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 細菌基因組完成圖測序、16S進化樹構建、藥敏實驗、代謝組測序等。
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菌株置于僅含多環芳烴作為碳源和能量來源的礦物鹽培養基上，以確定最佳生長基質，發現菌株FLN14在9個循環后僅在芴上穩定生長。在不同的溫度、pH值、轉速和芴濃度下培養FLN14菌株，評估其生長條件和芴降解情況，發現MSM培養基的最佳生長溫度、搖瓶速度和pH分別為30℃、200 rpm和pH 7.0，400 mg/L的芴是適宜的添加水平。在最佳生長條件下，發現菌株FLN14在6天內完全降解芴，最大OD600nm為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分析鑒定了芴代謝過程中產生的中間體：9-芴醇、9-芴酮、鄰苯二甲酸(BSTFA衍生物)、水楊酸(BSTFA衍生物)、兒茶酚(BSTFA衍生物)和2,4-二羥基苯甲酸(BSTFA衍生物)。表明FLN14中可能存在從芴到鄰苯二甲酸的經典途徑和側雙氧化途徑兩種途徑進行芴的降解，這與芴降解基因簇驅動的降解途徑一致，但芴降解的代謝途徑有待進一步闡明。除此之外，還檢測到苊、菲、蒽、熒光蒽、二苯并噻吩降解的典型產物，表明FLN14菌株中可能具有降解這些多環芳烴的代謝途徑。 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 高通量測序發現FLN14全基因組由1條環狀染色體和4個小質粒組成，基因組大小為1,486,534,344bp，G C含量為62.96%。大多數差異檢測到的功能基因被預測并參與了芳烴的降解途徑，如萘、硝基甲苯、苯甲酸鹽、氨基苯甲酸鹽、氯烷烴和氯烯烴，以及多環芳烴。細菌通常傾向于加氧酶介導的代謝來降解多環芳烴，并使用單加氧酶或雙加氧酶。菌株FLN14的基因組分析發現存在13個單加氧酶和27個雙加氧酶。基于NR、eggNOG和KEGG數據庫獲得的基因注釋，以及已報道的與多環芳烴代謝相關的基因序列的同源比對，FLN14中未發現新的能夠降解芴的功能基因簇。 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FLN14和常見底物在復合污染水中的降解效率，選擇FLN、DBF和FLU作為混合底物，濃度分別為200、50和10 mg/L。與對照組相比，在8天孵育的前6天，實驗組的混合底物含量迅速下降。添加FLN14后，FLN的降解率在6 d內從10.17%顯著提高到82.6%，DBF和FLU的降解率在8 d內也分別從9.78%和9.1%提高到95.17%和59.13%。這些結果表明，FLN14具有顯著的沉降性能，可能是廢水生物修復的優良資源，并且三次循環實驗證實了FLN14的降解穩定性。綜上所述，菌株FLN14可以保持相當高的降解活性，因此可以作為一種有前景的菌株進行有效的廢水修復。 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。
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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.
