假黄单胞菌共同降解菲和芘过程中的拮抗效应：代谢途径竞争与底物偏好性

《Journal of Hazardous Materials》：Antagonistic effects during phenanthrene and pyrene co-degradation by Pseudoxanthomonas: Pathway competition and substrate preference

　　

Suhang Wang|Jiaqing Liang|Yongkai Liao|Haixuan Zhou|Brian J. Reid|Chao Cai

中国中国科学院城市环境研究所区域与城市生态学国家重点实验室，厦门361021

摘要

多环芳烃的生物降解涉及多种降解途径之间的复杂代谢相互作用。然而，不同途径之间的相互作用如何影响整体降解效率仍不明确。本研究利用能够高效降解菲和芘的假黄单胞菌G3株，探讨了混合多环芳烃条件下的途径相互作用。基因组分析和代谢组分析表明，G3株通过三种途径降解菲和芘：邻苯二甲酸途径（以邻苯二甲酸为最终产物）、共有的儿茶酚降解途径以及苯甲酸降解途径。值得注意的是，芘能激活苯甲酸降解途径，这是细菌代谢芘的新发现。综合分析显示，菲通过两种机制抑制芘的降解：首先，菲优先利用由芘激活的苯甲酸降解途径，从而转移代谢流量并阻碍芘的降解；其次，苯甲酸降解途径还会进一步抑制儿茶酚降解途径，加剧对芘降解的抑制作用。这些研究结果揭示了混合多环芳烃胁迫下各降解途径之间相互作用的机制，为提高混合多环芳烃降解的效率和可预测性提供了理论依据。

引言

多环芳烃是一类普遍存在的持久性有机污染物，具有致癌、致畸和致突变效应[1]、[2]。鉴于其对人类健康的威胁[3]、[4]，亟需开发有效的修复技术来处理受多环芳烃污染的环境[5]、[6]。细菌修复是一种高效、环保且经济可行的策略[7]。该策略依靠特定的代谢途径实现多环芳烃的生物降解。因此，要优化生物修复效果，就需要更深入地了解这些降解途径的机制。

在多环芳烃生物降解途径的研究方面已取得显著进展[8]、[9]、[10]、[11]。在有氧条件下，多环芳烃的初始降解通常由环羟基化双加氧酶启动，这些酶通过一系列反应生成水杨酸和邻苯二甲酸等关键中间产物。这些中间产物再通过后续途径代谢为乙酰辅酶A和琥珀酰辅酶A，进而进入三羧酸循环完成矿化过程。不同的多环芳烃会产生不同的中间产物。低分子量的多环芳烃，如菲，通常通过水杨酸或邻苯二甲酸降解途径被降解[12]。而高分子量的多环芳烃，如芘，由于其结构特点，其降解过程更为复杂。例如，芘可以被分枝杆菌通过邻苯二甲酸降解途径降解，被假单胞菌通过水杨酸降解途径降解，还被玫瑰色杆菌通过龙胆酸降解途径降解[13]、[14]、[15]、[16]。尽管已有不少研究成果，但目前对多环芳烃降解的理解仍不完整。例如，一些基因组和代谢研究结果表明，芘也可能通过苯甲酸降解途径被降解[15]、[17]。这表明存在一些尚未被发现或尚未被完全阐明的多环芳烃降解途径。因此，全面了解这些代谢途径仍是当前研究的重要目标。

