2023-08-14
《Science of The Total Environment》
影響因子：9.8
近日，上海交通大學在環境科學與生態學領域的《Science of The Total Environment》發表新研究成果！本研究分離鑒定了一株新菌株Shinella sp. FLN14，它可以利用芴作為唯一碳源，有效地共代謝多種多環芳烴和雜環衍生物，并提出了兩種可能的代謝途徑（水楊酸途徑和鄰苯二甲酸途徑）。本研究為實現多環芳烴污染環境的生物修復提供了一個有效的候選方案。 本研究的細菌基因組完成圖測序和分析由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
01、研究背景
多環芳烴(PAHs)是一些最常見和持久的有機污染物，具有遺傳毒性、致癌性和誘變性，對人類健康構成嚴重威脅，已成為世界范圍內研究的熱點。利用生物技術，如引入微生物代謝多環芳烴，是一種高效、經濟、可持續的多環芳烴降解替代物理和化學方法。自然界中可以降解多環芳烴的微生物包括細菌、真菌和藻類生物。其中，細菌種類因分布廣泛、降解資源豐富而備受關注。本研究分離并鑒定了一株能高效降解芴的新菌株Shinella sp. FLN14，該菌株具有廣譜的多環芳烴降解底物，特別是對高環芳烴的降解。通過對人工廢水的生物修復模擬實驗，發現菌株在長達18天的反應時間內可以保持穩定的降解能力，這表明該菌株可能是未來污水修復的潛在菌株。
02、研究思路
03、研究材料與方法
1.實驗材料 焦化廠多環芳烴污染污泥中分離到的Shinella sp. FLN14 2.測序平臺 Illumina Novaseq+Pacbio Sequel II 3.分析內容 細菌基因組(zu)完(wan)成圖測(ce)序、16S進化樹構建、藥敏實驗、代謝組(zu)測(ce)序等(deng)。
04、研究結果
Shinella sp. FLN14的分離鑒定 從多環芳烴污染的污泥中分離到一株降解芴的新菌株，16S進化樹結果表明該菌株屬于Shinella屬，且與Shinella zogloeoides關系密切。同時，藥敏實驗結果顯示FLN14菌株對氨芐西林、鏈霉素和氯霉素等多種抗生素具有耐藥性。 FLN14的生長條件和對芴的降解能力鑒定 將FLN14菌株(zhu)(zhu)置(zhi)于(yu)僅含多環(huan)(huan)芳烴作為(wei)碳源和(he)(he)能量來源的(de)礦物鹽培(pei)養基上(shang)，以(yi)確定(ding)最佳生長(chang)基質，發現(xian)菌株(zhu)(zhu)FLN14在(zai)(zai)9個循環(huan)(huan)后(hou)僅在(zai)(zai)芴(wu)(wu)上(shang)穩定(ding)生長(chang)。在(zai)(zai)不同的(de)溫(wen)度(du)(du)、pH值、轉速和(he)(he)芴(wu)(wu)濃度(du)(du)下培(pei)養FLN14菌株(zhu)(zhu)，評估其生長(chang)條件和(he)(he)芴(wu)(wu)降解情(qing)況(kuang)，發現(xian)MSM培(pei)養基的(de)最佳生長(chang)溫(wen)度(du)(du)、搖(yao)瓶速度(du)(du)和(he)(he)pH分別為(wei)30℃、200 rpm和(he)(he)pH 7.0，400 mg/L的(de)芴(wu)(wu)是適宜的(de)添加水平。在(zai)(zai)最佳生長(chang)條件下，發現(xian)菌株(zhu)(zhu)FLN14在(zai)(zai)6天內完全(quan)降解芴(wu)(wu)，最大OD600nm為(wei)0.5。 圖1 FLN14的生長條件和降解能力鑒定 Shinella sp. FLN14降解能力鑒定 幾種多環芳烴和雜環衍生物抑制了Shinella sp. FLN14的生長，而靜止FLN-grown的細胞能夠降解這些成分。除芴外，FLN14還能協同代謝菲(PHE)、苊(ACE)、二苯并呋喃(DBF)、蒽(ANT)、氟蒽(FLU)和苯并[a]蒽(BaA)。實驗結果顯示該菌株在4 h內對DBF的降解率為37.4%，對ANT的降解率為98.2%。FLN14在19 h內對FLU 的利用率為79.1%，對BaA的利用率為63.9%,FLN14使用NAP、DBT和BaP時，降解率為27.9%。 芴、苊、菲、蒽、熒光蒽、二苯并噻吩降解途徑研究 GC-MS分析(xi)鑒定了芴(wu)(wu)(wu)代謝(xie)過(guo)程中(zhong)(zhong)產生(sheng)(sheng)的中(zhong)(zhong)間體(ti)：9-芴(wu)(wu)(wu)醇、9-芴(wu)(wu)(wu)酮、鄰苯(ben)二(er)(er)甲(jia)酸(suan)(BSTFA衍生(sheng)(sheng)物(wu)(wu))、水楊酸(suan)(BSTFA衍生(sheng)(sheng)物(wu)(wu))、兒茶酚(BSTFA衍生(sheng)(sheng)物(wu)(wu))和2,4-二(er)(er)羥基(ji)苯(ben)甲(jia)酸(suan)(BSTFA衍生(sheng)(sheng)物(wu)(wu))。表(biao)明(ming)FLN14中(zhong)(zhong)可能存在(zai)從(cong)芴(wu)(wu)(wu)到鄰苯(ben)二(er)(er)甲(jia)酸(suan)的經典途(tu)徑(jing)和側雙氧化途(tu)徑(jing)兩種途(tu)徑(jing)進行芴(wu)(wu)(wu)的降(jiang)解(jie)，這(zhe)與芴(wu)(wu)(wu)降(jiang)解(jie)基(ji)因簇(cu)驅動(dong)的降(jiang)解(jie)途(tu)徑(jing)一致，但芴(wu)(wu)(wu)降(jiang)解(jie)的代謝(xie)途(tu)徑(jing)有待進一步闡(chan)明(ming)。