2025-04-07
近日，南京工業大學在環境領域的《Ecotoxicology and Environmental Safety》（影響因子6.2）發表(biao)新研(yan)究成果(guo)！本研(yan)究從油田分離出一株高(gao)效(xiao)原油降(jiang)解菌(jun)(jun)(jun)溶血不動桿菌(jun)(jun)(jun)JS-1，該菌(jun)(jun)(jun)株在15天(tian)內(nei)可降(jiang)解70-80%的原油，通(tong)(tong)過細(xi)胞表(biao)面疏水性(xing)直接吸附(fu)原油，并攜(xie)帶五類烷(wan)(wan)烴羥(qian)化酶基(ji)因，其(qi)中CYP153在中鏈烷(wan)(wan)烴降(jiang)解中起關鍵(jian)作(zuo)用(yong)。此外，JS-1菌(jun)(jun)(jun)株還具有(you)雙通(tong)(tong)路降(jiang)解對羥(qian)基(ji)苯甲酸(suan)的能力。這些特性(xing)使(shi)其(qi)成為石(shi)油污染修復和農業應用(yong)的理想候選(xuan)菌(jun)(jun)(jun)株。
本研究的細菌基因組(zu)完(wan)成圖測序和分析由上海(hai)派(pai)森(sen)諾生(sheng)物科技(ji)股份有限公(gong)司完(wan)成。
研(yan)究背(bei)景(jing)
原油(you)(you)作為全(quan)球最重要(yao)的(de)戰略資源和(he)化(hua)工原料，在(zai)其開采(cai)、運(yun)輸及(ji)(ji)加(jia)工過程中常因(yin)泄(xie)漏和(he)排放導致嚴重的(de)環(huan)境污染，威脅(xie)生態(tai)系統和(he)人類健(jian)康。與(yu)傳統物(wu)理化(hua)學修(xiu)復(fu)(fu)(fu)方法相比，微生物(wu)修(xiu)復(fu)(fu)(fu)因(yin)其高效、經(jing)濟(ji)且環(huan)境友好的(de)特點(dian)備受關注。其中，不(bu)動桿菌(jun)(jun)(jun)屬因(yin)其代(dai)謝多(duo)樣性及(ji)(ji)對鹽度、pH等極(ji)端條件(jian)的(de)適應性，成為石(shi)油(you)(you)污染修(xiu)復(fu)(fu)(fu)的(de)核心菌(jun)(jun)(jun)種之一。然而，生物(wu)降解(jie)的(de)實(shi)際應用(yong)仍面臨挑戰，闡明高效原油(you)(you)降解(jie)菌(jun)(jun)(jun)的(de)作用(yong)機制對污染修(xiu)復(fu)(fu)(fu)至關重要(yao)。
研究材(cai)料與方法
1.實(shi)驗材料：降解原油(you)的溶(rong)血性(xing)不動桿(gan)菌JS-1
2.測序平臺：Illumina Novaseq+ Pacbio Sequel
3.分析內容(rong)：細菌基因組完成圖測序、16S進化樹構(gou)建、GC-MS檢(jian)測和qPCR驗證等。
技術路線
研(yan)究結果
JS- 1菌株的分離、鑒定(ding)及特性
JS-1菌(jun)(jun)(jun)株是一種(zhong)短(duan)桿(gan)狀細菌(jun)(jun)(jun)，有(you)(you)鞭毛，在(zai)培(pei)養(yang)基(ji)上呈(cheng)圓形、淡黃色、光滑的菌(jun)(jun)(jun)落。其(qi)16S rRNA序列與(yu)溶血性(xing)不動桿(gan)菌(jun)(jun)(jun)菌(jun)(jun)(jun)株ATCC 17906的16S rRNA基(ji)因序列具有(you)(you)99％的同(tong)源性(xing)，進化樹(shu)顯示JS-1與(yu)其(qi)他不動桿(gan)菌(jun)(jun)(jun)菌(jun)(jun)(jun)株親緣關系(xi)較近。另(ling)外(wai)，菌(jun)(jun)(jun)株JS-1具有(you)(you)廣泛的碳源利用能(neng)力（尤其(qi)偏好(hao)十六烷等(deng)中長鏈烷烴），在(zai)pH 5-9、15-40℃和鹽度≤40 g/L條(tiao)件(jian)下均(jun)能(neng)良(liang)好(hao)生長，其(qi)卓(zhuo)越的環境適應(ying)性(xing)使其(qi)成為海洋石油污(wu)染修復(fu)的理想候選菌(jun)(jun)(jun)株。
圖1 JS-1菌株(zhu)鑒定
JS-1對原油的生物降解(jie)作用
