重要石油微生物治理石油污染的代谢调控机制研究

微生物治理石油污染是最具发展潜力的技术手段。认识石油微生物的代谢调控机制有助于更有效地利用和改造微生物，从而突破这一技术的发展瓶颈。嗜热脱氮土壤芽胞杆菌NG80-2是一株能够降解重油和多种芳香烃的重要石油细菌。由于其具有兼性厌氧的特征，是研究石油微生物分别在有氧和无氧条件下的代谢调控模式的绝好材料。前期研究已经破译了该菌的全基因组序列图谱，并且首次鉴定了长链烷烃降解途径及苯甲酸等多种新型的芳香烃降解途径。本项目将在此研究基础上，采用蛋白质组学、转录组学、代谢组学和生物信息学的研究方法，进一步识别和鉴定该菌的石油烃降解和调控基因，从分子水平上揭示石油微生物的代谢调控和环境适应性机制，建立微生物降解石油烃（包括有氧和无氧）的代谢调控网络模型。重点研究该菌在无氧条件下的石油烃降解的调控机制，研究脱氮途径的表达、调控及其与石油烃降解的协同作用机制，为进一步改造或构建高效厌氧石油降解工程菌奠定基础。

本项目在前期研究基础上，针对具有兼性厌氧特征的模式石油菌NG80-2，采用转录组学、蛋白质组学、代谢组学、比较基因组学和生物信息学的研究方法，进一步识别和鉴定了该菌中石油烃降解的重要功能及调控基因，从分子水平上研究了石油菌的代谢调控和环境适应性机制，揭示了有氧和无氧条件下降解烷烃的代谢网络及异同，并在石油污染生物治理、重油乳化、生物炼化等技术的应用以及其它相关石油菌的研究方面取得重要成果。发表学术论文10篇（SCI收录7篇），申请国内发明专利2项。主要包括：.1）在代谢组学水平上研究该菌无氧降解烷烃的规律，揭示其无氧降解烷烃与脱氮途径的协同作用（依赖NO3-而不能利用NH4+），发现烷烃无氧降解范围（C15-C18）小于有氧降解范围（C15-C36）。2）利用转录组学手段发现其烷烃的无氧降解与有氧降解途径的差异（同为利用LadA起始，而后续醇醛脱氢酶不同），并进一步证实脱氮途径的调控与烷烃无氧降解之间的协同作用。这是首次在分子水平上揭示烷烃无氧降解的代谢通路，为进一步改造或构建高效厌氧石油烃降解工程菌奠定基础。3）比较基因组学研究显示，NG80-2与同种标准株DSM465（不能降解烷烃）的全基因组共享2991个基因。除第一步关键基因LadA只存在于NG80-2的质粒（外源获得）中外，其它烷烃降解途径相关的所有基因均为两者共有，这表明LadA的获得赋予了NG80-2利用烷烃为唯一碳源的生长能力。这是首次发现由一个基因介导细菌获得一条新的生存途径的现象，为认识环境压力与细菌进化间的关系提供新的例证。4）烷烃降解关键基因LadA的改造结果表明，突变酶活性提高2-3.4倍，在治理石油污染中具有更为显著的应用价值和优势。5）首次完成关于嗜热菌降解芳香化合物的蛋白组学研究，揭示四条芳香化合物降解途径的非特异诱导程度、相关调控因子及对中心能量代谢途径的调控。完成了关键基因在大肠杆菌中的高效表达，为开发生物降解制品并实现产业化提供基础。6）在应用研究方面，开展了NG80-2处理采油和石化废水的研究，证实该菌在石油污染生物治理方面具有较好的应用前景。发明了采用微生物菌剂制备乳化重油产品的创新性技术方法。开发了利用NG80-2生产380号清洁型船舶燃料油的生物技术。7）在其它石油菌研究方面，完成了采油菌肠属杆菌FY-7合成纤维素的j机制研究及戈登氏菌C-6中生物脱硫途径的分子遗传分析。