微生物修复石油污染的厌氧解烃分子机制及重要功能基因研究

Microbial remediation is an important technology and a research hotspot for oil pollution control. Recent studies have shown that, anaerobic biodegradation of petroleum hydrocarbons is dominant in nature. The mechanism of anaerobic biodegradation of petroleum hydrocarbons still remains unclear and the research of functional genes is very scarce. Furthermore, study on the mechanism of regulation on the anaerobic degradation of petroleum hydrocarbons is even more difficult. The facultative anaerobic Geobacillus thermodenitrificans NG80-2 possesses the extraordinary ability of degrading long chain alkanes and diversiform aromatic compounds. In the previous study, we have reported the whole genome sequence of this bacterium and identified the aerobic degradation pathway of long chain alkanes and a variety of aromatic hydrocarbons. We also confirmed its capacity of anaerobic degradation of petroleum hydrocarbons and preliminarily predicted some related genes. In this study, the transcriptomics, proteomics, metabolomics, molecular biology, protein crystallography and bioinformatics approaches will be applied to detect and identify the novel anaerobic oil-biodegradation/regulation genes, and establish the metabolic regulation networks of anaerobic oil-biodegradation pathway. In addition, the key enzymes involved in the anaerobic oil-biodegradation pathway will also be optimized. The outcome of this study is expected to lay a solid foundation for the reform or construction of effective anaerobic oil-biodegradation engineering bacteria which will help to solve the prevalent difficulties in oil pollution control.

微生物修复技术是治理石油污染的重要手段和研究热点。近期发现，石油烃的厌氧生物降解过程在自然界中占主导地位。当前厌氧解烃机制仍不明确，功能基因研究匮乏，而调控机制研究更是难点。兼性厌氧菌嗜热芽胞杆菌NG80-2是一株具有特殊的降解长链烷烃和芳烃能力的重要模式石油菌。前期我们在国际上首次报道了该菌的全基因组图谱、长链烷烃和多种芳烃的有氧降解途径，并证实了该菌的厌氧解烃能力、初步预测了若干厌氧解烃相关基因。本项目将在上述基础上，以该菌的厌氧解烃特征为着手点，综合采用转录组学、蛋白质组学、代谢组学、分子生物学、蛋白晶体学和生物信息学等研究方法，识别和鉴定该菌的石油烃厌氧降解基因和调控基因、揭示石油微生物厌氧解烃途径的分子机制和调控机制、重点解析并优化石油烃厌氧降解的关键酶，为开发从整体代谢网络的水平上增强石油降解能力的厌氧工程菌、从而解决石油污染治理中更为普遍存在的缺氧降解难题奠定基础。

微生物修复技术是治理石油污染的重要手段和研究热点。近期发现，石油烃的厌氧生物降解过程在自然界中占主导地位。当前厌氧解烃机制仍不明确，功能基因研究匮乏，而调控机制研究更是难点。Geobacillus thermodenitrificans NG80-2和 G. thermoglucosidasius W-2是分离自地下深层高温油藏环境、具有降解重油和其它烷烃衍生物能力的兼性厌氧菌。本项目综合采用转录组学、蛋白质组学、代谢组学、分子生物学、生物信息学和基因工程等研究方法，针对NG80-2和W-2的厌氧解烃特征开展研究并取得重要结果，主要包括：1）揭示烷烃的厌氧生物降解途径可采取类似于有氧途径的过程，但利用不同类型的厌氧酶催化完成；其厌氧调控方式是由氧敏感的调控蛋白介导；2）揭示两种新型硝基烷降解途径，其由加氧酶（NMO）和氧化酶（NAO）分别负责有氧和无氧的降解反应；3）改造获得多株可在有氧/厌氧条件下高效降解烷烃或硝基烷的工程菌；4）揭示烷烃衍生物-烷基磺酸盐的单加氧酶双组分系统（SsuD/SsuE）的脱硫降解机制；5）揭示石油菌无氧合成细菌纤维素（BC）的能量代谢机制。上述研究结果首次阐明了石油菌厌氧解烃的新型分子机制，这是与以往研究报道具有显著不同的机制、也是更为深入解析的新发现，丰富了人们对石油微生物的认知，具有重要的科学意义和创新性。相关高效厌氧解烃工程菌的构建改造，为解决实际应用中石油污染生物厌氧修复的难题奠定了基础。同时，本研究还揭示了其它首次发现的石油烃类衍生物的生物降解机理以及石油菌厌氧产细菌纤维素的分子机制，为解决重油的脱硫脱氮难题、减少环境污染和微生物采油应用机理的研究提供了新的科学依据。共发表国际学术期刊论文8篇（标注资助），包括Bioresource Technology、Science of the Total Environment、Scientific reports等SCI收录6篇，总影响因子23.941；申请国家发明专利14项（6项已授权）、实用新型专利10项（已授权）。