邻苯二甲酸酯对荧光假单胞菌的毒理效应与损伤机制

Pseudomonas fluorescens is an important beneficial microorganisms, however, the abundance is severely inhibited by phthalates in soil. In order to control and repair the soil pollution, it is extremely important and urgent to clarify the environmental behavior of phthalate, and understand the toxicological effects and molecular damage process of phthalates on Pseudomonas fluorescens. The project will study from cell population, individual, cell micro-interface, endocytosis and multi-group levels by the growth model simulation, electron microscopy, molecular detection, molecular markers, high throughput sequencing and big data analysis techniques, and then, to reveal the biotoxicological behavior of phthalates against Pseudomonas fluorescens. It includes four aspects, such as the response of growth and morphology of Pseudomonas fluorescens to phthalate pollution, the interaction between phthalate and Pseudomonas fluorescens cells, the internalization of phthalate into Pseudomonas fluorescens, and the mechanisms of the genetic and metabolic damage caused by phthalates on Pseudomonas fluorescens. The project will be of scientific significance and practical value to optimize soil ecological functions and improve soil environmental quality, also, it will provide theoretical basis and technical support for controlling the phthalate pollution and researching the bioremediation technologies.

荧光假单胞菌是土壤中重要的有益微生物种群，其种群丰度受邻苯二甲酸酯抑制，但是邻苯二甲酸酯对于荧光假单胞菌的毒理效应和损伤机制尚不明确，这对土壤邻苯二甲酸酯污染调控与修复是极其重要与迫切的。本项目拟从细胞群体、个体、细胞微界面、细胞内吞和多组学水平着手，采用生长模型模拟、电子显微、分子检测、分子标记、高通量测序和大数据分析等技术，解析荧光假单胞菌生长与形态学对邻苯二甲酸酯污染的响应过程，明确邻苯二甲酸酯与荧光假单胞菌细胞微界面的互作关系，阐释邻苯二甲酸酯在荧光假单胞菌细胞膜上内化过程，阐明邻苯二甲酸酯对荧光假单胞菌的遗传与代谢损伤机制，进而系统地揭示邻苯二甲酸酯对荧光假单胞菌生物毒理学行为机制，为防治邻苯二甲酸酯生态毒理效应和研发修复技术提供理论基础与技术支持，也将对优化土壤生态服务功能和改善土壤环境质量等方面具有重要科学意义。

邻苯二甲酸酯（PAEs）类物质常被用作增塑剂和农药助剂，在自然条件下很难进行光解和水解，从而在环境中大量积累，其环境毒性已被高度关注，其中邻苯二甲酸二甲酯（DMP）、邻苯二甲酸二乙酯（DEP）和邻苯二甲酸二丁酯（DBP）等PAEs类污染物已被美国环境保护署和中国环境监测中心列为优先控制污染物。PAEs对动、植物的毒性被广泛研究，但是到目前为止针对微生物的研究还停留在对微生物的群落结构的影响。因此，本项目旨在研究DMP对典型环境微生物Pseudomonas fluorescens（P. fluorescens）的毒理效应，进而揭示DMP对细菌的毒理作用机制。.通过监测P. fluorescens生长、细胞膜组成、完整性及氧化应激酶系发现，DMP显著抑制P. fluorescens的生长，并能够吸附于细菌的壁、膜，进入细胞内。DMP导致P. fluorescens损伤及死亡，且损伤及死亡率与DMP浓度有关。DMP降低细胞表面电势，细胞表面不饱和化合物含量增加，饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的比值减小，增加细胞表面疏水性、细胞膜流动性及通透性，影响细菌正常生长。DMP导致细菌微界面褶皱、变形，甚至出现细胞内容物的泄露。DMP破坏细胞膜的完整性，且随着DMP浓度的增加钙黄绿素释放量增加，即细胞膜损伤程度越大。DMP导致细胞内活性氧浓度和丙二醛含量增加以及超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性降低，说明氧化损伤程度逐渐增强，导致细胞失活或死亡。.通过转录组学、蛋白质组学和代谢组学发现，DMP抑制P. fluorescens的能量代谢，损伤细菌双组份系统；DMP抑制转录、复制、重组和修复，干扰了遗传信息的处理；DMP抑制细胞壁/膜/包膜生物发生和辅酶转运与代谢进而损伤细胞膜；同时抑制了能量代谢如TCA循环、糖酵解和磷酸戊糖途径中相关蛋白和代谢物的表达，同时降低葡萄糖利用率；己糖激酶活性、琥珀酸脱氢酶和ATP酶活性被DMP显著抑制。综上所述，DMP通过对P. fluorescens细胞微界面的损伤，产生氧化应激，进而影响基因、蛋白质和代谢物的功能与途径，最终导致细胞失活或死亡。本项目为防治PAEs生态毒理效应和研发修复技术提供理论基础与技术支持。