微生物群落互作驱动沥青降解的代谢机制与性能劣化研究

为解决沥青路面因微生物降解导致的性能劣化问题，南京林业大学团队通过构建包含Pseudomonas putida、Sphingomonas polyaromaticivorans等5种菌株的微生物群落，揭示了其通过底物分工与代谢功能互补协同降解沥青的机制。研究发现微生物代谢产生醇类、酚类等物质导致沥青化学组分改变，降低黏附性并提高模量，为延长沥青路面寿命提供理论依据。

　　

沥青路面占中国高速公路结构的90%以上，但其在服役过程中面临微生物降解引发的性能劣化难题。传统研究多关注光、热、氧等非生物老化因素，而微生物群落通过代谢互作降解沥青的机制尚不明确。南京林业大学团队在《Bioresource Technology》发表研究，首次系统揭示了多菌种协同降解沥青的分子机制与工程性能影响。

研究采用Pseudomonas putida（PP）、Sphingomonas polyaromaticivorans（SP）等5种典型沥青降解菌构建微生物群落，通过16S rRNA全基因组测序解析种群动态，结合原子力显微镜(AFM)和环境扫描电镜(ESEM)观测微观形貌变化，并利用组分分离试验和力学测试评估降解效应。

微生物群落在沥青降解中的互作机制
16S rRNA测序显示，菌群通过底物分工形成代谢功能互补：PP优先降解饱和分，SP靶向芳香分，而Bacillus属菌株分解树脂和沥青质。这种分工使降解效率较单菌提升37.5%，验证了"代谢负担减少"理论。

沥青化学组分与微观结构演变
降解后饱和分和芳香分含量分别下降28.6%和19.4%，生成大量醇类、酚类和羧酸。AFM显示表面粗糙度增加47.2%，ESEM观察到微生物生物膜覆盖导致的孔隙结构破坏。

力学性能劣化机制
纳米压痕测试显示弹性模量提升23.8%，但黏附功降低62.3%。X射线光电子能谱(XPS)证实氧碳比(O/C)上升0.45，表明氧化反应加剧了沥青脆化。

该研究首次阐明微生物群落通过"代谢网络重构"驱动沥青降解的三阶段机制：初期菌群定殖形成生物膜，中期分工代谢引发组分解聚，后期氧化产物累积导致力学性能衰变。成果为开发抗微生物降解的沥青改性技术提供靶点，对延长路面寿命具有重要工程价值。研究提出的"菌群互作-代谢产物-性能劣化"关联模型，为复杂有机材料生物降解研究提供了新范式。