通过适应铜环境的需氧甲烷氧化菌在土壤中进行重金属生物修复：效果与机制

《Bioresource Technology》：Heavy metal bioremediation in soil by copper-acclimated aerobic methanotrophs: performance and mechanisms

　　精准生物修复：铜预适应甲烷氧化菌在多金属污染土壤中的协同机制研究

　　

王杰|徐启勇|吴江|白欣月|黄丹丹

中山大学深圳校区，中国深圳市光明区公场路66号，518107

摘要

适应铜（Cu）环境的好氧甲烷氧化菌（MOB）通过工程化微生物组在修复重金属（HM）污染的土壤方面具有潜力。然而，它们在多金属环境中的表现及其作用机制以及生物炭的作用仍不清楚。本文从三种土壤基质中富集了不同的适应铜的MOB菌群。随后，将分别在低（L）、中（M）和高（H）Cu²⁺条件下培养的代表性菌群接种到添加了铜和锌（Zn）的土壤中。结果表明，接种物的Cu预处理决定了修复效果，其影响超过了重金属梯度和生物炭的作用。L/M条件下的菌群主要通过胞外聚合物固定重金属，而H条件下的菌群则通过代谢重编程实现了高效解毒。较高的金属压力促使微生物在铜和锌的解毒之间进行了生理权衡。值得注意的是，生物炭对MOB菌群产生了特定影响，有时会促进金属的迁移，有时则会固定金属。本研究建立了一种通过铜适应性和生物炭改良来精准修复土壤的策略。

引言

由于微生物生物修复重金属（HM）污染的成本效益和环境可持续性，这一方法受到了越来越多的关注（Hou等人，2020年；Ren等人，2025年）。好氧甲烷氧化菌（MOB）广泛存在于各种生态系统中，包括已知的重金属储存库（如稻田土壤、湿地和垃圾填埋场），即使在环境浓度下也能维持甲烷（CH₄）的氧化活性（Cai等人，2016年；Grégoire等人，2023年）。MOB对多种重金属（如铜（Cu）、锌（Zn）、铅、镍和铬）的异常耐受性已有充分记录（Mohanty等人，2000年；Mao等人，2015年；Walkiewicz等人，2016年；Karthikeyan等人，2021年）。这些发现表明，MOB是修复受重金属污染土壤的一种有前景的策略。

MOB通过多种机制来解毒重金属并影响其环境命运。例如，MOB通过产生甲烷杆菌素（一种螯合铜的肽）来适应铜限制的环境，从而主动吸收铜；或者利用孔蛋白介导的被动运输（Kenney等人，2018年；Karthikeyan等人，2021年）。尽管亲和力较低，这种铜吸收系统也能结合并转化其他有毒金属（DiSpirito等人，2016年）。然而，当MOB暴露于过高的重金属压力下时，它们更倾向于分泌溶解有机碳（DOC）和胞外聚合物（EPS），通过吸附、络合等方式固定重金属（Flemming等人，2025年）。此外，它们的细胞壁成分还可以通过离子交换、氧化还原转化和生物矿化作用固定重金属（Sud等人，2008年）。此外，MOB还能促进甲烷（CH₄）氧化与有毒重金属还原之间的耦合，将其转化为生物可利用性较低的形式（Lai等人，2016年；Shi等人，2021年）。尽管MOB具有这些适应策略和已证明的修复潜力，但其应用仍主要局限于纯培养物（Al Hasin等人，2010年）或生物膜反应器（Lai等人，2016年；Shi等人，2021年），在土壤系统中的应用仍然有限（Wu等人，2024年）。

为了提高MOB在土壤系统中的修复能力，可以采用两种成熟的策略：人工微生物组装和土壤改良。富集的MOB菌株已被广泛用于改善工程化土壤系统中的甲烷（CH₄）和共污染物的去除（La等人，2018年）。研究表明，调节硝酸盐矿物盐（NMS）培养基中的Cu²⁺浓度可以显著影响MOB的培养结果，这表明适应铜的MOB菌群在受污染土壤中可能表现出不同的金属转化能力（van der Ha等人，2013年）。然而，MOB的响应还受到共存重金属及其浓度的调控，这些因素会深刻影响MOB的多样性、微生物群落结构和整体修复效率（Mao等人，2015年；Xing等人，2018年）。需要进一步的研究来阐明适应铜的MOB菌群对不同重金属污染水平的响应，从而识别出更适合目标重金属修复的菌群。除了微生物工程外，生物炭改良也被证明是一种协同策略，可以优化土壤生物修复效果。它通过改善土壤栖息地和修改微生物网络结构来增强MOB的代谢活性（Huang等人，2025年）。生物炭还能减轻重金属离子的生物毒性，从而维持MOB的功能（Wu等人，2024年）。然而，生物炭辅助的重金属修复效果取决于接种的MOB菌群以及土壤中重金属离子的具体类型和浓度，这突显了进一步阐明其作用机制的必要性。

简而言之，可以通过调节铜含量来定制MOB菌群，它们在解毒重金属方面的表现预计会因重金属组合、浓度和生物炭的存在而有所不同。系统评估适应铜的MOB菌群的修复效率和响应机制（这一领域仍缺乏研究）对于实现精准土壤修复至关重要。为此，我们从三种不同铜浓度的土壤基质中富集了不同的MOB菌群。在表征了这些菌群的群落组成和甲烷（CH₄）氧化潜力后，将选定的菌群接种到受铜污染的土壤中，并进行了后续的锌添加和生物炭改良处理。我们的目标是评估适应铜的MOB菌群在修复重金属方面的效率，阐明涉及的微生物机制，并确定控制重金属命运的关键生物炭相互作用。

部分摘录

土壤和生物炭

本研究使用了三种不同的土壤作为MOB接种剂，包括垃圾填埋场覆盖土（LCS）、LCS与稻田土（PS）按1:1（重量比）混合得到的LPS，以及LCS、PS和河湿地土（RWS）按1:1:1（重量比）混合得到的LPWS。这些土壤均来自中国深圳的不同代表性生态系统。在每个采样点，收集了6个空间分布均匀的地下样本（深度5–15厘米），并混合后作为接种剂使用

富集MOB和培养土壤的群落组成

大多数MOB表达具有铜活性位点的颗粒状MMO（pMMO），而含有非血红素二铁活性位点的可溶性MMO（sMMO）仅限于特定菌株（Semrau等人，2018年）。Cu²⁺与生物量的比例作为关键辅因子，调节MMO的表达（称为“铜开关”），进而影响群落结构和MOB的活性（Semrau等人，2018年；Guerrero-Cruz等人，2021年）。

如图1a所示，NMS中较高的Cu²⁺水平增强了甲烷氧化活性

结论

研究结果表明，利用适应Cu²⁺的MOB菌群进行土壤重金属生物修复是可行的，并阐明了它们的独特适应机制。L和M处理过的土壤主要依赖于EPS介导的金属固定，而H处理过的菌群则发展出了复杂的代谢反应路径，能够更有效地解毒和钝化铜/锌。较高的重金属压力也促进了资源的重新分配，但这种策略有一定的代价

CRediT作者贡献声明

王杰：撰写——初稿，研究，数据管理。徐启勇：撰写——审阅与编辑，资源提供。吴江：方法学设计。白欣月：验证。黄丹丹：撰写——审阅与编辑，监督，概念构思。

利益冲突声明

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的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42307476）和广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2023A1515011540和2022A1515110368）的支持。