Sphingomonads的界面行为与有机污染物降解的相关性及调控机制

The abilities to form biofilms and produce biosurfactant are the main strategies of Sphingomonads to improve their biodegradation capacity. However, the underlying mechanisms are unclear. This project will investigate the involvement of Quorum sensing system in the regulatory of the degradation capacity, biofilm formation and biosurfactant production. Based on a model strain of Sphingomonads, this project will study the effect of biofilm formation and biosurfactant production on the degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons, explore the molecular bases for the interface activities, elucidate the component and function of its quorum sensing system, and establish the relationship and regulatory network between quorum sensing, biofilm formation, biosurfactant production and biodegradation efficiency. Scientific findings from this project will provide new solution for biodegradation of complex organic pollution in soil based on the quorum sensing control.

Sphingomonads的界面行为(被膜形成和分泌表面活性物质)是高效降解有机污染物的主要策略，然而其分子生物学基础和调控机制还未明确。本项目旨在以群体感应系统为出发点，研究Sphingomonads的界面行为和降解性能的调控机制。本项目将表征Sphingomonads界面行为对多环芳烃的降解特性的影响，探明其界面行为的分子生物学基础，阐明群体感应系统的组成和调控功能，探讨群体感应与界面行为、降解特性之间相关性和调控机制，建立三者间的基因调控网络。在此基础上获得对付复杂土壤有机污染问题的生物解决新思路。

本项目以Sphingomonads为主要研究对象，探讨微生物的界面行为影响其降解有机污染物的特性及分子机制，重点关注被膜形成和群体感应。项目首先以自行设计的新颖特异性引物调查了Sphingomonads在各类环境界面中的多样性以及分布特征，发现菌群结构与生态位有明显相关性。环境界面中Sphingomonas, Novosphingobium, 和Sphingobium 是主要的物种类型，并且在基因组挖掘中，也是修复多环芳烃-重金属铬复合污染的主要修复菌种来源。调查发现，Sphingomonads内许多菌株拥有复杂多样的群体感应信号系统，多数菌株拥有多个群体感应信号分子合成酶基因，有些在染色体上，有些在质粒上。这个现象与根瘤菌科菌类似。研究发现质粒上的合成酶基因对环境的响应较染色体上的基因更敏感。本项目选择了既能产生群体感应信号分子AHLs，又能降解多环芳烃，且只有一个AHLs合成酶基因的Novosphingobium pentaromaticivorans US6-1为主要研究对象，构建了群体感应缺失突变株和回补株，研究群体感应系统是否以及如何调控其修复性能，包括多环芳烃降解性能、铜耐受性能以及复合污染修复性能。发现US6中群体感应缺失导致细胞表面特征改变，包括表面疏水作用，胞外多糖的产生，zeta电位，通透性等的改变，并进一步提高菌株的菲移除率。群体感应系统在增强US6的抗铜毒性和修复铜-菲复合污染方面也起到一定作用。应急基因rsh是决定US6产群体感应信号分子的关键基因，本项目研究发现rsh敲除导致US6不产生信号分子，同时影响了细胞的表面特征如胞外多糖的产量等。Rsh通过增强细菌生存能力，间接提高污染物降解率，对鞘酯单胞菌的生物修复应用具有一定参考意义。总之，本项目研究表征了Sphingomonads的界面分布，群体感应系统的组成，对有机污染物和复合污染修复的特点和潜能，探讨了群体感应与界面行为、降解特性之间相关性和调控机制，初步建立三者间的基因调控网络，在此基础上希望为对付土壤有机污染复合污染问题的生物解决提供新思路。