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科研进展 | 微生物代谢国家重点实验室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方面取得新进展

主要完成人: 发表日期:2021-08-30 点击数:1221

         近日,上海交通大学微生物代谢国家重点实验室唐鸿志团队在多环芳烃、卤代芳烃和二恶英类等有机物的降解方面取得了一系列最新研究进展,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)具有复杂的环境毒性。而在微生物修复过程中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,因此对于此类复合污染问题有待进一步研究。课题组前期筛选到的能够以联苯为唯一碳源生长的恶臭假单胞菌株B6-2,可共代谢单一或混合存在的多种芳香族化合物,且具备良好的有机溶剂耐受能力。

         本研究对具备强大芳香类化合物降解功能的超级菌株”B6-2进行了多组学分析及全面系统的遗传解析,发现B6-2包含多种完整的芳香化合物中心代谢途径和有机溶剂耐受相关基因簇,以及趋化和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,鉴定了可在联苯和联苯、二苯并呋喃、苯并噻吩及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,共鉴定出3,441种蛋白,其中956种蛋白差异表达显著。此外,转录组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B6-2广谱的芳香化合物代谢能力及代谢网络的研究表明,其在复合污染的生物修复中具有潜在应用价值,同时也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)。该研究成果“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》,上海交大助理研究员王伟伟和天津科技大学李庆刚博士为该论文共同第一作者,本实验室唐鸿志教授为通讯作者。

 

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。当以菲作为唯一碳源进行生长时,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,该菌群拥有丰富多样的PAHs降解途径,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。利用活性污泥反应器和工业废水模拟了PDMCPAHs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降解能力,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》,博士生张莉鸽为该论文第一作者,唐鸿志教授为通讯作者。


2 菌群PDMCPAHs降解及水体模拟修复

         在卤化有机污染物方面,该课题组前期筛选到了一株六溴环十二烷(HBCDs)的降解菌株Pseudomonas aeruginosa HS9。本研究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单加氧酶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HS9HBCDs的降解效果。酶学性质研究不仅为CYP168A1的生化特性提供了新的理解,还为增强生物修复能力提供了新的思路(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该论文共同第一作者,唐鸿志教授为通讯作者。

3 HBCDsCYP168A1作用下的可能降解途径 

以上工作得到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