海洋石油污染引起了有关水体和沉积物环境中一系列生态安全问题。以微生物为基础的修复技术作为一种绿色环保的解决方案，常用于海洋溢油污染修复。目前，大量研究已揭示了修复中微生物的石油降解效率、多样性变化、群落和功能特征。进一步地，还有学者揭示了不同类群微生物，即细菌通才和专才，对不同石油组分的代谢特征，为两者对石油污染修复中的贡献提供了重要认识。尽管如此，关于它们在修复系统中的其他功能和它们各自承担的主要任务是什么仍尚未可知。近年来，深海石油污染日益引起了全球范围内的关注。鉴于目前原位修复仍然非常困难，因此室内构建深海环境进行相关模拟修复仍具有重要意义。综上，本研究基于实验室前期工作，在实施不同生物修复方案（由不同的生物刺激和生物强化组成）的深海油污沉积物（沙质和泥质）修复系统中，调查细菌通才和细菌专才的群落结构、系统发育多样性、群落组装、进化特征（物种生成率、物种灭绝率和转化率）、功能特征。研究结果将提高对修复系统中细菌专才和通才生态贡献和互作模式的认识，并为深海石油污染生物修复方案的评估、优化与设计提供重要指导。
研究结果：
沙质和泥质沉积物修复系统中的微生物群落变化
图1：(A, B, G, H) 宏微生物群落和核心属变化。(D, E, J, K) 通才和专才核心属的韦恩图分析。(C, F, I, L) 通才和专才核心属的Lefse分析。
图2：(A, B) 细菌通才和专才在不同修复系统中的多样性指数。(C, D, E, F) 通才和专才群落矩阵距离指数与宏群落矩阵距离指数的相关性。(G, H, I, J) 通才和专才的最近分类单元指数与最近种间平均进化距离。
在沙质和泥质修复系统中共分别获得164和285种细菌通才，489和756种细菌专才。尽管细菌专才呈现更高的表型，但它们在各个修复系统中的整体群落多样性却低于细菌通才（图A和图B），且生态位宽度较低。群落矩阵距离相关性分析也再次表明，不同的修复方案对细菌专才的群落影响要大于通才（图C-图F）。群落组装也表明，专才的组装机制主要受确定性过程影响，而通才则受随机性过程影响。此外，通过NTI值和MNTD值分析发现，相比细菌通才，专才拥有更高的系统发育多样性（图G-图J），但其群落迁移率却显著低于通才，表明更强的扩散限制作用于专才群落。
宏共生网络与专才、通才共生网络分析
图3：(A-D) 不同修复系统中的宏微生物共现网络及网络拓扑参数。(E, F) 不同修复系统中细菌通才和专才的子网络图及网络拓扑参数。
在宏网络中，相比自然修复，砂质和泥质沉积物中的微生物群落均可通过人为干预进行修复后获得更好稳定性(图3A-D)。进一步分析，发现细菌专才相比通才占据了大量重要节点 (图3A和B)，说明前者在网络内处于中心地位。厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)和脱硫菌门(Desulfobacterota)是关键类群节点(图3C和图3D)。此外，在子网络中，通才内的种间对抗关系要多于专才 (图3E和图3F)。尽管专才与通才的网络结构的模块化程度相当(P > 0.05)，但专才群落的复杂性显著高于通才(P < 0.001)，且鲁棒性显著优于通才(P < 0.001)。这些结果表明，修复过程中，细菌专才在维护系统稳定性方面起着更为重要的作用。
细菌通才和细菌专才的进化特征
图4：(A)二元物种形成和灭绝模型揭示通才和专才进化关系的示意图。(B) 不同生物修复系统中细菌通才和细菌专才的物种形成速率、物种灭亡速率和转换速率。
在任一修复系统中，我们发现细菌专才的物种形成速率要远高于通才 (P < 0.001)，且物种灭绝速率要远低于通才 (P < 0.001)。此外，细菌专才向通才转换的速率也远高于通才向专才转换的速率 (P < 0.001)。进一步地，分析多样化潜力指数和环境过滤潜力指数后发现，细菌通才和专才的多样化潜力都超越了环境过滤力，与微生物整体多样性上升得到了互证。但需要说明的是，通才多样化潜力的增强可能来源于专才的不断转化。
细菌通才与细菌专才群落间差异代谢通路
图5：(A, B) 利用火山图比较通才和专才间的差异通路。(C, D) 热图揭示了通才和专才差异通路的丰度变化。
图6：(A, B) 通才核心种类丰度与石油代谢通路、细胞移动性通路丰度相关性分析。(C, D)专才核心种类与表活分泌、生物膜形成通路丰度的相关性分析。
经分析，发现差异通路主要与石油代谢相关。细菌通才拥有更高丰度的石油组分代谢通路（P < 0.001)，而细菌专才则拥有更高丰度的生物膜合成及表活分泌相关的通路（P < 0.01）。此外，专才群落表现出更差的细胞移动性（P < 0.001)，这也与我们前面的研究结果互相印证，即更强的群落扩散限制作用于专才种类。进一步地，通过皮尔森相关性分析发现，一些通才微生物丰度与多种石油代谢通路丰度高度整正相关，例如Pseudomonas丰度与二甲苯、甲苯和萘降解通路丰度显著正相关。一些专才微生物的丰度，如Marinifilum等与多条膜形成、表活分泌的通路丰度呈显著正相关。
结论：
本研究全面调查了典型深海条件下油污沉积物修复系统中细菌专才与通才的生态与进化特征。结果表明，专才拥有更高的群落稳定性、良好的多样性分化潜力及持续进化成为新通才的能力。此外, 通才是主要的石油降解者，而专才则是重要的辅助者，其主要通过生产生物表面活性剂和形成生物膜对石油进行辅助降解。本研究揭示了细菌专才在促进深海油污修复中的重要贡献，为过程中专才和通才的相互作用提供了重要认识，并为生物修复方案的优化设计提供有价值的指导。
第一作者简介
乔延路: 山东科技大学副教授，硕士生导师。长期致力于发掘海洋原核及真核微生物资源，应用于生态灾害控制与环境修复。研究涉及海洋水体及沉积物中有机污染物降解及控制、海洋有害藻华预警预测及防治防控。在国内外相关领域的高水平期刊Bioresource Technology、Journal of Hazardous Materials、Science of The Total Environment等国际著名期刊上以第一/通讯作者发表多篇SCI论文。主持及参与多项国家级及省部级项目；获省部级奖励4项，厅局级及校级奖励4项。
通讯作者简介
刘宇洋: 山东科技大学副教授。主要从事海洋环境生态保护研究。结合分子生物学、生物信息学及传统生物学技术等，长期致力于海洋有害藻华的预警预测及防治防控研究、海洋水体及沉积物中有机污染物降解及控制研究。在国内外相关领域的高水平期刊Bioresource Technology、Harmful Algae、Environmental Technology & Innovation等国际著名期刊上以第一/通讯作者发表多篇SCI论文。主持及参与多项国家级及省部级项目。
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852424012021?via%3Dihub
