土壤中有機(jī)復(fù)合污染物微生物組轉(zhuǎn)化機(jī)制與調(diào)控原理：進(jìn)展與展望*

滕 應(yīng)，王笑咪，韓玉娟，任文杰，趙 玲，駱永明

（中國科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008）

土壤有機(jī)復(fù)合污染是亟需解決的重要環(huán)境問題之一[1-2]。生物修復(fù)是解決有機(jī)復(fù)合污染土壤的一種綠色、高效、低成本的修復(fù)方法，具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。土壤微生物具有豐富的功能多樣性，不僅是元素生物地球化學(xué)循環(huán)過程的引擎，而且是土壤污染物消納的凈化器和核心資源[5]。近年來，在Nature、Science等期刊上已發(fā)表多篇論文，從全球和局域尺度研究土壤微生物對(duì)陸地生物地球化學(xué)循環(huán)過程的驅(qū)動(dòng)機(jī)制[6-7]、污染土壤中微生物資源分布模式及功能多樣性[8-9]，闡明土壤微生物對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)元素周轉(zhuǎn)、污染物轉(zhuǎn)化過程中的貢獻(xiàn)。在實(shí)際污染土壤中，有機(jī)復(fù)合污染物降解由微生物菌群（微生物組）介導(dǎo)，通過群落個(gè)體間代謝互補(bǔ)性、互養(yǎng)作用完成污染物的去除[10-11]。因此，基于微生物組的原位修復(fù)已成為國際土壤污染與生物修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與趨勢(shì)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

近年來，污染土壤微生物修復(fù)研究關(guān)注焦點(diǎn)逐漸從微生物個(gè)體向微生物群體、從單一微生物種群向跨物種互作、從宏基因組學(xué)向宏表型組學(xué)、從單一污染物轉(zhuǎn)化過程向交叉互補(bǔ)與協(xié)同污染物轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)過渡，從而多維度揭示微生物組協(xié)同修復(fù)污染土壤的作用機(jī)制[12-13]。目前，在土壤單一有機(jī)污染物微生物組降解方面研究已日益深入[11-14]，而有機(jī)復(fù)合污染土壤中微生物組對(duì)復(fù)合污染物的響應(yīng)和演替規(guī)律、共代謝過程和代謝機(jī)制、修復(fù)型合成微生物組構(gòu)建及原位耦合強(qiáng)化修復(fù)機(jī)制等基礎(chǔ)理論和方法學(xué)探索也逐漸成為國內(nèi)外研究前沿和熱點(diǎn)。

1.1 有機(jī)復(fù)合污染土壤微生物群落生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與適應(yīng)機(jī)制

解析有機(jī)復(fù)合污染土壤微生物群落的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與適應(yīng)機(jī)制是微生物組修復(fù)的基礎(chǔ)。土壤中有機(jī)污染物的去除是一個(gè)長期且復(fù)雜的過程。土壤微生物類群多樣，適應(yīng)有害環(huán)境的微生物會(huì)自然富集，并降解有機(jī)污染物。國內(nèi)外已針對(duì)單一有機(jī)污染物對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響展開了廣泛的研究。如在多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯等有機(jī)污染物脅迫下，土壤微生物群落組裝、演替規(guī)律、響應(yīng)過程及生理代謝會(huì)受到顯著影響，進(jìn)而降低土壤微生態(tài)體系的穩(wěn)定性和功能性[15-17]。然而，在實(shí)際污染土壤中，復(fù)合污染物在多介質(zhì)界面間存在復(fù)雜的相互作用，使得對(duì)土壤微生物組結(jié)構(gòu)、功能及互作生態(tài)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生更為復(fù)雜的協(xié)同影響效應(yīng)[18]。自2005年，國內(nèi)期刊發(fā)表研究論文，研究者采用稀釋平板培養(yǎng)法、變性梯度凝膠電泳（DGGE）、磷脂脂肪酸（PLFA）分析等方法，發(fā)現(xiàn)多氯聯(lián)苯復(fù)合污染、重金屬復(fù)合污染顯著改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及遺傳多樣性[19-20]。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，研究者能夠更精細(xì)地刻畫復(fù)合污染狀態(tài)下微生物群落組裝和演替特性，以解析微生物在共代謝污染物過程中的功能[21]。

