以下文章来源于Ad植物微生物 ，作者肥橙
国际学术期刊Environmental Pollution发表了浙江大学吕镇梅团队2022年的最新成果，题为Microbial interactions enhanced environmental fitness and expanded ecological niches under dibutyl phthalate and cadmium co-contamination的研究论文。
摘要
邻苯二甲酸二丁酯（DBP）是一种典型的土壤污染物，在自然界中常与镉(Cd)共存。然而，很少有人关注DBP和Cd复合污染对微生物群落的影响或微生物的反应。本文的研究目的是在DBP-Cd复合污染条件下、外源DBP降解细菌谷氨酸盐杆菌ZM05对微生物群落的影响和土著微生物之间的相互作用。复合污染下微生物群落的稳定性下降，表现为较低的多样性、较简单的网络和较少的生态位。基于共现网络预测和共培养实验，证明了非DBP降解细菌耐金属贪铜菌ZM16和ZM05之间的代谢相互作用。菌株ZM16利用DBP下游代谢产物原儿茶酸解除酸抑制，并吸附Cd缓解毒性胁迫。这些发现有助于解释细菌群落对DBP-Cd复合污染的响应，并为构建用于生物修复的降解菌群提供了新的见解。
引言
微生物相互作用在共污染的生物修复中起着重要作用。此外，微生物相互作用主导着微生物群落之间的保险效应和互补效应，通过增强环境适应度和扩大生态位，稳定了土壤环境中的微生物组功能。共污染是生态环境中普遍存在的问题。构建具有复杂性和稳定性的降解菌群将使不稳定环境下的生物降解更加有效。由于保险效应和互补效应，微生物相互作用对微生物在环境扰动下的生存起着至关重要的作用。然而，目前尚不清楚的是降解细菌如何有效地在环境修复中发挥作用，以及PAEs和Cd作为环境应激源的共污染如何影响降解细菌和土著细菌群落之间的相互作用。
通过供试DBP、Cd和外源DBP降解菌烟草谷氨杆菌ZM05进行微观实验。本研究的目的是:1)研究细菌和真菌群落对DBP-Cd共污染的响应;2)探索共污染对微生物群落代谢途径和基因响应的影响，特别关注DBP降解菌;3)揭示微生物间相互作用的方式和过程，分离出潜在的烟草谷氨杆菌ZM05合作菌株。
结果
一、外源降解菌驱动DBP降解
为了增强DBP对微生物群落的刺激作用，每9天在T3和T4处理中添加2000 mg/kg DBP。直到第24天，在T3和T4处理之间观察到显著差异。T4处理组的残留DBP浓度显著低于T3处理组。表明镉的添加加速了DBP的生物降解(图1a)。在12天之后，T2处理的有效Cd浓度显著低于T4处理(图1b)。这一结果表明，2000 mg/kg DBP有利于维持镉的有效性。
菌株ZM05在T4处理中的相对丰度显著高于T1、T2和T3处理中的相对丰度，并且菌株ZM05在T1处理中的相对丰度随时间显著降低 (图1c)，表明DBP和Cd污染都可能导致菌株ZM05的更高适应度。
二、DBP和Cd改变了微生物群落的组成和结构
镉污染和DBP污染均降低了微生物多样性，而复合污染微生物降低效果更显著(图2a)。此外，NMDS揭示，四个处理之间细菌群落明显分离(图2b)。根据分离程度，作为一种有机污染物，高浓度DBP对细菌群落结构的影响大于Cd。
DBP的加入对群落组成有很大影响。与T1相比，T2处理中溶杆菌属、固氮菌属和土单胞菌属的相对丰度显著提高。新鞘脂属、假单胞菌属和鞘氨醇菌属在DBP添加后迅速增加，成为优势属。
α多样性分析显示，真菌多样性随着暴露于DBP或Cd的污染而降低(图3a)。β多样性分析显示T3和T4处理之间的真菌群落没有显著差异(p > 0.05)(图3b)。相对丰度大于1%的真菌属如图3c所示。大多数真菌属的相对丰度在4个处理间无显著差异。总之，这些发现表明DBP和Cd改变了微生物群落的结构和组成，并表明污染对细菌群落的影响比真菌群落大得多。
