生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院唐鴻志課題組在微生物降解多環(huán)芳烴和鹵代有機(jī)物的代謝特性及生化機(jī)理研究方面取得進(jìn)展
近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室唐鴻志教授團(tuán)隊(duì)在多環(huán)芳烴、鹵代芳烴和二惡英類(lèi)等有機(jī)物的降解方面有了新的研究進(jìn)展，揭示了相關(guān)化合物的微生物代謝特性及生化機(jī)理，為環(huán)境治理及修復(fù)提供了潛在的應(yīng)用價(jià)值。
多環(huán)芳烴（PAHs）和二惡英類(lèi)化合物（包括硫、氮和氧雜環(huán)）具有潛在的環(huán)境毒性。微生物修復(fù)過(guò)程通常會(huì)面臨多種芳烴類(lèi)、二惡英類(lèi)污染物及有機(jī)溶劑共存的現(xiàn)象，對(duì)于此類(lèi)復(fù)合污染的研究有待進(jìn)一步深入。惡臭假單胞菌株B6-2是本課題組前期篩選到的可以聯(lián)苯為唯一碳源進(jìn)行生長(zhǎng)的菌株，可共代謝多種芳香族化合物（單一或混合存在），且具備良好的有機(jī)溶劑耐受能力。本研究對(duì)這個(gè)具備強(qiáng)大芳香類(lèi)化合物降解的“超級(jí)菌株”進(jìn)行了多組學(xué)分析及全面系統(tǒng)的遺傳解析。遺傳分析發(fā)現(xiàn)菌株B6-2包含多種完整的芳香化合物中心代謝途徑及有機(jī)溶劑耐受相關(guān)基因簇，以及趨化及基因水平轉(zhuǎn)移等相關(guān)基因（簇）。借助轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)方法，本研究鑒定了可在聯(lián)苯及聯(lián)苯、二苯并呋喃、苯并噻吩和咔唑的混合物共代謝過(guò)程中的關(guān)鍵功能基因（簇）。當(dāng)聯(lián)苯作為唯一碳源培養(yǎng)時(shí)，通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)分析鑒定出3,441種蛋白，其中956種蛋白差異表達(dá)顯著。此外，基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)對(duì)菌株B6-2在聯(lián)苯培養(yǎng)下轉(zhuǎn)錄水平的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)多條芳香化合物代謝基因簇（如聯(lián)苯、苯甲酸、水楊酸、鄰苯二酚及4-羥基苯甲酸等）的轉(zhuǎn)錄水平顯著上調(diào)。對(duì)菌株B6-2廣譜的芳香化合物代謝能力及多組學(xué)分析芳香化合物代謝網(wǎng)絡(luò)的研究表明，菌株B6-2是在復(fù)合污染的生物修復(fù)中具有潛在應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)是研究惡臭假單胞菌的生物化學(xué)、遺傳學(xué)和進(jìn)化方面的潛在研究模型（圖1）。該成果“Genetic mapping of highly versatile and solvent-tolerant Pseudomonas?putida B6-2 (ATCC BAA-2545) as a ‘superstar’ for mineralization of PAHs and dioxin-like?compounds”發(fā)表于《Environmental Microbiology》，王偉偉博士和李慶剛博士為共同第一作者，唐鴻志教授為通訊作者。
圖1?惡臭假單胞菌B6-2中與芳香類(lèi)化合物降解相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄熱圖（A）和推測(cè)的代謝途徑（B）
另一個(gè)與多環(huán)芳烴降解相關(guān)的研究則聚焦于從污染環(huán)境中富集得到的一個(gè)高效降解菌群PDMC，本研究對(duì)其群落組成、生長(zhǎng)和降解特性均進(jìn)行了初步探究。當(dāng)以菲為唯一碳源進(jìn)行生長(zhǎng)時(shí)，菌群PDMC的平均降解速率為6.67?mg/L/h，是目前已報(bào)道的降解速率最快的菲降解菌群之一。同時(shí)，該菌群能通過(guò)共代謝方式降解萘、苊、蒽、芴、熒蒽、苯并[a]蒽、二苯并呋喃、咔唑和吲哚共9種底物。通過(guò)檢測(cè)這些底物的中間代謝產(chǎn)物可知，菌群PDMC擁有豐富多樣的PAHs降解途徑。利用活性污泥反應(yīng)器和工業(yè)廢水模擬了菌群PDMC對(duì)PAHs混合污染的水體修復(fù)，該菌群可在5 d內(nèi)實(shí)現(xiàn)混合底物的全部降解，并在四輪反應(yīng)中始終具有優(yōu)秀的混合PAHs降解能力。結(jié)合水體修復(fù)過(guò)程中的群落多樣性變化可知，菌群PDMC可成為PAHs污染環(huán)境修復(fù)的強(qiáng)有力的候選菌株（圖2）。相關(guān)研究成果“Microbial degradation of multiple PAHs by a microbial consortium and its?application on contaminated wastewater”發(fā)表于《Journal of Hazardous Materials》，博士生張莉鴿為第一作者，唐鴻志教授為通訊作者。
圖2 菌群PDMC的PAHs降解及水體模擬修復(fù)
在鹵化有機(jī)污染物方面，課題組前期篩選得到了一株六溴環(huán)十二烷（HBCDs）的降解菌株Pseudomonas?aeruginosa?HS9。本工作以該菌株為研究目標(biāo)，對(duì)其代謝機(jī)理和生化機(jī)制進(jìn)行了更深入的探索。通過(guò)傳統(tǒng)基因功能驗(yàn)證結(jié)合熒光定量PCR測(cè)定，發(fā)現(xiàn)與電子傳遞相協(xié)助的細(xì)胞色素P450 CYP168A1表達(dá)量增加9.1倍，推測(cè)其為HBCDs降解的第一步關(guān)鍵脫溴的酶；通過(guò)異源表達(dá)、蛋白純化、酶學(xué)參數(shù)測(cè)定及產(chǎn)物鑒定，揭示了CYP168A1催化HBCDs降解的新機(jī)制，其中脫溴和加羥基的反應(yīng)相繼進(jìn)行；18O同位素實(shí)驗(yàn)表明，添加到水合產(chǎn)物中的O2-來(lái)自于H2O，闡明了細(xì)胞色素P450催化HBCDs降解的分子機(jī)制；對(duì)基因cyp168A1進(jìn)行工程改造，結(jié)果發(fā)現(xiàn)增加細(xì)胞內(nèi)電子傳遞體蛋白FdFNR的表達(dá)量，能夠增強(qiáng)菌株HS9對(duì)HBCDs的降解效果。酶學(xué)性質(zhì)研究不僅為細(xì)胞色素P450單加氧酶CYP168A1的生化特性提供了新的理解，而且還為增強(qiáng)生物修復(fù)能力的提供了新的思路（圖3）。相關(guān)成果“Hexabromocyclododecanes are dehalogenated by CYP168A1 from a?Pseudomonas?aeruginosa?strain HS9”發(fā)表于《Applied and Environmental Microbiology》，博士后黃玲和助理研究員王偉偉為共同第一作者，唐鴻志教授為通訊作者。
圖3 HBCDs在CYP168A1作用下的推測(cè)的降解途徑
以上工作受到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目號(hào)2018YFA0901200）、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人（項(xiàng)目號(hào)20XD1421900）、上海市教育發(fā)展基金會(huì)和上海市教委的曙光計(jì)劃（17SG09）等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.15613
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389421014898?via%3Dihub
https://journals.asm.org/doi/10.1128/AEM.00826-21
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