土壤微生物組的活性和功能不僅受到時(shí)空和環(huán)境梯度的限制[22]，而且取決于復(fù)雜的微生物菌群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。微生物分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是微生物群落結(jié)構(gòu)的重要特征，且是國際微生物生態(tài)領(lǐng)域的研究前沿。已有研究[12-23]表明，土壤中微生物通過協(xié)同互作、互養(yǎng)等形式相互通訊，形成特定的微生物群落間生態(tài)互作模式、穩(wěn)定空間排布，以共代謝污染物。在解析微生物群落網(wǎng)絡(luò)通訊、互作的過程中，可進(jìn)一步篩選出對(duì)外界環(huán)境梯度或特定生態(tài)功能有響應(yīng)的核心微生物類群（keystone taxa），其在微生物組群落構(gòu)建、維持種群生態(tài)功能中可能發(fā)揮關(guān)鍵作用[14]。網(wǎng)絡(luò)生態(tài)模型、穩(wěn)定性同位素示蹤、多組學(xué)等先進(jìn)手段方法的不斷涌現(xiàn)，使得分析微生物共存網(wǎng)絡(luò)模式、關(guān)鍵微生物類群與環(huán)境修復(fù)功能關(guān)聯(lián)性成為可能，為多層次深入研究污染土壤中微生物的適應(yīng)機(jī)制提供有力的方法支撐[14-24]。近年來，研究者結(jié)合共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分析（co-occurrence networks）、典范對(duì)應(yīng)分析（canonical correspondence analysis）等生物信息學(xué)分析方法，對(duì)多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯等污染土壤中微生物群落生物地理分布特征及微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行了系統(tǒng)深入分析，且多為國內(nèi)研究者工作[14-25]。但是，此方面研究多針對(duì)單一污染物存在的環(huán)境，僅少量報(bào)道研究重金屬復(fù)合、有機(jī)-重金屬復(fù)合污染土壤中微生物群落的共發(fā)生生態(tài)網(wǎng)絡(luò)及核心關(guān)鍵物種的生態(tài)功能。在砷、銻復(fù)合污染農(nóng)田土壤中，研究者鑒定參與砷、銻生物地球化學(xué)氧化還原反應(yīng)的關(guān)鍵微生物類群[26]，并發(fā)現(xiàn)相比銻而言，砷對(duì)微生物群落的影響更強(qiáng)[27]，并且砷轉(zhuǎn)化基因豐度與銻組分含量之間存在顯著相關(guān)性[28]。厘清有機(jī)復(fù)合污染土壤中微生物群落生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與適應(yīng)機(jī)制，可為優(yōu)選高效修復(fù)手段、定位修復(fù)靶點(diǎn)提供理論基礎(chǔ)。近年來的國際研究方向，也逐漸轉(zhuǎn)向研究不同修復(fù)措施處理后土壤中微生物群落網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦约昂诵年P(guān)鍵物種的功能[29]。

