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上海交大唐鸿志课题组在嗜热微生物降解多环芳烃的机制研究中取得新进展

2022-02-24 18:51     来源:上海交大 新闻学术网     稳定同位素标记实验 稳定同位素

近日,上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室唐鸿志教授课题组在微生物领域知名期刊《Environmental Microbiology》上发表题为“A thermophile Hydrogenibacillus sp. strain efficiently degrades environmental pollutants PAHs”的研究论文。研究表征了一株嗜热菌对多种多环芳烃及衍生物的代谢过程。生命科学技术学院硕士生仇筱钰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1.解氢芽孢杆菌N12代谢萘、芴及其杂环化合物的途径(Qiu et al., 2022)

多环芳烃(PAHs)是当下环境中最普遍和持久的一种污染物,对人体及生态系统健康均具有潜在毒性。目前绝大部分环境降解菌株最适温度都在20-30℃,由于对温度敏感,常温菌在高温环境下易失活或降解效率不高,因此基于常温菌的生物修复技术在一些特殊应用场所中受到限制。本研究从高温堆肥这一特殊生境中筛选获得一株能够耐受高温环境的多环芳烃降解菌—解氢芽孢菌N12。代谢途径、关键降解基因及降解酶的层面对该菌株代谢PAHs的机理展开了多层次的分析与研究。

研究表明该菌株生长温度在50-80℃之间,在60-65℃具有最快的生长速率,能够利用萘为唯一碳源生长并对菲、芴、二苯并呋喃、二苯并噻吩、咔唑等多种PAHs及衍生物进行共代谢降解(图1)。基于GC-MS和稳定同位素标记实验的代谢物分析结果表明,该菌株中存在水杨酸降解途径和邻苯二甲酸降解途径两条萘代谢路径,其中萘的邻苯二甲酸降解途径在以往嗜温菌的萘代谢途径中少有报道。

图2.解氢芽孢杆菌N12的全基因组及萘代谢基因簇。菌株N12全基因组圈图(A);推测的萘代谢基因簇的荧光定量PCR验证(B);推测的萘代谢基因簇(C)(Qiu et al., 2022)

结合基因组学分析与荧光定量PCR验证,在该菌株中定位了萘上游代谢通路基因簇(图2)。通过对该基因簇中的萘双加氧酶基因进行异源表达及体内酶活测定,验证了其功能。此外,该酶与[3Fe-4S]型电子传递链的共表达可显著增强其降解酶活,且对菲、芴、二苯并噻吩等多种PAHs均具有降解能力。本研究丰富了嗜热菌代谢多环芳烃的研究理论,并为嗜热菌在环境生物技术中的实际应用供了理论基础和新的见解,为特殊环境底盘资源的开发打下基础。

以上工作受到了科技部国家重点研发计划、国家自然基金、上海市优秀学术带头人等项目的支持。

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