2025-11-08
近日，南京农业大学在环境科学领域的《Journal of Hazardous Materials》发表新研究成果！本研究成功分离到一株高效氯氰菊酯降解菌Rhodococcus sp. H-3，该菌在7天内对30 mg/L氯氰菊酯的降解率可达83.48%。通过基因组分析鉴定出一种新型水解酶CymE1，其与已知同源酯酶的氨基酸序列相似性仅为33.50%，构建工程菌株后发现显著增强了CymE1对氯氰菊酯残留的去除能力。此外，该菌不仅能高效降解土壤中的氯氰菊酯，还可促进土壤微生物群落结构的恢复，从微生物生态层面揭示了其修复机制。
本研究中细菌基因组完成图和16S多样性测序和分析由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
研究背景
拟除虫菊酯类杀虫剂（以氯氰菊酯为代表）因其优异的杀虫活性而被广泛应用于农业生产，然而其在环境中的持久性残留及对非靶标生物的毒性效应，已引发严重的生态安全和食品安全问题。利用微生物降解来缓解农药残留问题已成为一个突出的研究热点，但目前的研究仍然局限于氯氰菊酯降解菌株的分离和对一些降解酶的初步探索，降解菌株和功能酶的实际应用和修复潜力尚未得到进一步评估和增强。本研究通过长期富集培养，分离得到一株高效氯氰菊酯降解菌株——Rhodococcus sp. H-3，系统开展了其降解特性与代谢途径分析、关键功能基因鉴定、分泌型工程菌构建以及土壤修复潜力评估等方面的研究。
研究材料与方法
1.实验材料：高效氯氰菊酯降解菌Rhodococcus sp. H-3
2测序平台：illumina Novaseq+Nanopore
3.分析内容：细菌基因组完成图测序、16S多样性测序、代谢组分析等
研究结果
氯氰菊酯降解菌株的分离与降解特性研究
基于连续传代富集培养技术，成功分离筛选出一株高效氯氰菊酯降解菌——Rhodococcus sp. H‑3。该菌株在7天内对30 mg/L氯氰菊酯的降解率可达83.48%，展现出显著的降解能力。通过高效液相色谱-质谱联用技术分析，明确了该菌株通过断裂氯氰菊酯分子中的酯键，将其水解为3‑PBA和DCVA两种代谢产物的降解途径。进一步优化其降解条件发现，菌株H‑3在35°C、pH 7.0的中性环境中降解活性最高，这一特性为其在实际环境中的应用提供了重要依据。
图1：氯氰菊酯降解菌株H3的分离与降解特性
氯氰菊酯降解酶的鉴定
H3菌株的基因组全长5,257,279 bp，共预测到4908个基因。本研究成功从H3菌株中克隆并验证了一个酯酶基因orf3684，该基因被证实具有氯氰菊酯降解功能，命名为CymE1。系统发育分析显示，CymE1与已知酯酶的最高氨基酸序列相似性仅为33.50%，表明其为一种新型降解酶。纯化后的CymE1蛋白分子量约为32.0 kDa，与理论预测值相符。HPLC分析表明，CymE1降解氯氰菊酯后在3.20分钟和3.44分钟处出现特征性新峰，进一步通过LCMS/MS鉴定其降解产物分别为m/z 208.9959（DCVA）和m/z 215.0695（3PBA）。综上所述，CymE1可通过水解氯氰菊酯的酯键，将其分解为3PBA与DCVA。另外，H3菌株的氯氰菊酯降解代谢途径与报道的菌株一致，这一发现进一步支持了cymE1 是H3菌株中一个重要的氯氰菊酯降解基因的假设。然而，仍需进一步研究以确定其是否是唯一的降解基因。
图2：H3菌株的氯氰菊酯降解酶鉴定
CymE1的特性与分布
CymE1酶学性质研究表明，其最适反应条件为30°C和pH 8.0，在pH 5.0–10.0范围内仍能保持30%以上相对活性。金属离子对酶活性影响显著，Ca²⁺可提升活性82.62%，而Al³⁺和Fe³⁺则强烈抑制。酶动力学参数Kcat/Km为5.52×10⁻⁴ s⁻¹μM⁻¹，结构分析显示CymE1属于酯酶V超家族，具有保守催化三联体Ser100-Asp213-His252。同源分布分析表明，CymE1同源蛋白广泛存在于多种细菌中，在红球菌属中同源性最高（93.77%–100%），提示该基因在环境中具有较广泛的分布基础，但也有必要进一步探索和鉴定表现出优异降解活性和功能的酯酶。
图3：CymE1的酶学特性研究及其在不同菌株中的分布
CymE1的分泌、表达和初步应用
在模式菌株Bacillus sp. SCK6中构建了基于基因组整合的CymE1分泌表达系统，成功获得工程菌SCK6-E。该菌在SR培养基、37°C条件下发酵48小时可实现CymE1的高效分泌，并在84小时内完全降解30 mg/L氯氰菊酯。在茶叶残留去除实验中，SCK6-E发酵液处理2小时可使氯氰菊酯残留率降至42.17%。该分泌表达系统避免了胞内酶的反应限制，兼具基因组整合稳定性与高效降解能力，为农药残留的现场生物修复提供了可靠的技术路径。
图4：CymE1的分泌、表达和初步应用
菌株H-3对氯氰菊酯污染土壤的修复
评估了H-3菌株对氯氰菊酯污染土壤的修复潜力，结果表明接菌10天后土壤中氯氰菊酯含量从5 mg/kg降至1.71 mg/kg，降解率达65.80%，且降解过程伴随明显的毒性降低。16S rRNA多样性分析显示，H-3菌株的引入可有效恢复土壤细菌群落的多样性和结构，显著提升放线菌门与厚壁菌门等有益菌群的相对丰度。属水平上，布氏菌属与共生菌属等具有代谢氯氰菊酯及其产物3-PBA能力的菌群显著富集。网络分析进一步表明，红球菌属与微菌属等多个类群存在协同互作关系。本研究证实H-3菌株不仅能高效降解氯氰菊酯，还可通过调控土壤微生物群落结构增强生态系统的自我修复能力。
图5：H3菌株对氯氰菊酯污染土壤的修复
结 论
本研究通过长期富集培养与系统筛选，成功分离获得一株高效氯氰菊酯降解菌株Rhodococcus sp. H‑3。通过比较基因组学与分子生物学手段，系统阐明了该菌株的降解特性与代谢途径，并鉴定出一个新型水解酶基因cymE1，其编码的CymE1蛋白在氯氰菊酯水解过程中发挥关键作用。进一步采用分泌表达策略，通过基因组整合成功构建了高效分泌CymE1的工程菌株，显著提升了其对氯氰菊酯残留的去除效率。在土壤修复应用中，通过16S rRNA多样性分析发现，接种菌株H‑3不仅能有效降解土壤中残留的氯氰菊酯，还能显著改善土壤微生态环境，促进细菌群落结构的恢复与稳定。本研究从基因到生态系统层面系统揭示了拟除虫菊酯的生物降解机制，为农药污染的生物修复提供了重要的理论依据和具有应用潜力的微生物资源。
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文章索引：Zhao G, Chen W, Zhang R, et al. Mechanisms of cypermethrin degradation and remediation by Rhodococcus sp. H-3: Insights from comparative genomics, hydrolase CymE1 secretory expression, and bacterial community analysis[J]. Journal of Hazardous Materials, 2025: 139775.