1.2 土壤中有機(jī)復(fù)合污染物的微生物組轉(zhuǎn)化過程與分子機(jī)制

深刻認(rèn)識(shí)土壤中有機(jī)復(fù)合污染物的微生物組轉(zhuǎn)化過程與分子機(jī)制是微生物組修復(fù)的關(guān)鍵。有機(jī)污染物的微生物降解過程復(fù)雜，一般需要多步反應(yīng)才能實(shí)現(xiàn)完全礦化。污染土壤中有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化過程大多是由微生物群落介導(dǎo)的，而并非單個(gè)菌株獨(dú)立完成[22-30]。不同微生物對(duì)有機(jī)污染物的代謝具有多樣性，而土壤微生物群落通常會(huì)自組裝形成特定的代謝功能網(wǎng)絡(luò)（如通過形成生物膜、群體感應(yīng)效應(yīng)等），以實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)污染物的高效、協(xié)同降解[13，31]。研究[32]發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)4株Bacillusspp.（芽孢桿菌屬）菌株構(gòu)建微生物組進(jìn)行石油降解實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Bacillusspp.屬內(nèi)親緣性近的菌株之間對(duì)石油降解主要表現(xiàn)為協(xié)同促進(jìn)作用；然而，并非所有降解菌株的組合均會(huì)提高對(duì)有機(jī)污染物的降解效率。比如，由Bacillussp. S2和Bacillussp. S3構(gòu)成的微生物組F4對(duì)烷烴和芳烴的降解率分別較單菌降解率降低了55.3%和39.0%，表現(xiàn)出同菌屬微生物種間對(duì)石油降解的拮抗抑制作用。此外，降解菌株和其他功能的輔助菌株之間的互養(yǎng)關(guān)系也可顯著提高降解效率[33]。新加坡國立大學(xué)Nagarajan和Loh[34]發(fā)現(xiàn)惡臭假單胞菌（Pseudomonas putidaF1）和施氏假單胞菌（Pseudomonas stutzeriOX1）能分別降解乙基苯和二甲苯，通過構(gòu)建兩者的混菌體系可實(shí)現(xiàn)對(duì)混合苯系化合物的高效降解。分析、量化微生物之間的相互作用有助于加深對(duì)復(fù)合有機(jī)污染物降解機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

污染物的降解效率不僅取決于微生物間的互作關(guān)系，也受共存于環(huán)境中其他污染物的影響。研究表明，不同污染物的降解過程是互相關(guān)聯(lián)的，結(jié)構(gòu)相似的復(fù)合污染物能夠競(jìng)爭性結(jié)合控制降解代謝途徑的調(diào)控蛋白，從而抑制微生物降解功能的發(fā)揮[35]。作為代謝互作網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)，關(guān)鍵降解酶的組成、豐度、酶學(xué)性質(zhì)以及產(chǎn)物對(duì)酶的反饋調(diào)節(jié)等直接決定了微生物對(duì)污染物的降解能力與代謝途徑[36-37]。前人在降解酶基因的發(fā)掘、鑒定、表達(dá)方面已有相關(guān)研究基礎(chǔ)，但是目前對(duì)蛋白水平上降解酶行使生物學(xué)功能的分子機(jī)制認(rèn)識(shí)不足。近年來，快速發(fā)展的宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組及宏代謝組等組學(xué)技術(shù)，結(jié)合新興的基于代謝模型的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，可以追蹤和定量預(yù)測(cè)土壤微生物信號(hào)分子、代謝物的交換過程[38]，為深入理解原位復(fù)雜環(huán)境中微生物群落對(duì)有機(jī)復(fù)合污染物的共代謝過程、代謝互作機(jī)制提供了可能。穩(wěn)定性同位素核酸探針技術(shù)DNA-SIP（DNA-based stable isotope probing）聯(lián)合擴(kuò)增子測(cè)序技術(shù)與宏組學(xué)技術(shù)，已經(jīng)成為研究微生物群落結(jié)構(gòu)與功能相結(jié)合的最有力的工具，前者能夠?qū)⒆匀画h(huán)境中的微生物與其功能直接相聯(lián)系，清晰地識(shí)別出復(fù)雜環(huán)境中的功能微生物；后者則能同時(shí)獲得微生物的物種分類和功能基因分布信息，在發(fā)掘污染物降解基因方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。目前國內(nèi)外研究者已利用這兩種技術(shù)預(yù)測(cè)污染環(huán)境中菌株間的互作關(guān)系，進(jìn)而揭示微生物對(duì)單一污染物的協(xié)同降解機(jī)制。研究[11]發(fā)現(xiàn)，具有降解功能的菌株與其他菌株之間的協(xié)同代謝（代謝物質(zhì)交換）顯著提高了除草劑阿特拉津的降解效率，揭示了阿特拉津降解菌群的組成、功能與相互作用關(guān)系。以雙酚A降解菌群為研究模型，研究者綜合利用宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和目標(biāo)代謝組學(xué)技術(shù)，通過純菌分離驗(yàn)證，破譯了菌群中微生物個(gè)體在雙酚A降解不同時(shí)期中的作用及多個(gè)菌株之間的相互關(guān)系[13]?？傮w而言，現(xiàn)有研究仍然主要集中于純培養(yǎng)條件下單一降解菌的代謝途徑與降解機(jī)制。盡管目前關(guān)于微生物菌群高效降解有機(jī)污染物的研究日益引起關(guān)注，但關(guān)于菌群內(nèi)的共代謝過程及機(jī)制尚處于起步階段，僅有的少數(shù)研究一般局限于人工構(gòu)建的簡單微生物菌群。目前人們對(duì)實(shí)際有機(jī)復(fù)合污染土壤中微生物群落對(duì)污染物的共代謝過程、不同菌株間的代謝互作關(guān)系、關(guān)鍵酶的催化機(jī)制的認(rèn)識(shí)更是十分匱乏，尚需進(jìn)一步研究。

