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ebet唐鸿志课题组在微生物降解多环芳烃和卤代有机物的代谢特性及生化机理研究方面取得进展
来源:ebet官网 发布时间 :2021-08-30  阅读次数 :677

近日,ebet、微生物代谢国家重点实验室唐鸿志教授团队在多环芳烃、卤代芳烃和二恶英类等有机物的降解方面有了新的研究进展,揭示了相关化合物的微生物代谢特性及生化机理,为环境治理及修复提供了潜在的应用价值。

多环芳烃(PAHs)和二恶英类化合物(包括硫、氮和氧杂环)具有潜在的环境毒性。微生物修复过程通常会面临多种芳烃类、二恶英类污染物及有机溶剂共存的现象,对于此类复合污染的研究有待进一步深入。恶臭假单胞菌株B6-2是本课题组前期筛选到的可以联苯为唯一碳源进行生长的菌株,可共代谢多种芳香族化合物(单一或混合存在),且具备良好的有机溶剂耐受能力。本研究对这个具备强大芳香类化合物降解的“超级菌株”进行了多组学分析及全面系统的遗传解析。遗传分析发现菌株B6-2包含多种完整的芳香化合物中心代谢途径及有机溶剂耐受相关基因簇,以及趋化及基因水平转移等相关基因(簇)。借助转录组学和蛋白质组学方法,本研究鉴定了可在联苯及联苯、二苯并呋喃、苯并噻吩和咔唑的混合物共代谢过程中的关键功能基因(簇)。当联苯作为唯一碳源培养时,通过蛋白质组学分析鉴定出3,441种蛋白,其中956种蛋白差异表达显著。此外,基于转录组数据对菌株B6-2在联苯培养下转录水平的动态变化进行分析,发现多条芳香化合物代谢基因簇(如联苯、苯甲酸、水杨酸、邻苯二酚及4-羟基苯甲酸等)的转录水平显著上调。对菌株B6-2广谱的芳香化合物代谢能力及多组学分析芳香化合物代谢网络的研究表明,菌株B6-2是在复合污染的生物修复中具有潜在应用价值,同时是研究恶臭假单胞菌的生物化学、遗传学和进化方面的潜在研究模型(图1)。该成果“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”发表于《Environmental Microbiology》,王伟伟博士和李庆刚博士为共同第一作者,唐鸿志教授为通讯作者。

图1 恶臭假单胞菌B6-2中与芳香类化合物降解相关的基因转录热图(A)和推测的代谢途径(B)

另一个与多环芳烃降解相关的研究则聚焦于从污染环境中富集得到的一个高效降解菌群PDMC,本研究对其群落组成、生长和降解特性均进行了初步探究。当以菲为唯一碳源进行生长时,菌群PDMC的平均降解速率为6.67 mg/L/h,是目前已报道的降解速率最快的菲降解菌群之一。同时,该菌群能通过共代谢方式降解萘、苊、蒽、芴、荧蒽、苯并[a]蒽、二苯并呋喃、咔唑和吲哚共9种底物。通过检测这些底物的中间代谢产物可知,菌群PDMC拥有丰富多样的PAHs降解途径。利用活性污泥反应器和工业废水模拟了菌群PDMC对PAHs混合污染的水体修复,该菌群可在5 d内实现混合底物的全部降解,并在四轮反应中始终具有优秀的混合PAHs降解能力。结合水体修复过程中的群落多样性变化可知,菌群PDMC可成为PAHs污染环境修复的强有力的候选菌株(图2)。相关研究成果“Microbial degradation of multiple PAHs by a microbial consortium and its application on contaminated wastewater”发表于《Journal of Hazardous Materials》,博士生张莉鸽为第一作者,唐鸿志教授为通讯作者。

图2 菌群PDMC的PAHs降解及水体模拟修复

在卤化有机污染物方面,课题组前期筛选得到了一株六溴环十二烷(HBCDs)的降解菌株Pseudomonas aeruginosa HS9。本工作以该菌株为研究目标,对其代谢机理和生化机制进行了更深入的探索。通过传统基因功能验证结合荧光定量PCR测定,发现与电子传递相协助的细胞色素P450 CYP168A1表达量增加9.1倍,推测其为HBCDs降解的第一步关键脱溴的酶;通过异源表达、蛋白纯化、酶学参数测定及产物鉴定,揭示了CYP168A1催化HBCDs降解的新机制,其中脱溴和加羟基的反应相继进行;18O同位素实验表明,添加到水合产物中的O2-来自于H2O,阐明了细胞色素P450催化HBCDs降解的分子机制;对基因cyp168A1进行工程改造,结果发现增加细胞内电子传递体蛋白FdFNR的表达量,能够增强菌株HS9对HBCDs的降解效果。酶学性质研究不仅为细胞色素P450单加氧酶CYP168A1的生化特性提供了新的理解,而且还为增强生物修复能力的提供了新的思路(图3)。相关成果“Hexabromocyclododecanes are dehalogenated by CYP168A1 from a Pseudomonas aeruginosa strain HS9”发表于《Applied and Environmental Microbiology》,博士后黄玲和助理研究员王伟伟为共同第一作者,唐鸿志教授为通讯作者。

图3 HBCDs在CYP168A1作用下的推测的降解途径

以上工作受到了科技部国家重点研发计划(项目号2018YFA0901200)、上海市优秀学术带头人(项目号20XD1421900)、上海市教育发展基金会和上海市教委的曙光计划(17SG09)等项目的支持。

论文链接:

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