哈尔滨工业大学王爱杰团队李智灵课题组WR｜非专性脱卤呼吸细菌Pseudomonas的厌氧脱氯机制

生态环境科学 · 公众号 · · 2024-12-22 09:27

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文章信息

第一作者： 陈雪琪

通讯作者：李智灵教授，王爱杰教授

通讯单位：哈尔滨工业大学

https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.123014

亮点

• 分离出一株 Pseudomonas sp. CP-1 ，为目前报道的最高效和最高氯酚耐受浓度脱卤呼吸菌。

• 菌株 CP-1 具有独特的 “ 好氧呼吸大量增殖 - 厌氧还原脱氯 ” 特性。

• 多组学分析揭示了 TCA 循环参与了菌株 CP-1 的脱卤呼吸代谢，解析了脱卤呼吸电子传递链结构组成，并建立了电子传递链预测模型。

• 未被鉴定的 CprA-2 酶参与了 CP-1 的脱卤呼吸代谢，并预测了其邻位脱卤机制。

研究进展

脱卤呼吸菌（OHRB）在促进卤代有机物脱毒及污染场地修复中发挥着关键作用。然而，已知的专性OHRB多为绝对厌氧菌，生态位狭窄、生长条件苛刻、生长缓慢，制约了其在实际环境中的应用。相比之下，非专性OHRB具备灵活的代谢特性和环境适应性，展现出更大的应用潜力。本研究以非专性OHRB—— Pseudomonas sp. CP-1为对象，探讨其在好氧呼吸和厌氧还原脱卤之间切换的代谢特性，通过多组学手段深入揭示了其独特的脱卤呼吸过程和机制，为非专性OHRB应用于卤代有机物场地污染修复提供了重要的理论依据。

图1 图文摘要

以乙酸盐作为唯一的碳源和电子供体，菌株CP-1表现出对2,4,6-TCP（100 μM）的高效还原脱氯效能，在第6天产生约99.23 μM的4-CP，反应动力学常数（ k ）为0.46 d ^-1 。菌株CP-1的生长与脱氯过程相关，仅在2,4,6-TCP存在且发生脱氯反应时才能生长，证明菌株CP-1可利用2,4,6-三氯酚作为电子受体进行脱卤呼吸来产生生长所需能量。由于具备兼性厌氧呼吸特性，菌株CP-1在有氧条件下通过好氧呼吸促进快速增殖，氧气耗尽后则切换至厌氧还原脱氯反应。好氧呼吸阶段不仅加速了细胞增殖，还显著增强了随后的还原脱氯活性。

图2 菌株CP-1的生长与代谢性能

多组学分析表明，相较于好氧呼吸，菌株CP-1在厌氧脱氯过程中上调了多个与三羧酸（TCA）循环相关的酶，特别是乙酸CoA转移酶（AarC），它在乙酸的激活过程和TCA循环中起到了关键作用（图3），其上调说明菌株CP-1可能通过修饰的TCA循环参与脱卤呼吸代谢。同时，脱氯过程中NADH/NAD+比值的增加表明脱氯反应需要还原力的参与，表明了TCA循环参与了脱卤呼吸过程。

图3 （A）基于基因组分析提出的菌株CP-1在好氧和厌氧条件下的代谢途径；（B）脱卤呼吸过程中的乙酸代谢模型

基于比较蛋白质组，电子传递链抑制剂实验和RT-qPCR分析，提出了关于脱卤呼吸的电子传递链（ETC）组成的两种假设（图4）：（i）复合体I和复合体II作为电子的主要来源，通过NADH氧化生成质子动力势，随后电子通过黄素蛋白传递给还原脱氯酶（RDase）；（ii）Fix复合体通过黄素介导的电子分叉机制参与ETC，并与Rnf复合体协同作用，促进2,4,6-三氯苯酚的脱氯和ATP合成。

图4 脱卤呼吸过程中的电子传递链和能量生成模型

通过基因组分析和克隆文库构建，获得了还原脱氯酶（RDase）基因序列，预测的RDase蛋白包含TAT信号肽和Fe-S结合域，与已知的CprA具有最高的氨基酸相似性，因此被命名为CprA-2。RT-qPCR分析显示，cprA-2基因在脱氯过程中显著上调，进一步验证了其在脱氯反应中的关键作用。分子对接分析表明，CprA-2可能通过与2,4,6-三氯苯酚的卤素取代基形成金属配位，直接催化卤素的还原性脱除（图5）。

图5 CprA-2 的鉴定和催化机制

本研究首次报道了 Pseudomonas 具有还原脱卤功能，揭示了 Pseudomonas sp. CP-1独特的“好氧快速增殖-厌氧还原脱氯”特性。通过多组学分析，RT-qPCR分析和电子传递链抑制剂实验，本研究提出了其脱卤呼吸电子传递链预测模型。未被鉴定的还原脱卤酶CprA-2参与了脱卤呼吸过程，并模拟预测了其邻位脱卤机制。本研究发现了一株环境适应性强、代谢多样且脱氯性能优异的非专性OHRB，并深入探讨了其非专性脱卤呼吸的代谢过程和机制，为拓展非专性脱卤菌在场地污染修复中的应用提供理论指导。

作者介绍

李智灵 ，博士，哈尔滨工业大学教授，博士生导师，国家创新群体项目骨干，黑龙江省高层次人才。从事水土环境有机污染修复研究。主持国家自然科学基金国际合作项目等国家/省部级项目10余项，发表SCI收录论文100余篇，H因子38。公开国家发明专利24项，担任7个SCI期刊的副主编、编委或青年编委。曾获得日本生物工学会DaSilva Award（亚洲范围遴选每年1人），省部级一等奖和二等奖共3项。

通讯邮箱 ：[email protected]

王爱杰 ，哈尔滨工业大学教授，博士生导师，国家自然科学基金委创新研究群体负责人，城市水资源与水环境国家重点实验室副主任，国家杰青、长江学者奖励计划特聘教授，国际水协会杰出会士、国际水协会中国数字水务专委会联席主席、中国传感器与物联网产业联盟副理事长，中国化工学会工业水分会副主任。长期从事城市水质安全工程科技研究，第一或通讯作者发表SCI论文300余篇，入选ESI高被引学者；授权专利100余件，获国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖、何梁何利基金科学与技术创新奖等。

陈雪琪 ，女，博士研究生，现就读于哈尔滨工业大学，以第一作者发表SCI论文5篇。

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