1.3 高效降解合成微生物組的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

高效降解合成微生物組（synthetic microbial communities，SynComs）的設(shè)計(jì)與構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)有機(jī)復(fù)合污染土壤微生物組修復(fù)的重要手段。合成微生物組是基于合成生物學(xué)方法，以代謝通路模塊化為核心特征，構(gòu)建具有特定功能的菌群，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)菌株的分工與合作，在生物技術(shù)、環(huán)境修復(fù)等多領(lǐng)域具有廣闊前景[33，39-40]。合成微生物組基于自下而上的“網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)-組學(xué)構(gòu)建-功能驗(yàn)證-參數(shù)學(xué)習(xí)循環(huán)”策略，其設(shè)計(jì)和構(gòu)建主要分為三個(gè)階段：首先，針對(duì)研究目的，運(yùn)用合成生物學(xué)的方法設(shè)計(jì)模塊化代謝通路；其次，為每一個(gè)代謝模塊匹配具有相應(yīng)功能的菌株；最后，建立人工合成的多菌株共存體系，并實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物代謝網(wǎng)絡(luò)的精確調(diào)控，如合成特定化合物、生產(chǎn)生物燃料、協(xié)助植物抗病、降解有機(jī)污染物[11，39-41]。與單一菌株體系相比，合成微生物組具有可定義性/模塊化、高效性、魯棒性（相互作用的微生物對(duì)于外界環(huán)境的擾動(dòng)具有一定的彈性及抗性）、可預(yù)測(cè)性、可伸縮性、穩(wěn)定性等特征[39]。明確菌群中微生物菌株之間的交互作用關(guān)系（如共生、競(jìng)爭、捕食等）及代謝功能網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)多菌株代謝分工合作、構(gòu)建合成微生物體系的基礎(chǔ)。例如，群體感應(yīng)效應(yīng)（quorum sensing，QS）是交鏈微生物生態(tài)系統(tǒng)中細(xì)胞間交流的重要機(jī)制，涉及信號(hào)分子（多肽、小分子和天然產(chǎn)物等）的產(chǎn)生和感應(yīng)。微生物菌株之間通過分泌、擴(kuò)散和交換上述信號(hào)分子，判斷菌群密度和周圍環(huán)境變化，當(dāng)菌群數(shù)達(dá)到一定的閾值后，啟動(dòng)相應(yīng)一系列基因的調(diào)節(jié)表達(dá)，激活細(xì)胞信號(hào)級(jí)聯(lián)應(yīng)答，以在群落水平上調(diào)節(jié)微生物群體行為[42]。在污染土壤中，研究者基于已知土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)及功能等信息定位關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)，通過種群動(dòng)態(tài)模擬、污染物轉(zhuǎn)化代謝模型、空間模型等對(duì)合成微生物體系的降解功能微生物群落進(jìn)行生態(tài)建模，設(shè)計(jì)并預(yù)測(cè)合成菌群的代謝途徑網(wǎng)絡(luò)和相互作用，從而構(gòu)建具有特定環(huán)境修復(fù)功能的微生物群落[43]。雖然研究者已認(rèn)識(shí)到合成微生物組在污染環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域中具有巨大的潛力[10，43]，但是國內(nèi)外應(yīng)用合成微生物組修復(fù)污染土壤方面的報(bào)道仍然非常有限[11]。Romero 等[44]采用可培養(yǎng)和宏基因組方法，明確尾礦修復(fù)植物根際微生物群落特征和互作特性，構(gòu)建不同組合的合成細(xì)菌菌群，并研究其促進(jìn)植物生長、提高根際修復(fù)效率的作用機(jī)制。Xu 等[11]首次基于污染土壤的微生物菌群動(dòng)態(tài)，通過多菌株代謝模擬，從頭合成能高效降解阿特拉津的微生物“隊(duì)伍”，闡明合成微生物種群之間協(xié)同去除土壤中阿特拉津的機(jī)制?？煽氐膶?shí)驗(yàn)室模擬生態(tài)系統(tǒng)可用來驗(yàn)證合成微生物組效果，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法、代謝通量分析、生態(tài)系統(tǒng)建模等計(jì)算方法以進(jìn)一步明確影響合成微生物組互作和功能的主要驅(qū)動(dòng)因素，從而反饋優(yōu)化合成微生物組設(shè)計(jì)。

