WXRedian | 博士人才网 | 博士生一作！Water Research：氯代有机污染物生物降解过程解析：从微生物群落到分选出的降解单菌

发布来源：Environmental Advances

编辑：小博

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第一作者：刘孟（浙江大学）

通讯作者：何艳教授（浙江大学）

论文DOI: 10.1016/j.watres.2024.122730

图文摘要

成果简介

近日，浙江大学何艳教授团队在Water Research上发表了题为“Unravelling the processes involved in biodegradation of chlorinated organic pollutant: From microbial community to isolated organohalide degraders”的研究论文(DOI: 10.1016/j.watres.2024.122730)。卤代有机污染物通常具有高毒性且难以降解，一直是环境污染防治的重点和焦点。由有机卤降解菌介导的生物降解过程是其在环境中被彻底削减的重要方式。有机卤降解菌通常包括专性降解菌和非专性降解菌。生态学上，根据物种生态位宽度的不同，可将微生物针对特定功能分为泛化种和特化种。专性有机氯降解菌具有特化种的特征，非专性有机氯降解菌具有泛化种的特征。复杂环境介质（如湿地、土壤等）中，由于专性降解菌通常丰度极低，生物修复难以有效发挥。因此，深入挖掘更宽生态位、具有泛化种特征的非专性降解菌，是提升复杂污染介质生物修复效率的重要途径。有鉴于此，本研究以氯代有机污染物（COPs）污染的沉积物样本为例，探究了有机卤降解菌的群落特征，并从中富集分离获得了4株潜力降解功能菌株，并在验证其降解功能的基础上通过基因组分析阐述了降解机理。本研究为针对复杂环境介质发展基于非专性有机卤降解菌的生物修复策略提供了新的见解。

全文速览

COPs作为一种持久性有机污染物，具有高毒性且在环境中稳定存在，部分COPs已被列入斯德哥尔摩公约管控名单。数以百计的研究证明了在淹水环境中COPs的生物降解。然而，特定功能菌株在湿地等复杂介质中降解 COPs 的作用仍不清楚。专性有机卤降解菌指以微生物还原脱卤作为唯一能量来源的有机卤呼吸菌（OHRB），如Dehalococcoides，这类降解菌也是研究较多较为充分的有机卤降解菌。非专性有机卤降解菌包括除微生物还原脱卤外还可以利用其他过程获得能量的兼性OHRB，以及其他未被归类为OHRB但仍具有降解功能的降解菌。生态学上，根据物种生态位宽度的不同，可将微生物针对特定功能分为泛化种和特化种。泛化种广泛存在于各种生境，并且可能维持较高的物种丰度，其生活史策略包括抗逆性强，代谢广泛。特化种存在于特定生境中，代谢谱系单一、抗逆性低。专性有机卤降解菌具有特化种的特征，培养条件较为严格，通常难以培养，且在自然环境尤其是湿地、土壤等复杂介质中丰度极低，这也限制了其进一步应用。非专性有机卤降解菌则具有泛化种的特征，容易培养，且在自然环境中丰度相对较高。当专性有机卤降解菌应用受限时，非专性有机卤降解菌的应用提供了一种替代方案。有鉴于此，本研究重点研究了COP 污染的湿地沉积物的微生物群落特征，进一步分选有机卤降解菌，并对这些细菌进行了基因组分析。主要研究结果包括：1）分选出4株非专性有机卤降解菌，分别鉴定为Petrimonas sulfuriphila PET、Robertmurraya sp. CYTO、Hungatella sp. CloS1和Enterococcus avium PseS3，其中Robertmurraya sp. CYTO、Hungatella sp. CloS1是首次鉴定的新种；2）证明分离培养获得的上述泛化种也具有特定污染物生物降解，如具备γ-HCH降解功能；3）基因组分析表明钴胺素和 2-卤代酸脱卤酶参与了有机卤的降解过程，且水平基因转移促进了微生物对污染胁迫的环境适应性。

引言

COPs是环境中广泛检出的卤代有机污染物，通常难以降解且具有高毒性。已有研究多使用专性有机卤降解菌进行COPs污染场地的修复，但是专性有机卤降解菌在自然环境丰度极低，往往难以培养且生长较慢，这限制了其进一步应用。非专性有机卤降解菌一般更易培养，且种类丰富。因此当专性有机卤降解菌应用受限时，非专性有机卤降解菌的应用提供了一种替代方案。

图文导读

微生物群落特征

Fig. 1. Microbial communities feature of SM and DCB.

通过比较COPs污染沉积物样本（SM）及其驯化后的微生物菌群（DCB）的群落特征发现驯化后的微生物群落多样性降低，群落稳定性降低，生态位宽度也降低。驯化后的菌群特化种（Specialist）比例降低为0，泛化种（Generalist）比例升高。这说明在驯化过程中特化种被淘汰，适应性强的泛化种存活了下来。后续筛选出的四株菌作为非专性有机卤降解菌均有泛化种的特性。这一结果表明，泛化种同样具有污染物降解的功能，非专性有机卤降解菌在复杂环境中的降解作用不容忽视。

菌株降解特性

Fig. 2. Degradation result of γ-HCH and shapes of four isolates.

