2023-08-14
《Science of The Total Environment》
影响因子：9.8
近日，上海交通大学在环境科学与生态学领域的《Science of The Total Environment》发表新研究成果！本研究分离鉴定了一株新菌株Shinella sp. FLN14，它可以利用芴作为唯一碳源，有效地共代谢多种多环芳烃和杂环衍生物，并提出了两种可能的代谢途径（水杨酸途径和邻苯二甲酸途径）。本研究为实现多环芳烃污染环境的生物修复提供了一个有效的候选方案。 本研究的细菌基因组完成图测序和分析由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
01、研究背景
多环芳烃(PAHs)是一些最常见和持久的有机污染物，具有遗传毒性、致癌性和诱变性，对人类健康构成严重威胁，已成为世界范围内研究的热点。利用生物技术，如引入微生物代谢多环芳烃，是一种高效、经济、可持续的多环芳烃降解替代物理和化学方法。自然界中可以降解多环芳烃的微生物包括细菌、真菌和藻类生物。其中，细菌种类因分布广泛、降解资源丰富而备受关注。本研究分离并鉴定了一株能高效降解芴的新菌株Shinella sp. FLN14，该菌株具有广谱的多环芳烃降解底物，特别是对高环芳烃的降解。通过对人工废水的生物修复模拟实验，发现菌株在长达18天的反应时间内可以保持稳定的降解能力，这表明该菌株可能是未来污水修复的潜在菌株。
02、研究思路
03、研究材料与方法
1.实验材料 焦化厂多环芳烃污染污泥中分离到的Shinella sp. FLN14 2.测序平台 Illumina Novaseq+Pacbio Sequel II 3.分析内容 细菌基因组完成图测序、16S进化树构建、药敏实验、代谢组测序等。
04、研究结果
Shinella sp. FLN14的分离鉴定 从多环芳烃污染的污泥中分离到一株降解芴的新菌株，16S进化树结果表明该菌株属于Shinella属，且与Shinella zogloeoides关系密切。同时，药敏实验结果显示FLN14菌株对氨苄西林、链霉素和氯霉素等多种抗生素具有耐药性。 FLN14的生长条件和对芴的降解能力鉴定 将FLN14菌株置于仅含多环芳烃作为碳源和能量来源的矿物盐培养基上，以确定最佳生长基质，发现菌株FLN14在9个循环后仅在芴上稳定生长。在不同的温度、pH值、转速和芴浓度下培养FLN14菌株，评估其生长条件和芴降解情况，发现MSM培养基的最佳生长温度、摇瓶速度和pH分别为30℃、200 rpm和pH 7.0，400 mg/L的芴是适宜的添加水平。在最佳生长条件下，发现菌株FLN14在6天内完全降解芴，最大OD600nm为0.5。 图1 FLN14的生长条件和降解能力鉴定 Shinella sp. FLN14降解能力鉴定 几种多环芳烃和杂环衍生物抑制了Shinella sp. FLN14的生长，而静止FLN-grown的细胞能够降解这些成分。除芴外，FLN14还能协同代谢菲(PHE)、苊(ACE)、二苯并呋喃(DBF)、蒽(ANT)、氟蒽(FLU)和苯并[a]蒽(BaA)。实验结果显示该菌株在4 h内对DBF的降解率为37.4%，对ANT的降解率为98.2%。FLN14在19 h内对FLU 的利用率为79.1%，对BaA的利用率为63.9%,FLN14使用NAP、DBT和BaP时，降解率为27.9%。 芴、苊、菲、蒽、荧光蒽、二苯并噻吩降解途径研究 GC-MS分析鉴定了芴代谢过程中产生的中间体：9-芴醇、9-芴酮、邻苯二甲酸(BSTFA衍生物)、水杨酸(BSTFA衍生物)、儿茶酚(BSTFA衍生物)和2,4-二羟基苯甲酸(BSTFA衍生物)。表明FLN14中可能存在从芴到邻苯二甲酸的经典途径和侧双氧化途径两种途径进行芴的降解，这与芴降解基因簇驱动的降解途径一致，但芴降解的代谢途径有待进一步阐明。除此之外，还检测到苊、菲、蒽、荧光蒽、二苯并噻吩降解的典型产物，表明FLN14菌株中可能具有降解这些多环芳烃的代谢途径。 图2 FLN14代谢多环芳烃及其杂环衍生物的途径研究 基因组测序和分析 高通量测序发现FLN14全基因组由1条环状染色体和4个小质粒组成，基因组大小为1,486,534,344bp，G C含量为62.96%。大多数差异检测到的功能基因被预测并参与了芳烃的降解途径，如萘、硝基甲苯、苯甲酸盐、氨基苯甲酸盐、氯烷烃和氯烯烃，以及多环芳烃。细菌通常倾向于加氧酶介导的代谢来降解多环芳烃，并使用单加氧酶或双加氧酶。菌株FLN14的基因组分析发现存在13个单加氧酶和27个双加氧酶。基于NR、eggNOG和KEGG数据库获得的基因注释，以及已报道的与多环芳烃代谢相关的基因序列的同源比对，FLN14中未发现新的能够降解芴的功能基因簇。 图3 FLN14基因组特征研究 混合底物对Shinella sp. FLN14废水的生物修复及降解稳定性 根据FLN14和常见底物在复合污染水中的降解效率，选择FLN、DBF和FLU作为混合底物，浓度分别为200、50和10 mg/L。与对照组相比，在8天孵育的前6天，实验组的混合底物含量迅速下降。添加FLN14后，FLN的降解率在6 d内从10.17%显著提高到82.6%，DBF和FLU的降解率在8 d内也分别从9.78%和9.1%提高到95.17%和59.13%。这些结果表明，FLN14具有显著的沉降性能，可能是废水生物修复的优良资源，并且三次循环实验证实了FLN14的降解稳定性。综上所述，菌株FLN14可以保持相当高的降解活性，因此可以作为一种有前景的菌株进行有效的废水修复。 图4 混合基质的小型废水生物修复研究
05、结 论
本研究了分离得到了一株新菌株Shinella sp.FLN14，该菌株能够以芴为唯一碳源，共同代谢多种多环芳烃和杂环衍生物。FLN14基因组测序发现除了双加氧酶和电子传递链外，没有发现能够降解芴的新功能基因簇。此外，FLN14仅在8天后就能几乎完全降解环境污水中的混合多环芳烃和杂环衍生物并且在反应中保持高活性。这些结果表明FLN14是一种具有多种PAHs降解能力的新型高效菌株，可能有助于生物降解，加深人们对废水修复的认识。
如需进一步讨论，欢迎发邮件或者致电我们哟（邮箱地址：microsupport@personalbio.cn，联系电话：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.