由于環(huán)境中存在大量難培養(yǎng)微生物，因此，僅依賴于傳統(tǒng)微生物富集培養(yǎng)法篩選獲得的降解微生物資源十分有限[45]。為了高效獲得豐富、有降解活性的合成微生物菌種庫資源，磁性納米顆粒分選、微流控芯片微滴技術(shù)、kChip等表型篩選方法不斷涌現(xiàn)，具有高效、快速、靈敏和準(zhǔn)確等特點(diǎn)[46-48]。磁性納米顆粒具有較好的吸附性能和超順磁性，因此可作為可控性生物標(biāo)記物，從原油污染土壤、水體等環(huán)境樣品中有效分離具有特定降解功能的微生物[49-50]。磁性納米顆粒分選具有不依賴微生物培養(yǎng)、直接從環(huán)境樣品中原位分離出目標(biāo)微生物、分離過程溫和而不影響微生物活性及功能等優(yōu)點(diǎn)[49]。微流控芯片微滴技術(shù)是在微米尺度下，對(duì)生物樣本或者環(huán)境樣本進(jìn)行精確、高度均一的操控（制備、混勻、融合、分割、孵育、檢測(cè)、分選等），從而由復(fù)雜體系中篩選目標(biāo)物，具有超高通量、高靈敏度、定量準(zhǔn)確等特點(diǎn)，為合成生物學(xué)自動(dòng)化、定向、高通量篩選提供了重要的方法學(xué)基礎(chǔ)[51]。Jiang等[47]利用微流控高通量單細(xì)胞培養(yǎng)板從多環(huán)芳烴污染土壤中分離出多株高效降解微生物菌株。然而，目前關(guān)于高通量篩選降解菌群的研究尚處于起步階段，未來研究應(yīng)將該技術(shù)與人工合成微生物組相結(jié)合，應(yīng)用于有機(jī)污染土壤的生物修復(fù)研究中。

1.4 有機(jī)復(fù)合污染土壤合成微生物組原位修復(fù)過程、調(diào)控原理及生態(tài)安全性評(píng)價(jià)