在降解特定多环芳烃时，细菌菌株可以同时激活多种代谢途径。例如，恶臭假单胞菌ND6可以通过儿茶酚邻位和间位裂解途径同时降解萘[18]，而分枝杆菌WY10在降解菲时则同时启动邻苯二甲酸途径和水杨酸途径[19]。值得注意的是，这些共存的途径往往共享中间代谢物和关键酶，这意味着它们之间存在潜在的相互作用。在多种多环芳烃共存的现实环境条件下[20]、[21]，这类途径相互作用会变得更加复杂。例如，通过邻苯二甲酸途径和水杨酸途径同时降解菲和芘可能会导致途径竞争，进而降低多环芳烃修复的整体效率[19]。然而，目前对于混合多环芳烃降解行为的解释大多仅限于一种多环芳烃对另一种多环芳烃降解途径的单向调控[11]、[22]、[23]、[24]、[25]。虽然这些解释能够说明观察到的现象，但往往无法阐明菲影响芘降解的底层机制。更重要的是，这种观点忽略了更深层次的机制：菲对芘的影响很可能源于它们多种降解途径之间的复杂相互作用。因此，途径相互作用的具体机制及其对整体多环芳烃降解的调控作用仍有待进一步阐明。

为填补这些知识空白，由于菲和芘具有相似的降解途径，因此被选为模型污染物。从焦化厂土壤中分离得到的假黄单胞菌G3株因其能够同时降解这两种多环芳烃而被用作模型菌株。我们系统研究了G3株降解菲和芘的途径，并阐明了不同途径之间的相互作用如何影响混合多环芳烃的整体代谢。我们利用高效液相色谱和气相色谱-质谱分析方法，评估了G3株降解单一多环芳烃和混合多环芳烃的效率。通过整合代谢中间产物分析、基因组信息以及降解实验结果，我们提出了菲和芘降解途径的模型。随后，我们通过实时定量PCR、代谢物动力学分析以及酶活性测定，进一步研究了具体的降解途径及其相互作用。

章节节选

化学品与培养基

菲（98%）、芘（98%）、1-羟基-2-萘酸（98%）、邻苯二甲酸（99.5%）和水杨酸（99.5%）均购自上海阿拉丁试剂有限公司，而菲-d10（98%）则由上海麦克林生化有限公司提供。本研究使用的所有溶剂和试剂均为分析级或高效液相色谱级。矿物盐培养基的组成如下：每升含1.1克氯化铵、1.0克磷酸氢二钾、0.5克氯化钠、0.2克七水硫酸镁、0.2克氯化钾、0.01克氯化钙以及0.001克七水硫酸铁。培养基的初始pH值被调节至7.2。

G3株降解混合多环芳烃的特性

从多环芳烃污染土壤中分离得到的G3株，通过16S rRNA系统发育分析被鉴定为假黄单胞菌属物种（图S1）。该菌株具有广泛的多环芳烃降解能力，能够降解萘、荧蒽、菲、芘和氟蒽等多种多环芳烃，同时还具备适应多种环境条件的潜力，这为其在生物修复中的应用带来了巨大前景（图S2-S4及表S1）。

G3株在降解过程中表现出拮抗作用

结论

本研究从多环芳烃污染土壤中分离得到了假黄单胞菌G3株。该菌株对菲和芘具有很强的生物降解能力，菲在5天内几乎被完全降解，而芘在7天时的降解率达到了84.2%。在混合多环芳烃降解过程中，观察到了拮抗作用：芘不会影响菲的降解，而菲则会显著抑制芘的降解，使得其在7天时的降解率降至64.8%。通过整合代谢中间产物分析

环境意义

本研究表明，菲通过两种抑制-竞争机制抑制芘的降解：首先，菲优先占据由芘激活的苯甲酸降解途径，同时抑制芘降解过程中的儿茶酚降解途径。这种代谢相互作用会形成瓶颈，限制混合体系中的多环芳烃降解效率。为了提高生物修复的效果，需要系统地考虑多环芳烃的种类和浓度以及降解微生物的代谢特性

CRediT作者贡献说明

Brian J. Reid：撰写——审阅与编辑。Chao Cai：撰写——审阅与编辑、指导、资金获取、概念设计。Yongkai Liao：实验研究。Haixuan Zhou：方法学研究、数据整理。Suhang Wang：撰写——初稿、实验研究、数据整理。Jiaqing Liang：撰写——初稿、实验研究、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本项目得到了中国国家重点研发计划（项目编号2024YFC3713802）以及厦门市自然科学基金项目（项目编号3502Z202571076）的支持。