一氧化碳（CO）是大氣的組成成分之一，原始大氣中高濃度的CO作為早期生命活動(dòng)的重要電子供體之一，促進(jìn)了生命的演化。CO在現(xiàn)代環(huán)境中的濃度較低，之前的研究普遍認(rèn)為CO對(duì)微生物的生長具有一定的毒性作用，然而通過宏基因組學(xué)分析以及熱力學(xué)模型分析，研究者發(fā)現(xiàn)土壤中高達(dá)56%的微生物具有CO的代謝能力，微生物對(duì)“痕量有毒”氣體CO的利用極其普遍。
氯代有機(jī)物在全球范圍內(nèi)的廣泛使用以及不當(dāng)排放造成了地下環(huán)境的污染，對(duì)地下生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成了極大的威脅，其中，氯代乙烯類污染物較為普遍，被多個(gè)國家和地區(qū)列入“優(yōu)先控制污染物”清單中。脫鹵擬球菌（Dehalococcoides）在氯乙烯類污染物的徹底無毒化中起到了非常關(guān)鍵的作用，但是脫鹵擬球菌是一種只能利用氫氣作為電子供體的專性有機(jī)鹵呼吸細(xì)菌，利用其他電子供體進(jìn)行還原脫氯的研究目前尚少。
中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所污染環(huán)境微生物生態(tài)組多年來在鹵代烴還原脫鹵，有機(jī)鹵呼吸細(xì)菌富集與分離、生理生化鑒定以及微生物功能多樣性方面持續(xù)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。團(tuán)隊(duì)成員通過研究CO和三氯乙烯為底物的富集培養(yǎng)體系發(fā)現(xiàn)，基于河流底泥的富集培養(yǎng)物可以CO為唯一的碳源以及電子供體將三氯乙烯還原為乙烯（圖1）。該富集培養(yǎng)物微生物種群中的有機(jī)鹵呼吸細(xì)菌——脫鹵擬球菌的相對(duì)豐度最高可達(dá)到39.3%，是驅(qū)動(dòng)三氯乙烯還原脫氯的主要菌株，我們將其命名為脫鹵擬球菌CO菌株（圖2）；進(jìn)一步的qPCR分析顯示，脫鹵擬球菌能夠通過還原脫氯三氯乙烯獲得能量進(jìn)行生長，CO的氧化過程中伴隨著氫氣的生成，CO的氧化終產(chǎn)物為乙酸，乙酸和氫氣支持了脫鹵擬球菌對(duì)三氯乙烯的還原脫氯（圖3）。
圖1 CO作為唯一的碳源和電子供體支持三氯乙烯的還原脫氯
圖2 CO支持三氯乙烯還原脫氯富集培養(yǎng)物的群落結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)發(fā)育樹
圖3三氯乙烯的還原脫氯耦合脫鹵擬球菌的生長以及氫氣和乙酸的生成
圖4 CO支持三氯乙烯還原脫氯富集培養(yǎng)體系中的互作關(guān)系
宏基因組學(xué)分析表明，脫鹵擬球菌的還原脫鹵酶VcrA和TceA可能驅(qū)動(dòng)了三氯乙烯的還原脫氯，具有CO脫氫酶的多種微生物可能參與了CO的氧化產(chǎn)氫，具有完整厭氧乙酰輔酶A途徑的醋酸桿菌（Acetobacterium）驅(qū)動(dòng)了系統(tǒng)的產(chǎn)乙酸，氫氣和乙酸通過種間傳遞支持了脫鹵擬球菌的生長（圖4）。本研究的發(fā)現(xiàn)拓展了脫鹵擬球菌生長條件的多樣性，也為理解微生物種間互作提供新的認(rèn)知。
該成果以“CO?driven electron and carbon flux fuels synergistic microbial reductive dechlorination”為題在2024年8月20日發(fā)表在Microbiome期刊。沈陽生態(tài)所助理研究員王晶晶為論文第一作者，楊毅研究員為通訊作者。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFE0122000）、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目（ZDBS-LY-DQC038)、遼寧省自然科學(xué)基金（2021-MS-026）、北京石油化工學(xué)院致遠(yuǎn)基金（2023004）、中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所重大計(jì)劃（IAEMP202201）等項(xiàng)目的支持。
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