解码饮用水水库沉积物中的产嗅放线菌：群落分布与碳源代谢偏好

Xiang Liu, Tingting Pei, Tinglin Huang, Danhong Yang, Min Fu, Shengzhao Jing, Ben Ma, Xiaoyan Liu, Jianchao Shi, XinJian Niu, Hongbin Sang, Haihan Zhang

饮用水的嗅味问题，特别是土霉味，是困扰水厂和用户的顽疾。其元凶主要是微生物产生的痕量次生代谢物，如2-甲基异莰醇（2-MIB）和土臭素（GSM）。传统水处理工艺对这些嗅味物质去除能力有限，且成本高昂，因此从源头控制嗅味物质的产生，是更经济有效的策略。放线菌已被证实是非藻华时期产嗅的关键类群且在沉积物中广泛分布。然而，我们对水库沉积物中产嗅放线菌的真实分布、代谢活性及其环境调控机制仍缺乏系统认知。

针对上述问题，秦岭水源地水质陕西省野外科学观测研究站的张海涵团队对我国14座典型饮用水水库的表层沉积物进行了系统性研究（图1）。团队综合运用高通量测序、功能基因芯片及碳代谢指纹（Biolog-ECO）等多种技术手段，从群落生态学与功能代谢两个维度，深入解析了沉积物中放线菌的分布及产嗅机制。

沉积物中2-MIB和GSM浓度呈现显著的空间差异，其中总氮和沉积物有机质是驱动其变化的关键环境因子。链霉菌属和分枝杆菌属是沉积物中的优势放线菌群。通过随机森林模型与相关性分析，研究明确将链霉菌属鉴定为2-MIB产生的关键贡献者（图2）。功能基因分析表明，放线菌不仅是嗅味生产者，更在沉积物的碳降解、氮循环等关键生物地球化学过程中扮演着核心角色。Biolog-ECO分析发现，放线菌群落，特别是链霉菌，在生长初期对酯类和氨基酸类碳源表现出显著的代谢偏好。结构方程模型揭示了从环境压力到嗅味产生的完整路径：营养盐和金属离子（如Fe、Mn）通过刺激微生物的碳代谢活性，进而促进了放线菌（尤其是链霉菌）的增殖，最终驱动了2-MIB的生物合成（图3）。

本研究将环境微生物生态学与代谢机制相结合，系统阐明了沉积物放线菌驱动水库嗅味产生的生态过程与机制。研究成果为在水库管理实践中，将链霉菌作为嗅味风险的早期预警生物标志物，并针对性调控沉积物营养盐与金属离子水平，以实现嗅味问题的源头控制提供了全新的理论依据和技术路径。

该成果以“Decoding taste & odor-producing actinobacteria in drinking water reservoir sediments: Community distribution and carbon metabolic preferences”为题发表于环境工程领域知名期刊《Journal of Water Process Engineering》。张海涵教授为通讯作者。该研究由国家自然科学基金（52270168）、国家重点研发计划（2022YFC3203604）、陕西省教育厅科研项目（22JY034）及陕西省自然科学基金（2022JM-224）共同资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2025.108407

图1. 本研究中14个水库采样点

图2. 水库沉积物中放线菌群落与2-MIB浓度之间的关系。

图3. 结构方程模型解析了水库沉积物中营养、金属、碳代谢、放线菌群落、链霉菌群落和2-MIB浓度之间的相关性