煙臺海岸帶所在硝基芳香汙染物微生物降解機制方面取得進展

2020-11-25 中國科學院

煙臺海岸帶所在硝基芳香汙染物微生物降解機制方面取得進展

2018-09-04 煙臺海岸帶研究所

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　　硝基芳香化合物是一類重要的化工原料，廣泛應用於醫藥、農藥、染料、殺蟲劑等化工產品的生產。該類化合物大多具有較高的毒性，在食物鏈中具有富積和放大效應，對人體具有致畸、致癌、致突變等性質，嚴重威脅人類健康。2,6-二溴-4-硝基酚（2,6-dibromo-4-nitrophenol，2,6-DBNP）是一種典型的滷代硝基酚。溴和硝基的吸電子特性導致苯環的電子云密度大大降低，使2,6-DBNP不易發生化學反應，難以受到氧化攻擊，很難被降解，並持久危害生態環境和人類健康。眾所周知，微生物在有機汙染物的降解過程中起著關鍵的作用。但是，至今還未見微生物被報導能夠降解2,6-DBNP。

　　中國科學院煙臺海岸帶研究所「海洋環境微生物與生物技術」團隊近期篩選到一株能夠利用2,6-DBNP作為唯一碳源、氮源和能源生長的細菌（Cupriavidus sp. strain CNP-8）。團隊結合基因組、轉錄組、RT-qPCR分析鑑定了CNP-8菌株中參與2,6-DBNP代謝的基因簇（hnpABCD）。對參與代謝的關鍵酶HnpA、HnpB和HnpC進行了表達、純化和鑑定，發現FADH2依賴的單加氧酶（HnpA）在黃素還原酶（HnpB）協助下能順序催化2,6-DBNP的脫硝基和脫溴反應生成6-溴-偏苯三酚（6-bromohydroxyquinol, 6-BHQ）；HnpC催化6-BHQ雙加氧反應開環，隨後由馬來醯乙酸還原酶（HnpD）進一步降解進入三羧酸循環。基因敲除和互補揭示hnpA基因是菌株CNP-8降解2,6-DBNP必需的基因。該研究首次報導微生物降解2,6-DBNP的過程和分子機制，研究結果近期發表於國際學術期刊Journal of Hazardous Materials。

　　該團隊長期致力於有機汙染物微生物降解的分子機理和修復研究。團隊前期還首次從分子、生化和遺傳學水平上揭示微生物降解2-氯-5-硝基酚（Frontiers in Microbiology, 2017）和3-甲基-4-硝基酚（Frontiers in Microbiology, 2016）等典型硝基酚類汙染物的分子機制。團隊開發了自主智慧財產權的汙染物修復菌劑，對三種有機磷農藥降解產物：4-硝基酚（甲基對硫磷產物）、3-甲基-4-硝基酚（殺螟松產物）和2-氯-4-硝基酚（異氯硫磷產物）複合汙染土壤開展了微生物修復，修復菌劑在8-16天能完全降解三種硝基酚汙染物（50 ppm）。此外，分子生態學研究表明生物增強不會影響土著微生物生態系統（Scientific Reports）。團隊近期系列研究成果填補了微生物對2,6-二溴-4-硝基酚、2-氯-5-硝基酚、3-甲基-4-硝基酚等海岸帶典型硝基酚汙染物代謝機理方面的空白，揭示了這些汙染物的環境歸屬，為修復這類高毒性汙染物汙染環境提供了理論基礎和技術支持。

　　研究員胡曉珂為以上系列研究的通訊作者，助理研究員閔軍為第一作者，研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院前沿重點、煙臺市科技發展計劃、微生物代謝國家重點實驗室開放基金等的支持。

　　論文連結：1 2 3 4

 

圖1. 微生物降解2,6-DBNP的過程和分子機理 

 

圖2. 微生物降解2-氯-5-硝基酚分子機理 

 

圖3. 微生物降解3-甲基-4-硝基酚分子機理 

　　硝基芳香化合物是一類重要的化工原料，廣泛應用於醫藥、農藥、染料、殺蟲劑等化工產品的生產。該類化合物大多具有較高的毒性，在食物鏈中具有富積和放大效應，對人體具有致畸、致癌、致突變等性質，嚴重威脅人類健康。2,6-二溴-4-硝基酚（2,6-dibromo-4-nitrophenol，2,6-DBNP）是一種典型的滷代硝基酚。溴和硝基的吸電子特性導致苯環的電子云密度大大降低，使2,6-DBNP不易發生化學反應，難以受到氧化攻擊，很難被降解，並持久危害生態環境和人類健康。眾所周知，微生物在有機汙染物的降解過程中起著關鍵的作用。但是，至今還未見微生物被報導能夠降解2,6-DBNP。
　　中國科學院煙臺海岸帶研究所「海洋環境微生物與生物技術」團隊近期篩選到一株能夠利用2,6-DBNP作為唯一碳源、氮源和能源生長的細菌（Cupriavidus sp. strain CNP-8）。團隊結合基因組、轉錄組、RT-qPCR分析鑑定了CNP-8菌株中參與2,6-DBNP代謝的基因簇（hnpABCD）。對參與代謝的關鍵酶HnpA、HnpB和HnpC進行了表達、純化和鑑定，發現FADH2依賴的單加氧酶（HnpA）在黃素還原酶（HnpB）協助下能順序催化2,6-DBNP的脫硝基和脫溴反應生成6-溴-偏苯三酚（6-bromohydroxyquinol, 6-BHQ）；HnpC催化6-BHQ雙加氧反應開環，隨後由馬來醯乙酸還原酶（HnpD）進一步降解進入三羧酸循環。基因敲除和互補揭示hnpA基因是菌株CNP-8降解2,6-DBNP必需的基因。該研究首次報導微生物降解2,6-DBNP的過程和分子機制，研究結果近期發表於國際學術期刊Journal of Hazardous Materials。
　　該團隊長期致力於有機汙染物微生物降解的分子機理和修復研究。團隊前期還首次從分子、生化和遺傳學水平上揭示微生物降解2-氯-5-硝基酚（Frontiers in Microbiology, 2017）和3-甲基-4-硝基酚（Frontiers in Microbiology, 2016）等典型硝基酚類汙染物的分子機制。團隊開發了自主智慧財產權的汙染物修復菌劑，對三種有機磷農藥降解產物：4-硝基酚（甲基對硫磷產物）、3-甲基-4-硝基酚（殺螟松產物）和2-氯-4-硝基酚（異氯硫磷產物）複合汙染土壤開展了微生物修復，修復菌劑在8-16天能完全降解三種硝基酚汙染物（50 ppm）。此外，分子生態學研究表明生物增強不會影響土著微生物生態系統（Scientific Reports）。團隊近期系列研究成果填補了微生物對2,6-二溴-4-硝基酚、2-氯-5-硝基酚、3-甲基-4-硝基酚等海岸帶典型硝基酚汙染物代謝機理方面的空白，揭示了這些汙染物的環境歸屬，為修復這類高毒性汙染物汙染環境提供了理論基礎和技術支持。
　　研究員胡曉珂為以上系列研究的通訊作者，助理研究員閔軍為第一作者，研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院前沿重點、煙臺市科技發展計劃、微生物代謝國家重點實驗室開放基金等的支持。
　　論文連結：1 2 3 4
 
圖1. 微生物降解2,6-DBNP的過程和分子機理 
 
圖2. 微生物降解2-氯-5-硝基酚分子機理 
 
圖3. 微生物降解3-甲基-4-硝基酚分子機理 

列印 責任編輯：葉瑞優

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