解环菌中荧蒽降解途径的解析及其与海杆菌协同降解荧蒽的分子机制研究

Fluoranthene is ubiquitous in the environment, exhibits genotoxicity and can potentiate the carcinogenicity of benzo[a]pyrene. The removal of fluoranthene from contaminated environment is mainly through microbial biodegradation. At present, our knowledge about the fluoranthene-biodegradative pathway is mainly derived from the Gram-positive strains of the genus Mycobacterium and Rhodococcus. In this study, the three strains of the genus Cycloclasticus isolated from Yellow Sea sediments are representative Gram-negative fluoranthene degraders, the fluoranthene-degradative genes and pathway of which are still unknown. In our previous study, although Marinobacter sp. D15-8W could not degrade fluoranthene, it did enhance the degradation rates of fluoranthene by Cycloclasticus spp.. It is worthy to study the molecular mechanism underlying the synergic effect by bacterial consortium in high molecular weight PAHs biodegradation including fluoranthene. In this study, we aimed to elucidate the fluoranthene-degradative genes and pathway in Cycloclasticus spp. and the molecular mechanism of its synergic effect with Marinobacter spp. in fluoranthene biodegradation by a polyomic approach.

荧蒽在环境中广泛存在，具有基因毒性，并且能够增强B[a]P的致癌性。微生物降解是荧蒽从环境中去除的主要途径。目前，对于荧蒽生物降解途径的认识主要来源于革兰氏阳性细菌中的分枝杆菌属（Mycobacterium）和红球菌属（Rhodococcus）的降解菌。本研究所涉及的从黄海沉积物分离到的3株不同的解环菌属细菌（Cycloclasticus spp.）是为数不多的能够降解荧蒽的革兰氏阴性海洋细菌，其荧蒽降解关键酶基因及降解途径均未见报道。前期研究还发现，尽管协同菌株（海杆菌）本身并不能降解荧蒽，但它与荧蒽降解菌（解环菌）在共培养条件下可以提高其对荧蒽的降解率，细菌间协同降解荧蒽等高分子量多环芳烃（HMW PAHs）的分子机制值得深入研究。本研究拟采用多重组学方法，期望从3株解环菌中发现荧蒽降解关键酶基因、提出革兰氏阴性细菌中的荧蒽降解途径、并阐释海杆菌协同解环菌降解荧蒽的分子机制。

通过极限稀释法结合萘熏蒸培养法对解环菌培养物进行了纯化。通过高通量测序获取了2株解环菌属细菌和1株海杆菌属细菌的基因组序列，并完成了基因功能注释。将解环菌中的荧蒽降解关键酶基因克隆到表达载体pET-28a(+)中，并在E.coli BL21感受态细胞中进行了异源表达。通过比较转录组学、RT-PCR方法确定了黄海解环菌中负责荧蒽降解的关键基因簇phnA1A2A3A4。通过比较转录组学方法确定了海杆菌中与PAHs及其代谢中间产物的利用、降解有关的差异表达基因（DEGs），从分子水平上证明海杆菌可能是通过利用荧蒽的中间代谢产物，从而促进反应向右进行，提高了荧蒽的移除率。此外，在黄海解环菌PY97N的基因组完成图中共发现了3个重金属抗性基因岛，其中所编码的大多数蛋白是与重金属利用、抗性有关的。黄海沉积物中较高的重金属污染水平作为一种选择压力，造成了该菌株从环境中纳入、整合了大量的重金属抗性基因以适用于其特殊的生境。反之，这些重金属抗性基因岛的存在也有助于该菌株对重金属胁迫的环境适应性。综上，本研究通过多重组学方法初步阐释了荧蒽降解过程中解环菌与海杆菌协同作用的分子机制，以及重金属抗性基因岛与菌株Cycloclasticus sp. PY97N环境适应性的关系，即耐受黄海沉积物中较高的重金属污染（特别是铜）的机制。