种物理隔离作用起到了污染物的储存库作用，可能减少了挥发并降低了水中的生物可利用性。这些发现揭示了以水为中心的生物修复监测中的一个关键缺陷。Shewanella介导的隔离作用在污染源区域起到了“物理缓冲”的作用。将总质量核算与基因组监测相结合对于防止错误的修复评估至关重要。

引言

四氯乙烯（PCE）是一种普遍存在的工业溶剂，由于历史上的不当处理，已成为土壤和地下水系统中的主要污染物[47]。由于其高毒性[44]，并被归类为2A组致癌物[25]，PCE容易形成密度大于水的致密非水相液体（DNAPLs）。这些DNAPLs成为长期污染源，给修复工作带来了巨大挑战。目前，通过有机卤化物呼吸（OHR）进行原位生物修复被认为是一种有前景的解毒策略[31]。然而，对原位修复效果的评估往往侧重于水中的浓度变化，忽略了DNAPL-水界面复杂的物理化学多相分配现象。最近的建模和实证研究表明，DNAPL源区域的演变和持久性主要受界面质量传递的控制，而不仅仅是生物降解速率[14]，[38]。这种传统监测方法的一个关键缺陷是可能将水中的浓度与总污染物质量分离。物理相转移过程（如吸附-解吸滞后或EPS介导的溶解）可能会误导性地模拟生物降解的动力学特征，而实际上并未实现真正的解毒，从而在污染物命运评估中形成了一个“黑箱”[17]，[2]，[32]。

生物修复策略通常关注像Dehalococcoides这样的专性厌氧菌，因为它们是唯一已知能够完全脱氯的生物[18]，[27]。然而，这些关键物种生长缓慢，并且极易受到DNAPL源区域特有的局部毒性和极端浓度梯度的影响[5]。这种生理脆弱性要求必须同时存在能够在动态污染源区域生存并调节恶劣微环境的“先锋”物种。研究表明，具有强效胞外聚合物（EPS）生产和生物膜形成能力的兼性厌氧菌可以通过增强表面活性剂的作用促进溶解（secB，TPM > 560）或通过物理隔离提供毒性屏蔽（lapA，TPM ~330）来显著改变界面质量传递。相反，数据表明饥饿状态会诱导代谢休眠和被动吸附。这种物理隔离作用作为污染物储存库，可能减少了挥发并降低了水中的生物可利用性。这些发现揭示了以水为中心的生物修复监测中的一个关键缺陷。Shewanella介导的隔离作用在污染源区域起到了“物理缓冲”的作用。将总质量核算与基因组监测相结合对于防止错误的修复评估至关重要。

引言

四氯乙烯（PCE）作为一种普遍的工业溶剂，由于历史上的不当处理，已成为土壤和地下水系统中的主要污染物[47]。由于其高毒性[44]和2A组致癌物的分类[25]，PCE容易形成密度大于水的致密非水相液体（DNAPLs）。这些DNAPLs成为长期污染源，给修复工作带来了巨大挑战。目前，通过有机卤化物呼吸（OHR）进行原位生物修复被认为是一种有前景的解毒策略[31]。然而，对原位修复效果的评估往往侧重于水中的浓度变化，忽视了DNAPL-水界面复杂的物理化学多相分配现象。最近的建模和实证研究表明，DNAPL源区域的演变和持久性主要受界面质量传递的控制，而不仅仅是生物降解速率[14]，[38]。这种传统监测方法的一个关键缺陷是可能将水中的浓度与总污染物质量分离。物理相转移过程（如吸附-解吸滞后或EPS介导的溶解）可能会误导性地模拟生物降解的动力学特征，而实际上并未实现真正的解毒，从而在污染物命运评估中形成了一个“黑箱”[17]，[2]，[32]。

生物修复策略通常关注像Dehalococcoides这样的专性厌氧菌，因为它们是唯一已知能够完全脱氯的生物[18]，[27]。然而，这些关键物种生长缓慢，并且极易受到DNAPL源区域特有的局部毒性和极端浓度梯度的影响[5]。这种生理脆弱性要求必须同时存在能够在动态污染源区域生存并调节恶劣微环境的“先锋”物种。研究表明，具有强效胞外聚合物（EPS）生产和生物膜形成能力的兼性厌氧菌可以通过增强表面活性剂的作用促进溶解，或者通过物理隔离提供毒性屏蔽[3]，[48]。