闡明合成微生物組原位修復(fù)過程與調(diào)控原理是發(fā)展有機(jī)復(fù)合污染土壤微生物組原位修復(fù)方法的理論依據(jù)。原位條件下，污染物的微生物轉(zhuǎn)化過程受水文地質(zhì)條件、土壤理化性質(zhì)等多因素的制約，修復(fù)效率難以預(yù)測(cè)。因此，提高原位生物修復(fù)效率及穩(wěn)定性是污染土壤生物修復(fù)領(lǐng)域亟須解決的關(guān)鍵問題。相比單一菌株修復(fù)方法，合成微生物組以微生物群體的代謝協(xié)同性及功能互補(bǔ)性為切入點(diǎn)[52]，對(duì)復(fù)合污染土壤環(huán)境具有更強(qiáng)適應(yīng)性、高效性、模塊化、可控性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)[43，48，53]。目前關(guān)于合成微生物組對(duì)土壤污染修復(fù)研究方面尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，對(duì)合成微生物組的原位修復(fù)效果、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)作用原理及定向調(diào)控機(jī)制研究較少。發(fā)展原位耦合強(qiáng)化生物修復(fù)方法，提高微生物轉(zhuǎn)化效率，成為定向調(diào)控原位修復(fù)污染土壤的綠色、高效和可持續(xù)治理的新策略。關(guān)于微生物修復(fù)強(qiáng)化研究目前主要針對(duì)單一污染物，如通過調(diào)控碳、氮、硫、磷等生源要素物質(zhì)循環(huán)，協(xié)同植物根際微生物組，調(diào)節(jié)環(huán)境條件（如土壤水分、溫度、通透性）等方法[4，54]。植物根際圈是污染物生物地球化學(xué)循環(huán)和微生物代謝的重要界面微環(huán)境。植物根部可通過根際分泌物、揮發(fā)性物質(zhì)通訊等方式，募集并組裝特定的根際功能菌群，增加微生物功能冗余、增強(qiáng)種間互作、重疊基因表達(dá)等方式以響應(yīng)污染等環(huán)境擾動(dòng)，維持污染條件下植物和土壤系統(tǒng)的功能性及穩(wěn)定性[54-55]。因此，根際微生物組已成為土壤污染生物修復(fù)領(lǐng)域的國際研究前沿，而國內(nèi)此方面研究與國際水平差距較大。研究者采用柳樹、楊樹等木本植物作為修復(fù)載體，外源接種降解功能內(nèi)生細(xì)菌或轉(zhuǎn)基因菌株，有效促進(jìn)原位污染土壤中多環(huán)芳烴、三氯乙烯的去除[56-58]。在模式修復(fù)植物柳樹的研究中，宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組等研究結(jié)果顯示植物通過根際分泌物改變根際微生物組組成、群落豐度及轉(zhuǎn)錄模式（相互作用組，interactome），從而促進(jìn)修復(fù)過程[59-60]。Thomas等[54]采用穩(wěn)定性同位素標(biāo)記和宏基因組方法，揭示在污染土壤中種植修復(fù)植物對(duì)根際不可培養(yǎng)型菲降解微生物組的影響，揭示污染土壤中根際微生物組降解污染物的復(fù)雜功能互作過程。未來研究亦需針對(duì)復(fù)合污染土壤情況，拓展、加深合成微生物組修復(fù)與多調(diào)控方法的耦合、協(xié)同強(qiáng)化機(jī)制等方面的研究。

此外，系統(tǒng)研究生物修復(fù)技術(shù)的生態(tài)安全性及關(guān)鍵影響因子，是科學(xué)評(píng)估污染土壤修復(fù)技術(shù)綠色可持續(xù)性的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)多種污染物復(fù)合存在時(shí)，會(huì)對(duì)土壤微生態(tài)造成更為復(fù)雜的生態(tài)效應(yīng)。近年來，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估效應(yīng)研究已逐漸從物種水平轉(zhuǎn)向更為全面、系統(tǒng)的種群和生態(tài)系統(tǒng)水平分析[61]。當(dāng)引入的外源微生物具有高適合度并能在生態(tài)系統(tǒng)中擴(kuò)散時(shí)，易于造成土著種群更替并產(chǎn)生復(fù)雜生態(tài)效應(yīng)，如影響污染物轉(zhuǎn)化和營養(yǎng)循環(huán)過程。相比實(shí)驗(yàn)室條件下，原位自然環(huán)境中環(huán)境參數(shù)復(fù)雜多變，如氣候因素、水文地質(zhì)條件、土壤理化性質(zhì)、微生物因素等，上述差異通常使得研究者難以預(yù)測(cè)外源微生物菌劑的添加對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能的影響[3]。因此，探究原位生物修復(fù)過程中外源微生物組引入對(duì)土著微生物區(qū)系（數(shù)量、多樣性、群落結(jié)構(gòu)）和生態(tài)系統(tǒng)多功能性的影響并辨析關(guān)鍵影響因子[4]，是生物修復(fù)技術(shù)生態(tài)安全性評(píng)估的重要組成部分[62]。相比單純的基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法，近年來研究者逐漸青睞采用基于修復(fù)過程中全生命周期的可持續(xù)評(píng)價(jià)策略[63-64]。該方法在滿足地塊環(huán)境功能、使用功能和風(fēng)險(xiǎn)控制的基礎(chǔ)上，綜合地評(píng)價(jià)環(huán)境成本與收益，從而優(yōu)化修復(fù)方案并使修復(fù)凈效益最大化[65-66]。因此，未來研究需要構(gòu)建有機(jī)復(fù)合污染土壤合成微生物組修復(fù)過程的生命周期評(píng)估框架程序，為該技術(shù)的生態(tài)安全性評(píng)估及修復(fù)方案優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

