海洋微生物厌氧降解高分子量多环芳烃的机制研究

利用微生物为主体的生物修复技术是治理海洋环境中持久性有机污染物(POPs)的主要途径，已成为当今国际海洋环境科学研究的热点；然而，氧含量不足或厌氧状态是制约海水和沉积物中污染微生物修复的瓶颈问题。本项目拟以典型POPs、海洋环境有机污染物黑名单之首的高致癌、难降解物质- - -高分子量多环芳烃(PAHs)为研究对象，依靠前期相关研究获得的强厌氧降解PAHs的海洋施氏假单胞菌JP1等成果，利用先进的化学、现代生物学技术，分析菌株厌氧降解高分子量PAHs的中间代谢产物、推测降解途径；分离、鉴定其降解过程中的特异蛋白/酶；进一步根据蛋白质测序、数据库查询结果，进行降解基因（簇）的克隆及其结构、功能和表达调控研究，选择关键酶的编码基因进行原核表达和功能验证。其结果可为充分挖掘海洋环保功能基因资源、诠释微生物厌氧降解PAHs的分子机制、高效工程菌的构建及成功应用环境有机污染的生物修复过程奠定基础。

海洋微生物Pseudomonas stutzeri JP1是从汕头近海沉积物中分离得到的一株兼性厌氧菌，在有氧或厌氧条件下都能以多环芳烃(PAHs)唯一碳源和能源生长，并具有降解菲、荧蒽、苯并(a)芘等多种PAHs污染物的能力。其中有氧条件下培养30天，菌株JP1对10 mg/L 苯并(a)芘的降解率是57%；而厌氧条件下培养49天，菌株对10 mg/L苯并(a)芘的降解率为21.7%。添加不同氮源、碳类、电子受体等，能影响菌株厌氧降解苯并(a)芘的能力。.采用GC/MS技术，检测到菌株JP1厌氧条件下降解菲、芘、苯并蒽、苯并(a)芘等PAHs的中间代谢产物，并初步推测出菌株降解苯并(a)芘的代谢途径。在有氧条件下，只检测到菌株JP1降解苯并(a)芘的中间降解产物，未检测到其他PAHs的有氧降解产物；苯并(a)芘有氧降解产物则相对复杂，比厌氧降解检测到更多的产物。.通过对菌株JP1的全基因组序列测定和生物信息学分析发现，其基因组中含有4533个基因，其中的一些基因组成了几个基因簇，包括：一个有氧降解芳烃、两个厌氧降解芳烃、三个硝酸盐还原相关基因的基因簇；并对基因簇中的一些代表性基因通过实时荧光定量PCR进行了转录表达功能验证。 .对菌株JP1在含苯并(a)芘的无机盐培养基中有氧、厌氧条件下进行培养，提取菌株mRNA进行转录组学分析，获得了菌株有氧、厌氧降解苯并(a)芘过程中的转录组学信息：在有氧条件下菌株有1781个差异表达基因，其中表达上调基因610个；在厌氧条件下菌株有1581个差异表达基因，其中表达上调基因541个。对比分析厌氧与有氧条件下菌株降解苯并(a)芘的转录组学信息，共有641个差异表达基因，其中表达上调基因348个，表达下调基因293个。苯甲酰CoA连接酶途径是芳烃厌氧降解的中心代谢途径，在菌株基因组中存在43个该途径的基因，其中有18个基因存在差异表达。.此外，对菌株JP1厌氧降解苯并(a)芘过程中与降解相关的蛋白、编码基因进行了研究。本项目所获结果为阐述高分子量多环芳烃的微生物厌氧降解机制积累了资料。