本研究所获得的四株菌均检测到典型有机氯污染物(γ-HCH)的降解功能。其中菌株PET (Fig.2e) ,CYTO (Fig.2f)，CloS1 (Fig. 2g)均可在厌氧条件下降解γ-HCH，同时检测到其降解产物氯苯(Fig. 2i-k). 菌株PseS3在厌氧情况(Fig. 2h)下未检测到明显降解作用, 在好氧情况(Fig. 2l)下检测到了γ-HCH的降解。

菌株基因组信息

Fig. 3. Orthologous cluster analysis of the four strains (a) and the circular genome maps of Robertmurraya sp. CYTO (b and c) and Hungatella sp. CloS1 (d).

四个菌株共有的基因簇有637个，其中包括钴酰胺合成的基因簇和污染物降解相关的基因簇（如2-HAD）。菌株CYTO和CloS1的基因组信息如图3b和图3c所示。部分钴酰胺合成及污染物降解相关的基因簇同时也被鉴定为水平基因转移的区域，这表明这些基因可能为细菌在适应污染胁迫的过程中获得的。水平基因转移促进了微生物对污染胁迫的适应。

钴酰胺合成

Fig. 4. Cobalamin biosynthesis gene cluster and pathway.

还原性脱卤酶 PceA 的结构分析表明了钴胺素依赖性的脱卤机制。基因组比较分析表明，本研究获得的四株菌株共享与钴胺素生物合成过程（GO:0009236）相关的直向同源物簇（图 4，图 5b）。此外，这四种菌株的培养体系中均检测到了B₁₂，这证实了其钴胺素生物合成功能。此外，VB₁₂被证实可在还原剂存在的情况下催化脱卤反应。钴原子的和吡咯环的结构可能会影响脱卤反应的催化反应性。钴胺素在自然界广泛存在能够催化多种生物过程包括有机卤的降解。

比较基因组分析

Fig. 5. Comparative genomics analysis of the four strains with other selected 8 organochlorine-degrading bacteria.

研究进一步对这四株菌和其他8种典型的有机卤降解菌（3种典型专性OHRB，5种兼性OHRB）进行比较基因组的分析。12株菌共有的直系同源基因簇有334个，除Dehalococcoides mccartyi和菌株 PET 外，其他 10 个菌株的钴胺素合成途径（M00924、M00925、M00122）基本完整。系统发育分析表明，所选的12 株菌株属于6个不同的门： Pseudomonadota, Campylobacterota, Thermodesulfobacteriota, Bacteroidota, Chloroflexota 和Bacillota。通过比较本研究的四株菌及其他典型脱卤菌的2-HAD序列发现，菌株 PET、CYTO 和 PseS3 的 2-HAD 序列与Dehalobacter sp. DCA 和 CF的序列较为相近。该结果进一步阐明了钴胺素和2-卤代酸脱卤酶在有机卤降解过程中的重要作用。

小结

在本研究中，我们分离了 4 株菌株（Hungatella sp. CloS1、Enterococcus avium PseS3、Petrimonas sulfuriphila PET 和Robertmurraya sp.CYTO），这4种菌株都具有降解 COPs（如γ-HCH）的能力，均不是已报道的专性或者兼性OHRB。在这4种菌株的基因组中发现了与卤代有机物降解途径和钴胺素生物合成有关的基因。这4株菌的培养体系中均检测到了VB₁₂。比较基因组学分析表明，钴胺素和2-HAD可能参与了γ-HCH的降解。此外，在水平基因转移区域内还发现了一些注释为卤代有机物降解和钴胺素生物合成途径的基因。水平基因转移促进了微生物对环境的适应。代谢灵活性、钴酰胺生物合成和水平基因转移使微生物在氯代有机物污染环境中具有竞争优势，并促进了氯代有机物的降解能力。这些结果阐明了非专性有机卤降解菌在降解COPs中的重要性，扩大了脱卤菌株的选择范围，可为针对有机卤污染复杂环境介质发展基于非专性降解菌的生物修复策略提供替代方案。

作者介绍

通讯作者：何艳 浙江大学求是特聘教授，浙江大学土水资源与环境研究所所长。国家自然科学杰出青年基金和优秀青年基金获得者，曾入选教育部首批青年长江学者，国家万人计划“青年拔尖人才”，十三五国家重点研发计划项目首席科学家，全国百篇优秀博士学位论文获得者。研究方向为土壤污染控制与修复、污染环境生物地球化学、土壤污染微生态与健康重建，（曾）主持国家重点研发计划项目、国家自然科学杰出青年基金/创新研究群体项目课题/优秀青年基金、国家农业科技重大项目课题、国家863计划重大项目课题、国家公益性行业科研专项课题、浙江省自然科学杰出青年基金/重大项目、浙江省重点研发计划揭榜挂帅尖兵项目等，作为主要完成人的科技成果获得国家科学技术进步二等奖1项，近年来在Soil Biol Biochem、Environ Sci Technol、Water Res、ISME J等国际学术刊物上发表SCI论文130余篇，获授权国家发明专利14项，主著中、英文学术著作2部，主编省级规划教材1本（个人主页：http://person.zju.edu.cn/heyan）。

第一作者：刘孟 浙江大学环境与资源学院博士研究生。主要研究方向为氯代有机物污染的生物修复。目前以第一作者身份在Water Res等期刊上发表英文论文3篇。

参考文献：

Liu M, Su X, Yuan J, et al. 2024. Unravelling the processes involved in biodegradation of chlorinated organic pollutant: From microbial community to isolated organohalide degraders. Water Research [J]: 122730

文章链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135424016294

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