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第一作者：于耀淳
通讯作者：门玉洁
通讯单位：加州大学河滨分校
论文DOI：
10.1126/sciadv.ado2957
中文标题：醋杆菌属全氟不饱和羧酸脱氟过程中的电子分叉和氟离子外排机制
英文标题：Electron bifurcation and fluoride efflux systems implicated in defluorination of perfluorinated unsaturated carboxylic acids by Acetobacterium spp.
图文摘要
全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类非常稳定的化学物质，广泛存在于各种工业和消费品中，但它们（尤其是全氟化合物）的微生物降解一直是科学界的难题。长期以来，人们一直在探索以下几个关键问题：微生物是否能够切断PFAS中的C─F键？哪些结构的PFAS可以被降解？哪种微生物能够进行脱氟反应？具体起作用的脱氟酶是什么？
自2016年起，研究团队首先成功验证了厌氧微生物群落可以对不饱和PFAS进行还原脱氟（DOI：10.1021/acs.est.0c04483）。后续研究通过对该厌氧微生物群落对多种PFAS（羧酸类）可脱氟性构效关系的深入分析，进一步揭示了α,β-不饱和结构是促进这一反应的关键因素（DOI：10.1021/acs.est.1c05509）。经过七年的持续努力，团队最终揭示了参与还原脱氟的功能细菌和潜在的功能基因（酶）。研究发现醋杆菌（Acetobacterium）属中的一些菌种能够通过特定的酶促反应实现不饱和PFAS的还原脱氟。这一过程与参与电子分叉机制的酶密切相关。此外，对醋杆菌属不同菌种脱氟活性的比较说明，除脱氟酶外，氟离子外排通道在这一胞内脱氟反应中发挥了关键的解毒作用。研究揭示的这两种微生物脱氟的重要分子特征可用来指导脱氟微生物的进一步筛选和鉴定。
图文导读
图一：Acetobacterium bakii 在不饱和氟化物的转化与脱氟中表现出显著的活性。通过核磁共振（19F-NMR）和高分辨质谱技术，团队成功确定了主要还原脱氟产物的脱氟位点位于α碳位。此外，研究还定量分析了全氟不饱和羧酸（PFMeUPA）的转化过程，结果表明高达82%的PFMeUPA发生了脱氟反应。
图二：通过对不同醋杆菌属细菌的基因组进行对比，结合脱氟活性数据，研究进一步揭示了氟离子外排机制在这一脱氟反应中发挥了关键的胞内解毒作用。测试的五株细菌均具有与脱氟有关的电子分叉酶，但仅有四株（除A. fimetarium外）可对PFMeUPA进行脱氟。A. fimetarium中的氟离子外排通道蛋白因对应基因的部分缺失无法正常表达，从而导致它无法进行脱氟。
图三：底物抑制实验与蛋白模型分析结果暗示了参与电子分叉的咖啡酸还原酶也参与了不饱和PFAS的脱氟。
图四：我们对可获得的全球生活污水厂宏基因组数据进行了分析，发现本文报道的脱氟机制或许广泛存在于自然/工程环境。为了给这个假设提供一些证据，我们随机选取了6个不同的式样场地的微生物样本进行测试，均发现了不同程度的脱氟活性。
主要作者介绍
于耀淳：Eawag环境化学系博士后研究员。于2015、2017、2021年分别获得学士（吉林大学-）、硕士（伊利诺伊大学香槟分校）、博士（伊利诺伊大学香槟分校）学位。博士期间（2019-2021）作为访问项目科学家在加州大学河滨分校从事PFAS（生物）降解研究。研究方向与研究兴趣主要包括新污染物在环境中的迁移转化、微生物群落特征／功能微生物／功能基因／功能酶的解析、合成群落生物转化上的应用、污染物降解的模型预测。在Science Advances，PNAS, Nature Water， ES&T， Water Research等期刊发表论文20余篇，曾获Federation of European Microbiological Societies Grant, ISME Travel Grants, ASM Postdoctoral Travel Award，CAPEES Founding President Best Paper Awards， C. Ellen Gonter Environmental Chemistry Award， 国家优自奖等荣誉。担任ES&T, Water Research, Environmental Microbiolog等期刊审稿人， IWA Young Water Professionals Switzerland名誉主席。
门玉洁: 加州大学河滨分校副教授。主要从事环境微生物，污染物生物降解，环境微生物抗性基因等研究。2012年毕业于加州大学伯克利分校（UCB），获得土木与环境工程博士学位；分别于2005 和2007年在清华大学获得环境工程学士和硕士学位。2014-2016年和2012-2013年分别在瑞士联邦水科学与技术研究所（Eawag）和UCB担任博士后。专业领域有（1）环境微生物学；（2）应用元组学（meta-omics），分子生物学研究微生物功能和种群相互作用；（3）新型环境有机污染物的检测和归趋分析。目前重点受资助的研究项目包括：（1）氟化有机污染物的生物转化与生物修复；（2）自然和人工环境微生物群落中抗菌药物耐药性的产生与传播。从事环境领域研究以来，在包括Science Advances，Nature Water，Proceedings of the National Academy of Sciences, Environmental Science and Technology, Environmental Science and Technology Letters, Water Research, Environmental Science: Water Research and Technology, The ISME Journal, ISME Communications, Applied and Environmental Microbiology, Environmental Microbiology等环境工程和微生物领域的重要期刊上发表学术研究论文60余篇。2021年获得美国国家自然科学基金的早期职业发展奖（NSF-Career Award）。另外还担任Water Research X和Journal of Environmental Chemical Engineering期刊的主编。