在这些先锋物种中，Shewanella属尤为突出。这些革兰氏阴性变形菌在厌氧沉积物中普遍存在，并以其卓越的环境适应性而闻名。虽然Shewanella的“化学降解”潜力受到了广泛关注[24]，但其作为“物理工程师”的生态作用相对较少被研究。Shewanella物种是已知的胞外聚合物（EPS）生产者，并具有复杂的表面附属结构，如鞭毛和菌毛[20]。从胶体化学的角度来看，这些生物特征理论上使它们能够通过生物吸附或生物乳化与疏水性污染物相互作用[1]，[41]，从而改变污染源区域的溶解动态。然而，在氯化溶剂修复的背景下，Shewanella物种的主导地位几乎总是通过电子转移竞争或潜在的脱氯作用来解释，而它们在污染物隔离中的物理贡献则鲜有研究。

本研究源于对一个从受污染地点富集的稳定PCE脱氯菌群（“t1”）的研究，该菌群能够有效将PCE脱氯为三氯乙烯（TCE）。对稳定PCE脱氯富集培养物（“t1”）的微生物多样性分析意外地发现Shewanella是优势种群（相对丰度为3.63%），超过了许多已知的脱氯菌（图S2）。基于“丰度-功能”假设，我们最初假设分离出的优势菌株Shewanella putrefaciens BS1是主要的脱氯菌。然而，严格的纯培养实验——包括共代谢（S1）和饥饿（S2）测试——并不支持这一假设。尽管观察到水中的PCE浓度迅速下降，但没有检测到脱氯产物。全基因组测序（WGS）确认了rdhA基因的完全缺失，这在明显的污染物去除与缺乏降解遗传潜力之间形成了矛盾。

为了解决水中的污染物去除与缺乏降解产物之间的矛盾，有必要将这种菌株的物理行为与更广泛菌群的代谢背景区分开来。因此，本研究采用了理想化的纯培养模型，并结合了严格的最终总质量平衡提取方法。这种综合方法从宏观上区分了真正的化学降解和多相物理隔离，消除了混合培养中存在的混淆变量。此外，通过整合全基因组测序（WGS）和转录组分析，本研究超越了生态假设，建立了明确的分子生理机制。我们旨在阐明特定的遗传调控（如EPS生物合成和运动因子）如何驱动生物乳化和生物吸附之间的代谢状态依赖性切换，以隔离PCE。至关重要的是，最终质量平衡分析与相转移原理相结合表明，这种双重机制——特别是活跃的生物乳化作用——显著降低了PCE的热力学活性。通过抑制污染物的挥发性和改变标准气液分配，细胞保留了大量的污染物（比非生物对照组高出2倍以上），同时迅速降低了水中的浓度，产生了类似于生物降解动力学的误导性信号。这项工作旨在重新定义非脱氯优势物种的生态位，将其定义为“物理化学相转移调节器”。此外，我们强调了将总质量核算整合到环境工程实践中的必要性，以防止错误的评估并确保长期的修复稳定性。

章节摘录

地点描述和菌株分离

2024年5月6日，在中国江苏省常州市的一个制药和化工工业园区内，从受氯化烷烃污染的深层土壤（约10–15米）中采集了土壤样本。采样是在严格的无菌条件下使用Geoprobe DT6620钻机进行的。样本立即用冰运输到实验室。采样地点的地球化学特征表明该环境为厌氧至微需氧环境。

虽然系统发育分析确认该分离株为Shewanella putrefaciens，这是一种在地下环境中具有多种代谢能力的物种[15]，[20]，但我们的动力学数据揭示了一种误导性的“伪修复”现象。如图1B所示，所有组中的水中的PCE浓度都表现出典型的“先上升后下降”的动力学特征。虽然纯PCE DNAPL滴液的理论总质量输入非常高（约162 mg/L），但观察到的最大水中的

本研究对Shewanella putrefaciens BS1进行了表征，以阐明其在四氯乙烯（PCE）脱氯菌群中的作用。与常见的代谢脱氯假设相反，BS1可以通过物理隔离而不是化学降解来诱导“伪修复”。这种机制依赖于代谢状态：在活跃生长期间发生糖基转移酶介导的生物乳化，而在饥饿状态下则主要由菌毛/鞭毛驱动的生物吸附主导。基因组分析证实了

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傅金涛：撰写——审稿与编辑、验证、数据管理。邢恩璐：撰写——审稿与编辑、研究、形式分析。赵阳：撰写——初稿、可视化、软件应用、方法学、研究、形式分析、数据管理、概念化。傅荣兵：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念化。张峰：撰写——审稿与编辑、资源管理、研究。李中原：撰写——

在准备本工作时，作者使用了Gemini（Google）工具来提高手稿的语言表达和可读性。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审稿和编辑，并对发表文章的内容负全责。

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2023YFC3707704，编号2023YFC3707700）的支持。