除此之外，還檢測到苊(e)、菲、蒽、熒光蒽、二(er)(er)苯(ben)并噻吩(fen)降(jiang)解(jie)的典型產物(wu)(wu)，表(biao)明(ming)FLN14菌株中(zhong)(zhong)可能具有降(jiang)解(jie)這(zhe)些多環(huan)芳烴的代謝(xie)途(tu)徑(jing)。 圖2 FLN14代謝多環芳烴及其雜環衍生物的途徑研究 基因組測序和分析 高(gao)通(tong)(tong)量測序發(fa)現FLN14全基(ji)(ji)(ji)因(yin)組由1條環狀(zhuang)染色體和(he)4個小質(zhi)粒(li)組成(cheng)，基(ji)(ji)(ji)因(yin)組大小為(wei)1,486,534,344bp，G C含量為(wei)62.96%。大多(duo)數(shu)差(cha)異檢測到(dao)的功(gong)(gong)能基(ji)(ji)(ji)因(yin)被預測并(bing)參與了(le)芳烴(jing)(jing)的降解途(tu)徑(jing)，如萘、硝基(ji)(ji)(ji)甲苯、苯甲酸鹽(yan)、氨基(ji)(ji)(ji)苯甲酸鹽(yan)、氯(lv)(lv)烷烴(jing)(jing)和(he)氯(lv)(lv)烯烴(jing)(jing)，以及多(duo)環芳烴(jing)(jing)。細菌通(tong)(tong)常(chang)傾向于加(jia)氧酶(mei)介導的代(dai)(dai)謝(xie)來降解多(duo)環芳烴(jing)(jing)，并(bing)使用單(dan)加(jia)氧酶(mei)或雙(shuang)加(jia)氧酶(mei)。菌株FLN14的基(ji)(ji)(ji)因(yin)組分(fen)析發(fa)現存在13個單(dan)加(jia)氧酶(mei)和(he)27個雙(shuang)加(jia)氧酶(mei)。基(ji)(ji)(ji)于NR、eggNOG和(he)KEGG數(shu)據庫獲得(de)的基(ji)(ji)(ji)因(yin)注釋，以及已(yi)報道的與多(duo)環芳烴(jing)(jing)代(dai)(dai)謝(xie)相關的基(ji)(ji)(ji)因(yin)序列的同源比對，FLN14中未發(fa)現新的能夠降解芴的功(gong)(gong)能基(ji)(ji)(ji)因(yin)簇。 圖3 FLN14基因組特征研究 混合底物對Shinella sp. FLN14廢水的生物修復及降解穩定性 根據(ju)FLN14和(he)常(chang)見底物在復(fu)合(he)污染水(shui)中的(de)(de)降(jiang)解效(xiao)率，選(xuan)擇FLN、DBF和(he)FLU作為(wei)混合(he)底物，濃度分別為(wei)200、50和(he)10 mg/L。與對照組(zu)相比(bi)，在8天孵育的(de)(de)前(qian)(qian)6天，實驗組(zu)的(de)(de)混合(he)底物含量(liang)迅(xun)速下降(jiang)。添加FLN14后，FLN的(de)(de)降(jiang)解率在6 d內從10.17%顯著提高到(dao)82.6%，DBF和(he)FLU的(de)(de)降(jiang)解率在8 d內也分別從9.78%和(he)9.1%提高到(dao)95.17%和(he)59.13%。這些結果表明，FLN14具有(you)(you)顯著的(de)(de)沉降(jiang)性能，可(ke)能是(shi)廢水(shui)生物修復(fu)的(de)(de)優良資源，并且(qie)三次循環(huan)實驗證實了FLN14的(de)(de)降(jiang)解穩定性。綜(zong)上所述，菌株FLN14可(ke)以(yi)保(bao)持(chi)相當高的(de)(de)降(jiang)解活性，因(yin)此可(ke)以(yi)作為(wei)一種有(you)(you)前(qian)(qian)景的(de)(de)菌株進行有(you)(you)效(xiao)的(de)(de)廢水(shui)修復(fu)。 圖4 混合基質的小型廢水生物修復研究
05、結 論
本研究了分離得到了一株新菌株Shinella sp.FLN14，該菌株能夠以芴為唯一碳源，共同代謝多種多環芳烴和雜環衍生物。FLN14基因組測序發現除了雙加氧酶和電子傳遞鏈外，沒有發現能夠降解芴的新功能基因簇。此外，FLN14僅在8天后就能幾乎完全降解環境污水中的混合多環芳烴和雜環衍生物并且在反應中保持高活性。這些結果表明FLN14是一種具有多種PAHs降解能力的新型高效菌株，可能有助于生物降解，加深人們對廢水修復的認識。
如需進一步討論，歡迎發郵件或者致電我們喲（郵箱地址：microsupport@doudin.cn，聯系電話：021-80118168-8617）！
文章索引：Wang Z, Hu H, Zhang Z, et al. lA multiple PAHs-degrading Shinella sp. strain and its potential bioremediation in wastewater[J]. Science of The Total Environment, 2023, 879: 162974.
