论文基本信息
- 英文标题：Ecologically Informed Design of Synthetic Microbial Community Enables Robust Degradation and Engraftment for Antibiotic Removal in Wastewater
- 中文标题：生态导向设计合成微生物群落实现污水中抗生素高效降解与稳定定殖
- 通讯作者：王瑾丰、任鑫坤（南京大学）
- 发表期刊：Environmental Science & Technology
- 发表时间：2026 年 3 月19日
Highlights
- 构建功能 - 生态一体化合成微生物群落（SynComs）设计框架，突破传统仅关注降解功能的局限。
- 基于基因组尺度代谢模型（GSMMs）筛选出SynCom5 与 SynCom11，72 小时内磺胺甲恶唑（SMX）去除率超 90%。
- 合成菌群在活性污泥中成功定殖，7 天 SMX 去除率达 91.3%，显著优于传统工艺，且降低抗生素抗性风险。
背景介绍
新型污染物（如抗生素）在污水中持续排放，常规生物处理因缺乏专属降解菌，难以有效去除磺胺甲恶唑（SMX）这类难降解物质，导致其随出水排放威胁生态与人体健康。微生物组工程通过投加降解菌强化修复成为主流方向，但现有合成微生物群落设计过度聚焦降解功能，忽略菌群生态兼容性，导致外源菌在复杂活性污泥系统中难以定殖、功能快速丧失。群落生态学理论显示，群体感应、关键类群互作是外源菌群定殖的核心要素，而这类生态特性在降解菌群设计中尚未被充分利用。本研究以 SMX 为模式污染物，整合宏基因组筛选、群体感应鉴定、基因组尺度代谢模拟三大技术，建立降解功能 + 生态适配双驱动的合成菌群设计体系，旨在构建能高效降解 SMX 且可在活性污泥中稳定定殖的合成微生物群落，为污水新型污染物生物强化提供可复制的技术方案。
结果与讨论
图 1 研究整体框架与技术流程
本研究搭建了覆盖全球活性污泥宏基因组的数据源，整合宏基因组功能鉴定、生态特性筛选、代谢模拟优化与实验验证的全流程技术体系，先从全球样本中挖掘兼具 SMX 降解、群体感应与网络关键节点特性的菌株，再通过代谢模型预测最优菌群组合，最终在纯培养与活性污泥体系中验证功能，确保设计的合成菌群同时具备降解能力与生态适配性。
图 2 SMX 降解通路与功能菌鉴定
SMX 的完整降解分为两步，第一步由 SadA、SadB、SadC 酶催化断裂 S-N 键生成中间产物 THB，第二步由特定酶将 THB 转化为无毒中间产物；研究构建 SadABC 基因参考数据库，通过隐马尔可夫模型与优化的 BLASTp 参数，从宏基因组中精准鉴定出执行两步降解的功能菌株，明确了 SMX 降解的核心功能基因与微生物类群，为后续菌株筛选奠定分子基础。
图 3 BLASTp 比对参数优化
为提升功能基因鉴定的准确性，研究系统优化序列比对的同源性阈值与 E 值，结果显示 50% 同源性、1×10⁻¹⁵ E 值的组合可实现精度与灵敏度的平衡，F1 分数达 0.78、马修斯相关系数达 0.72，该参数确保了复杂宏基因组中 SMX 降解基因鉴定的可靠性，避免假阳性与假阴性干扰后续菌株筛选。
图 4 降解菌基因组稳定性与群体感应特性
sadABC 基因簇在放线菌门与假单胞菌门中主要以垂直转移方式遗传，功能基因组稳定性高，保障降解能力稳定遗传；具备群体感应（QS）的降解菌在群落中结构关键性更高、生态位更窄，这类菌株更易在复杂群落中稳定存在，因此将群体感应特性作为核心筛选指标，可提升合成菌群的生态适配性。
图 5 合成菌群候选菌株筛选与代谢互作
基于 SMX 降解能力、群体感应、网络关键类群三大指标交叉筛选，最终获得 5 株候选菌株，菌株间形成以氨基酸为核心的紧密代谢互作网络，无机离子、碳水化合物等物质双向交换，构建起高度协同的代谢依赖关系，为合成菌群的功能稳定提供了生态基础。
图 6 代谢模拟优化最优降解合成菌群
利用基因组尺度代谢模型模拟 15 种菌群组合的 SMX 摄取通量，SynCom5（3 株菌）与 SynCom11（4 株菌）通量最高，分别达 30.7、31.7 mmol gDW⁻¹ h⁻¹；两类菌群的代谢互作潜力 / 资源重叠度（MIP/MRO）比值与降解效率呈显著正相关，高协同、低竞争的代谢模式是其高效降解的核心机制。
图 7 合成菌群降解功能与定殖能力实验验证
单菌验证显示，3 株初级降解菌可高效降解 SMX 并生成 THB，1 株次级降解菌可完全降解 THB；纯培养中 SynCom5 与 SynCom11 在 72 小时内 SMX 去除率均超 90%；将 SynCom11 投加至活性污泥，7 天 SMX 去除率达 91.3%，远高于对照组的 25.8%，且其中 2 株菌株成功定殖，同时提升了群落多样性与功能通路丰度。
总结
本研究创新性融合降解功能与生态特性，建立了全球首个针对污水抗生素的功能 - 生态一体化合成微生物群落设计框架，解决了传统外源降解菌难以定殖的行业痛点。实验设计上，以宏基因组学、代谢模拟与湿实验验证闭环优化，精准筛选出高效降解菌群；技术方法上，将基因组尺度代谢模型、群体感应筛选、关键类群鉴定结合，实现合成菌群的理性设计；机制层面，揭示了MIP/MRO 比值可预测菌群降解性能，明确氨基酸交叉互作是菌群协同核心；应用价值上，合成菌群在实际活性污泥中高效定殖且降解效果显著，无需高浓度筛选压力，降低抗生素抗性基因扩散风险，可推广至四环素、双酚 A 等多种新型污染物的污水生物处理，为污水深度净化提供绿色可持续的新方案。
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