實驗顯示(shi)JS-1菌(jun)株(zhu)展現出卓(zhuo)越(yue)的原(yuan)油降(jiang)(jiang)解(jie)能力：在10-20 g/L濃度范圍內(nei)15天(tian)內(nei)降(jiang)(jiang)解(jie)率(lv)達(da)70-80%，顯著優于(yu)多數野生型不動桿菌(jun)菌(jun)株(zhu)。另外，JS-菌(jun)株(zhu)對15 g/L原(yuan)油的降(jiang)(jiang)解(jie)效(xiao)率(lv)（15天(tian)達(da)74.1%）甚至超過部(bu)分基因工程(cheng)改良菌(jun)株(zhu)。這些表明JS-1菌(jun)株(zhu)在原(yuan)油降(jiang)(jiang)解(jie)方面具有明顯優勢。
圖2（A）菌株JS-1在不同濃度原(yuan)油(you)下的生長速率和降解速率；(B)以角鯊(sha)烷為內(nei)標，采(cai)用(yong)GC-MS分(fen)析降解后飽(bao)和烴的變化。
GC-MS分析表明，JS-1菌株在(zai)15天內(nei)能高效降(jiang)解原油中(zhong)的飽和烷烴（幾乎完全(quan)降(jiang)解）和部分芳香烴（如萘和蒽衍生物）。該(gai)菌株通過(guo)細胞表面強(qiang)疏水(shui)性(xing)（CSH>95%）直(zhi)接吸附原油進行(xing)降(jiang)解，而非(fei)通過(guo)產生表面活性(xing)劑(ji)，這種降(jiang)解機制與威尼斯不動桿菌RAG-1（CSH>96%）相似。
基(ji)因組分析和RT-qPCR鑒定菌株(zhu)JS-1中(zhong)的烷(wan)烴(jing)羥化酶基(ji)因
為了(le)鑒定原(yuan)油降解的(de)潛在基(ji)因(yin)，對JS-1菌株的(de)全(quan)基(ji)因(yin)組進(jin)行了(le)測(ce)序(xu)，JS-1菌株基(ji)因(yin)組序(xu)列總長度(du)(du)為 3,371,617 bp，GC含(han)量為 39.70 %；預測(ce)得(de)到3,139個編(bian)碼基(ji)因(yin)，平均長度(du)(du)為 938.11 bp，占基(ji)因(yin)組總長度(du)(du)的(de) 87.34 %。
圖3 基因(yin)組圈圖和 烷烴羥化酶基因(yin)相(xiang)對表(biao)達(da)量
在JS-1菌(jun)株中(zhong)發現了一個(ge)完整的(de)四重烷烴(jing)羥化(hua)酶協同降(jiang)解(jie)(jie)系(xi)統，這(zhe)是不(bu)(bu)動桿菌(jun)屬中(zhong)首次報(bao)道的(de)包(bao)含AlkB、AlmA、LadA和(he)CYP153四種羥化(hua)酶的(de)完整降(jiang)解(jie)(jie)體系(xi)。該菌(jun)株攜帶5個(ge)關鍵(jian)烷烴(jing)羥化(hua)酶基因(yin)，包(bao)括(kuo)兩個(ge)AlkB型(xing)(xing)(xing)基因(yin)（alkB1和(he)alkB2）、一個(ge)AlmA型(xing)(xing)(xing)基因(yin)、一個(ge)LadA型(xing)(xing)(xing)基因(yin)以及一個(ge)CYP153基因(yin)。這(zhe)些酶具有明確的(de)分工：alkB1負責C12-C28廣譜降(jiang)解(jie)(jie)，alkB2特(te)異性(xing)參與C16/C18/C28降(jiang)解(jie)(jie)，CYP153在中(zhong)鏈烷烴(jing)（C16-C18）降(jiang)解(jie)(jie)中(zhong)起主導作用，而AlmA和(he)LadA則主要參與C25以上(shang)長(chang)鏈烷烴(jing)降(jiang)解(jie)(jie)。這(zhe)一發現不(bu)(bu)僅(jin)突破(po)了AlkB是烷烴(jing)降(jiang)解(jie)(jie)關鍵(jian)酶的(de)傳統認知，首次證實(shi)了CYP153在不(bu)(bu)動桿菌(jun)中(zhong)鏈烷烴(jing)降(jiang)解(jie)(jie)中(zhong)的(de)核心地位，同時揭(jie)示了LadA在不(bu)(bu)動桿菌(jun)中(zhong)的(de)功能特(te)征。
PHBA降解相關基因分析
