芘和荧蒽微生物降解菌群的结构解析及降解机理的研究

High-molecular-weight polycyclic aromatic hydrocarbons (HMWPAHs) are carcinogenic and mutagenic. Exposures to the HMWPAHs are potentially endangered human health and environmental safty. HMWPAHs are eventually degraded via microbial degradation. This proposal proposes to evaluate the function of rare microbial species and the degradative pathway for pyrene and fluoranthene by a defined microbial consortium that is enriched from soil samples of a coking plant.The consortium will be evaluated with culture-dependent and -independent methods. Species diversity will be assesed by pure culture and 16S rRNA gene catolog. Degradative intermediates will be determined by HPLC-MS, NMP, etc. Genes involving in degradation will be identified by genome sequencing. Degradative pathway for pyrene and fluoranthene will be proposed by combination of the data from genetic and physiological studies. The dominant as well as the rare microbial speices of the consortium will be cultivated. Ecological significance and physiological function of rare species will be investigated.

高分子量多环芳烃具有致癌、致畸、致突变等生物学毒性，其污染对人类健康和生态环境构成危害。研究表明，多环芳烃在环境中被微生物分解，最终被矿化为二氧化碳和水。本研究以芘和荧蒽为碳源，在已有降解富集培养物的基础上，建立连续微生物降解系统，培养高效降解芘和荧蒽的稳态菌群；比较稳态菌群与富集培养物菌群的组成和结构，重点关注种类多样、但比例低的稀有菌种；鉴定芘、荧蒽降解的中间代谢产物；分析富集物和连续稳态降解菌群的元基因组，发掘新的可能与降解相关的基因及其催化的降解反应；建立新的培养分离方法和技术，分离和培养稳态菌群中的稀有菌种，测定2-3个降解菌的基因组，预测稀有菌种的生理功能；最终综合菌群分析、基因组测序、降解途径等研究结果，揭示芘和荧蒽的生物降解途径和降解机理，阐明稀有菌种的生态功能和其在生态系统中的重要性。

高分子量多环芳烃具有致癌、致畸、致突变等生物学毒性，其污染对人类健康和生态环境构成危害。研究表明，多环芳烃在环境中可以被微生物分解，最终被矿化为二氧化碳和水。关于微生物纯培养的PAHs代谢途径已经得到广泛的研究，但是在微生物菌群水平的群体代谢还有待进一步研究探索。本研究以荧蒽为碳源，从北京某焦化厂污染土壤中富集获得了能够高效降解荧蒽的微生物菌群；对降解过程中菌群结构的变化进行了分析，发现荧蒽的浓度显著影响菌群及基因的构成；降解初期，荧蒽浓度较高时，丰度较高的是参与运动、分泌等细胞活动的酶；而在降解后期，荧蒽浓度大大降低，丰度较高的是参与代谢相关的酶；利用GC-MS对菌群的荧蒽代谢产物进行检测，共检测到23个代谢中间产物，包含6个以前未报道的荧蒽代谢产物及12种功能未鉴定蛋白，据此绘制了菌群的荧蒽代谢网络；结合PICRUSt预测结果、文献报道以及KEGG数据库的数据，对荧蒽代谢每一步所需的酶以及哪些细菌对这些酶贡献较大进行了分析，结果表明Mycobacterium和Diaphorobacter等参与荧蒽降解的上下游途径，Sphingopyxis、Agrobacterium和Hyphomicrobium等对荧蒽降解的下游基因贡献较大；开发了一种高通量液滴微流控阵列菌株分离方法，利用该方法，成功分离到了具有显著荧蒽去除能力的菌株Mycobacterium和Blastococcus，其中Blastococcus在该菌群中属于稀有菌株，显著提高了可培养微生物的多样性，并且大大增加了稀有菌株的分离效率；对分离获得的稀有菌种Parapedobacter pyrenivorans P-4与Parapedobacter sp. WY-1进行了生理生化特性及基因组测序分析，解析了菌株降解多环芳烃和环境适应的关键基因，阐明了稀有菌种的生态功能和其在生态系统中的重要性。