綜上所述，當(dāng)前土壤污染物微生物轉(zhuǎn)化與修復(fù)方法研究主要集中于微生物類群對(duì)單一污染物的響應(yīng)、適應(yīng)機(jī)制及微生物的單一轉(zhuǎn)化途徑等方面，而針對(duì)土壤中有機(jī)復(fù)合污染物的微生物組轉(zhuǎn)化機(jī)制與調(diào)控原理等領(lǐng)域研究基礎(chǔ)較薄弱。未來研究應(yīng)加強(qiáng)以具有代謝協(xié)同性及功能互補(bǔ)性的微生物組為切入點(diǎn)，通過宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組、穩(wěn)定性同位素分子探針、納米二次離子質(zhì)譜技術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬（菌群代謝模型、化學(xué)計(jì)量矩陣）等先進(jìn)手段，系統(tǒng)深入研究有機(jī)復(fù)合污染土壤中微生物組對(duì)復(fù)合污染物的響應(yīng)和演替規(guī)律，解析土壤微生物組對(duì)復(fù)合污染物的共代謝過程和分子機(jī)制，構(gòu)建并設(shè)計(jì)修復(fù)型合成微生物組，揭示合成微生物組原位修復(fù)過程及耦合強(qiáng)化修復(fù)機(jī)制，構(gòu)建污染土壤合成微生物組修復(fù)過程的生態(tài)安全性評(píng)估體系，為發(fā)展復(fù)合污染土壤綠色可持續(xù)原位生物修復(fù)技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究展望

針對(duì)我國重點(diǎn)區(qū)域污染土壤中復(fù)合污染突出、修復(fù)效率不高、調(diào)控缺乏科學(xué)基礎(chǔ)等問題，以我國重點(diǎn)區(qū)域（長江經(jīng)濟(jì)帶、京津冀等場(chǎng)地污染土壤；珠三角、黃河流域、華北典型污灌區(qū)等農(nóng)田污染土壤）典型有機(jī)復(fù)合污染土壤為研究對(duì)象，選擇典型有機(jī)復(fù)合污染物（場(chǎng)地污染物：多環(huán)芳烴-氯代烴、多環(huán)芳烴-多氯聯(lián)苯等；農(nóng)田污染物：多環(huán)芳烴-多氯聯(lián)苯、農(nóng)藥-鄰苯二甲酸酯、有機(jī)氯農(nóng)藥-多環(huán)芳烴等）為對(duì)象，建議圍繞有機(jī)復(fù)合污染土壤微生物群落適應(yīng)機(jī)制-微生物組轉(zhuǎn)化過程-合成微生物組設(shè)計(jì)構(gòu)建-原位微生物組修復(fù)開展系統(tǒng)研究（圖1），應(yīng)重點(diǎn)開展以下研究：