三、DBP和Cd形成的微生物共生网络
DBP和Cd污染都减少了网络节点的数量，而混合污染加剧了这一现象。T3处理(被DBP污染)的网络比其他处理包含更多的链接和更高的平均加权度(avgK)。类似地，T3处理中减少的平均路径距离(GD)和增加的平均聚类系数(avgCC)进一步证明了DBP污染下微生物相关性的增加。所有四个网络都包含高比例的正相互作用(图4)，这意味着微生物在适应处理过程中可能会形成更多的正相关性。
四、混合污染改变了微生物群落的功能
与DBP降解相关的基因在T3和T4处理中高度表达，但在T2几乎不存在（图5 b-d）。与Cd胁迫抗性相关的基因在T3和T4处理中高度表达(图5e)，镉胁迫抗性基因簇cad仅在T4处理中高表达。另外，与微生物通讯相关的途径，如ABC转运蛋白、群体感应和双组分系统，在T4处理中高度表达，表明微生物之间的通讯在共污染下增强。T4处理中不同环境、代谢途径和碳代谢的微生物代谢上调与共污染下DBP的快速降解一致。
五、合作者ZM16在Cd胁迫下增强了菌株ZM05的DBP降解能力
在Cd胁迫下与菌株ZM16共培养时，DBP的降解性能明显恢复（图6a和b）。这证明利用网络分析定向分离合作细菌以构建协同功能菌群的可行性。我们推测，当与ZM16共培养时，菌株ZM05的降解能力的恢复可能是由于交叉喂养的原因。pH值之间的明显差异表明，菌株ZM16可能利用下游的酸性代谢物（图6c）。通过代谢物利用实验，发现菌株ZM16以原儿茶酸（PCA）为唯一碳源生长（图6d），但缺乏利用其他代谢中间产物的能力。菌株ZM16对下游代谢产物的更快消耗和酸抑制的解除可能是DBP降解加速的主要原因。同时，菌株ZM16可以通过降低共培养物中Cd(II)的浓度来缓解Cd对菌株ZM05的胁迫(图6a)。此外，包含71种不同碳源的生物微孔板分析证实了ZM05和ZM16之间的相互作用扩展了细菌的代谢生态位。
讨论
1、微生物间的相互作用增强了降解细菌的环境适应性
在复合污染条件下，菌株ZM05与其他细菌建立了协同关系，这使得菌株ZM05在混合污染处理中具有更高的适应性。这可能是由于微生物之间的相互作用，减少了代谢负担，提高了细胞适应性。
2、共污染改变了微生物之间的相互作用
共污染对微生物之间的关系产生有害影响，从而降低生态群落的稳定性。值得注意的是，在混合污染下，菌株ZM05与其他细菌呈正相关，这进一步表明有效的生物降解者发展更多的合作以在不利环境中生存。
3、微生物合作提高了生物修复的效率，扩大了生态位
在本研究中，菌株ZM05和菌株ZM16之间的合作不仅提高了降解效率，而且扩大了细菌的生态位，这被更广泛的碳源利用所证明。合作的交叉饲养相互作用将节省生产成本，并有助于提高适合度。
前人研究证明微生物内部的合作可以扩大可用底物的范围。在本研究中，菌株ZM05和菌株ZM16的合作不仅提高了降解效率，而且扩大了细菌的生态位，这在更广泛的碳源利用中得到了证明。两种细菌之间代谢功能的共享将显著扩大每个菌株的生化和生理能力范围。因此，合成联合体可以利用新的生态位，这些生态位是个体伙伴在进入共养互动之前无法获得的。
本研究的发现有助于理解微生物群落如何受到环境共污染的影响，并有助于在生物修复中利用微生物组的功能。
转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号
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