异养好氧细菌产生胞外超氧化物的机理及其在水污染修复的潜在应用

The synthetic reactive oxygen species (ROS) are widely applied to degrade persistent organic pollutants in water, despite its relative-high cost and limited range of application. Our previous study on two heterotrophic aerobic bacterial strains (Arthrobacter and Sphingopyxis) revealed that interactions between the two strains could induce the production of substantial extracellular superoxide (•O2ˉ), which can be transformed to stronger oxidants, such as hydrogen peroxide and hydroxyl radical. The finding implies that the interspecies interactions between/among heterotrophic aerobic bacteria can be exploited to generate extracellular superoxide at a lower cost. But the mechanism involved in the observation above is not clear. Hence, this project is aimed to explore the specific manner of the interspecies interactions (focusing on the type IV/VI secretion systems based on our previous study), and the immediate cause of the production of extracellular •O2ˉ (specially focusing on suppression of electron transport). The effective method was also explored to enhance the generation of extracellular •O2ˉ via the interactions among the microbial community in wastewater. These results will contribute to a better understanding on the mechanism responsible for the generation of extracellular •O2ˉ by heterotrophic aerobic bacteria, and support the application of biogenic ROS in pollution remediation.

人工合成的活性氧被广泛用于氧化降解水体中的难降解有机污染物，但存在成本较高和使用范围受限等局限性。我们前期基于两株异养好氧细菌（节杆菌和鞘氨醇盒菌）的研究发现两菌株的种间相互作用促使产生大量胞外超氧自由基（•O2ˉ），而•O2ˉ可转化成氧化性更强的过氧化氢和羟基自由基。这启发我们可以利用异养好氧细菌的种间相互作用低成本地产生活性氧。但是上述种间相互作用的机制还不清楚。本项目拟综合利用生物信息学、分子生物学和培养实验考察上述两菌株种间相互作用的途径（基于前期研究结果，重点考察第四/六分泌系统）以及导致产生胞外•O2ˉ的直接原因（重点考察电子传递受阻），并探索在污水中利用微生物种间相互作用产生胞外•O2ˉ的方法。研究结果将有助于揭示异养好氧细菌产生胞外活性氧的机理，并为利用生物源活性氧修复污染提供支持。

人工合成的活性氧（如过氧化氢、羟基自由基和臭氧）已广泛应用于水处理中，但合成反应复杂、成本较高。已有研究发现自然界的很多异养好氧细菌能产生超氧自由基，但产生机制及菌株生理特征仍未明晰，相关应用也鲜有报道。据此，本研究以 1 株节杆菌为主要研究对象，探究了其产生胞外超氧自由基的过程和分子机制，并进一步探索了利用微生物源胞外活性氧强化去除水中典型微量污染物的可行性。.研究发现节杆菌Arthrobacter sp. QXT-31（以下简称为A. QXT-31）在处于碳源饥饿状态下摄取碳源后，能够释放胞外超氧自由基。在另外2株节杆菌（Arthrobacter cupressi和 Arthrobacter humicola）的研究中也发现相似现象。研究发现碳源代谢过程中产生的大量电子是菌体产生超氧自由基的必要因素。.随后通过液相色谱-质谱联用等化学分析技术对A. QXT-31培养上清液进行分离与鉴定，确定上清液中的1种铁载体（去铁胺，deferoxamine，DFO）能够刺激A. QXT-31菌体释放胞外超氧自由基，其他4种铁载体（肠杆菌素、去铁胺E、铁色素和乙酰氧肟酸）和2种人工合成的金属络合物（二乙基三胺五乙酸和乙二胺四乙酸）都具有相似功能。进一步通过RNA-Seq分析结果推断胞外超氧自由基产生机制为：以DFO为代表的铁载体能通过螯合Fe(III)，破坏A. QXT-31电子传递链复合物I和复合物III上的电子传递蛋白，导致富电子状态的电子传递链（代谢碳源所致）上的单电子泄漏到胞外，从而产生超氧自由基。本研究揭示了铁载体在微生物生态中的重要角色，当环境中碳源恢复时，一些细菌能够向胞外释放有生物毒性的超氧自由基，抑制周边其他细菌的生长和对碳源的摄取，以保证自身能更好存活和繁殖。微生物源胞外超氧自由基被转化为氧化性更强的过氧化氢，后者能够强化降解抗生素混合液（共10种抗生素，每种浓度为10 μg•L-1）中的8种抗生素（磺胺嘧啶、磺胺甲恶唑、土霉素、四环素、恩诺沙星、氧氟沙星、红霉素和罗红霉素）。表明通过刺激细菌产生胞外活性氧类物质能够强化去除水体特定污染物。.上述研究结果揭示了微生物胞外活性氧的可能产生机制和工程应用的潜力。