1）研究典型區(qū)有機(jī)復(fù)合污染土壤微生物群落組成、結(jié)構(gòu)與多樣性，探明不同類型有機(jī)復(fù)合污染土壤微生物群落時(shí)序性演替規(guī)律；研究有機(jī)復(fù)合污染土壤中微生物分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及拓?fù)涮匦?，鑒定微生物群落互作中關(guān)鍵微生物類群，并明確主要環(huán)境影響因子；識(shí)別適應(yīng)于有機(jī)復(fù)合污染土壤的指示菌種，闡明不同功能微生物對(duì)不同有機(jī)復(fù)合污染物的響應(yīng)適應(yīng)與協(xié)同進(jìn)化機(jī)制。

2）研究土壤中有機(jī)復(fù)合污染物微生物降解代謝的功能基因、關(guān)鍵酶及代謝途徑，探明土壤微生物組對(duì)復(fù)合污染物的共代謝過程；構(gòu)建有機(jī)復(fù)合污染土壤微生物群落代謝模型，分析微生物類群間物質(zhì)交流、能量交換、信息通訊，揭示菌群代謝互作機(jī)制；解析關(guān)鍵降解酶的酶學(xué)性質(zhì)、底物識(shí)別與催化機(jī)制，闡明關(guān)鍵酶行使降解轉(zhuǎn)化功能的分子機(jī)制，重構(gòu)有機(jī)復(fù)合污染物的高效轉(zhuǎn)化途徑，揭示其微生物組代謝網(wǎng)絡(luò)。

3）針對(duì)有機(jī)復(fù)合污染土壤的土壤條件和污染物類型，基于復(fù)合污染土壤中微生物分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及污染物轉(zhuǎn)化的原理，明確微生物生態(tài)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)；定向富集、分離污染土壤中高效降解菌、核心功能微生物，建立降解菌群-輔助菌群菌種資源庫；結(jié)合基因組-關(guān)鍵酶-代謝特性網(wǎng)絡(luò)關(guān)系設(shè)計(jì)并構(gòu)建降解性合成微生物組；研究合成微生物組對(duì)有機(jī)復(fù)合污染物的降解特性和轉(zhuǎn)化機(jī)制，優(yōu)化微生物組結(jié)構(gòu)，構(gòu)建有機(jī)復(fù)合污染物高效降解合成微生物組。

4）針對(duì)不同類型典型復(fù)合污染土壤污染特征及微生物特性，研究合成微生物組對(duì)土壤界面有機(jī)復(fù)合污染物原位轉(zhuǎn)化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)的定向調(diào)控過程，明確合成微生物組參與污染物轉(zhuǎn)化過程的主要影響因素，揭示合成微生物組對(duì)土壤中復(fù)合污染物的修復(fù)機(jī)制；闡明不同調(diào)控措施（環(huán)境條件、生源要素及根際強(qiáng)化等）對(duì)合成微生物組修復(fù)的協(xié)同強(qiáng)化機(jī)制，評(píng)估合成微生物組強(qiáng)化修復(fù)方法的穩(wěn)定性和修復(fù)效率，建立污染土壤合成微生物組修復(fù)過程的生態(tài)安全性評(píng)估體系，構(gòu)建復(fù)合污染土壤原位強(qiáng)化生物修復(fù)新方法。

基于上述關(guān)鍵科學(xué)問題，未來研究應(yīng)著重闡明土壤中有機(jī)復(fù)合污染物的微生物組轉(zhuǎn)化機(jī)制與調(diào)控原理，闡明不同復(fù)合污染條件下微生物群落對(duì)復(fù)合污染物的響應(yīng)適應(yīng)、協(xié)同進(jìn)化機(jī)制，明確土壤中有機(jī)復(fù)合污染物的微生物組轉(zhuǎn)化過程與分子機(jī)制，設(shè)計(jì)并構(gòu)建針對(duì)有機(jī)復(fù)合污染物的修復(fù)型合成微生物組，揭示多因素強(qiáng)化合成微生物組修復(fù)的調(diào)控原理，構(gòu)建有機(jī)復(fù)合污染土壤的微生物組修復(fù)理論，為土壤有機(jī)復(fù)合污染過程研究與生物修復(fù)技術(shù)發(fā)展提供新理論和新原理。