研(yan)究(jiu)發現JS-1菌株(zhu)除原(yuan)兒茶酸(suan)降解(jie)途(tu)徑外，還(huan)可能(neng)(neng)通(tong)過泛醌(kun)（UQ）生物合(he)成(cheng)途(tu)徑代謝PHBA。該途(tu)徑由UbiA酶啟動，將PHBA轉化(hua)為4-羥基(ji)-3-聚異戊二烯苯甲酸(suan)酯。雖然菌株(zhu)缺失關鍵的ubiD和ubiX脫(tuo)羧酶基(ji)因，但保留了完(wan)整(zheng)的后續修飾酶基(ji)因簇，可通(tong)過CydABX酶復合(he)物最(zui)終生成(cheng)泛醌(kun)進入(ru)TCA循環。這一(yi)發現表明，JS-1菌株(zhu)可能(neng)(neng)通(tong)過原(yuan)兒茶酸(suan)裂解(jie)和UQ生物合(he)成(cheng)雙(shuang)途(tu)徑協同降解(jie)PHBA，但其UQ途(tu)徑的完(wan)整(zheng)功能(neng)(neng)仍需進一(yi)步驗證。
圖(tu)4 菌株JS-1中推測的PHBA降解(jie)途徑
JS -1 對(dui) PHBA 的生(sheng)物(wu)降解
在PHBA作為唯一碳源的(de)條件下(xia)，0.75 g/L的(de)PHBA可(ke)在12小時(shi)內降解97%，1.5 g/L的(de)PHBA在48小時(shi)內完全(quan)降解。這一結果(guo)與基因組預測(ce)相(xiang)符，但具(ju)體(ti)降解途徑仍(reng)需實驗驗證(zheng)。JS-1菌株展現出的(de)PHBA降解性能，使其在防治黃瓜連(lian)作障礙(ai)方面具(ju)有重(zhong)要應用(yong)潛(qian)力。
菌株JS-1緩(huan)解(jie)PHBA對黃(huang)瓜的(de)化感脅迫
JS-1菌(jun)株(zhu)顯著促進(jin)黃瓜幼苗生(sheng)長(chang)(chang)：處(chu)理組株(zhu)高增加(jia)34.8%，根長(chang)(chang)增長(chang)(chang)31.9%。實驗證(zheng)實該菌(jun)株(zhu)能有效(xiao)降(jiang)解自毒物(wu)質PHBA，緩解其引起的(de)生(sheng)長(chang)(chang)抑制(zhi)，且在(zai)弱堿性環境下(xia)效(xiao)果更佳(jia)。其作(zuo)用機制(zhi)與已知PHBA降(jiang)解菌(jun)類似，通過降(jiang)低PHBA濃度和激活(huo)植物(wu)抗氧化系(xi)統發揮作(zuo)用。
圖5不同處理條(tiao)件對黃(huang)瓜幼苗生長的影響
結論
本研(yan)究分離的(de)溶血(xue)不(bu)動(dong)桿(gan)菌JS-1展現(xian)卓越的(de)原油(you)(you)降(jiang)解(jie)能(neng)(neng)力，15天(tian)內可降(jiang)解(jie)10-20 g/L原油(you)(you)達70-80%，優于已知(zhi)野生不(bu)動(dong)桿(gan)菌菌株。其高(gao)效降(jiang)解(jie)源于獨特的(de)五類烷烴羥化酶系統，其中(zhong)CYP153在中(zhong)鏈烷烴代謝中(zhong)起關鍵作(zuo)用。雖然(ran)不(bu)能(neng)(neng)降(jiang)解(jie)多環(huan)(huan)芳烴，但其能(neng)(neng)有(you)效代謝單環(huan)(huan)芳烴PHBA，通過原兒茶酸鄰(lin)位裂解(jie)和(he)泛醌合成雙途徑實現(xian)降(jiang)解(jie)。這一特性使(shi)其在原油(you)(you)污(wu)染修復和(he)農業連作(zuo)障(zhang)礙治理(li)（緩(huan)解(jie)PHBA化感(gan)脅迫）中(zhong)具有(you)重要應(ying)用價值。JS-1菌株對烷烴和(he)PHBA的(de)廣譜降(jiang)解(jie)能(neng)(neng)力，使(shi)其成為環(huan)(huan)境修復和(he)農業管理(li)的(de)理(li)想候(hou)選(xuan)菌株。
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文章索引：Tao, Weiyi, et al. "High-efficiency biodegradation of crude oil and p-hydroxybenzoic acid by Acinetobacter haemolyticus JS-1: Integrated characterization and genomic analysis." Ecotoxicology and Environmental Safety 290 (2025): 117780.
