微生物修复是一种基于自然、可持续的绿色修复策略。氮的供应对于维持生物修复过程至关重要。我们知道，在受碳氢化合物污染的土壤中，通常情况下土壤中碳的可利用性增加，然而氮的可利用性却下降，从而限制了微生物对污染物的降解。自生固氮菌具有生物固氮作用，可将大气中的氮转化为氨，是生物可用氮的主要来源，在维持元素生物地球化学循环和全球生态系统生产力方面发挥着关键作用，尤其是在氮限制的环境中。碳氢化合物降解细菌和固氮菌经常共享同一微生境并作为群落共存，这些群落可能是修复有机污染自然环境的最佳生物资源。然而，在缺氮的污染环境中，固氮菌与降解细菌之间的相互作用及其机制仍然未知。
针对该科学问题，南京土壤研究所研究员骆永明团队利用从受多环芳烃污染土壤中分离出来的高分子量多环芳烃降解细菌Paracoccus aminovorans HPD-2和自生固氮菌Azotobacter chroococcum HN构建了一个稳定的合成微生物菌群（SynCom）, 以高分子量多环芳烃芘为目标污染物，评估了A. chroococcum HN能否为多环芳烃降解细菌P. aminovorans HPD-2提供氮，并进一步探索了两株菌在缺氮环境中促进芘降解的协同作用机制。研究结果表明，A. chroococcum HN和P. aminovorans HPD-2在共培养物中比在单培养物中能更快地生长和降解芘。表面增强拉曼光谱结合15N稳定性同位素分析（SERS-15N SIP）证明，A. chroococcum HN能为P. aminovorans HPD-2提供了氮。代谢产物分析和喂养实验证实，在芘降解过程中，A. chroococcum HN和P. aminovorans HPD-2之间发生了芘中间代谢产物的交叉喂养，如邻苯二甲酸和2，5-二羟基苯甲酸。转录组和代谢组分析进一步揭示，A. chroococcum HN 主要通过分泌NH4+、氨基酸和肽来喂养P. aminovorans HPD-2。表型分析和荧光原位杂交（FISH）实验表明，A. chroococcum HN产生大量生物膜并位于共培养生物膜的底部，而P. aminovorans HPD-2则附着在表层并与A. chroococcum HN形成桥状结构。这项研究表明，A. chroococcum HN和P. aminovorans HPD-2之间存在明显的合成营养相互作用，为基于自然的有机污染环境微生物修复提供了新的科学认知。
以上研究成果发表在The ISME Journal上。该成果得到了国家自然科学基金(42130718; 41991335)和国家重点研发计划项目(2019YFC1803705)的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41396-023-01522-w
图1 无氮MSM中A. chroococcum HN和P. aminovorans HPD-2单培养物和共培养物的生长和芘降解曲线
图2 培养物中NH4+浓度和吸氮细胞的特征
