红球菌YYL降解四氢呋喃的分子机制研究

四氢呋喃（tetrahydrofuran,THF）的大量排放已使其成为一种影响生态安全和环境健康的难降解致癌性有毒有机污染物。利用微生物治理THF污染是一种行之有效的手段，但目前对微生物降解THF的机制还缺乏深刻认识。本项目拟以实验前期分离的一株THF高效降解红球菌YYL为研究对象，运用高覆盖基因表达谱技术、Red重组系统等现代分子生物学手段，捕获菌株YYL降解THF的相关关键基因，利用生物信息学的方法进行基因功能分析预测，并通过基因敲除和穿梭质粒回补验证基因作用和关键性，建立红球菌中THF的代谢途径，明确红球菌YYL降解THF的分子机制，并为THF降解单加氧酶的进化研究提供材料。本项目不仅对改造和利用红球菌进行生物强化提升THF废气废水处理的效能有着重要意义，也有助于丰富对微生物代谢机制的认识，为拓展这些微生物在环境污染治理中的应用、提升污染治理的效率和水平奠定坚实基础。

四氢呋喃（THF）的大量排放已使其成为一种影响生态安全和环境健康的致癌性有毒有机污染物。但THF是一种难生物降解化合物，到目前，报道能够利用THF为唯一碳源或者能够降解THF的微生物种类也相对较少，而对于微生物降解THF的分子机制只在假诺卡氏菌属中有所报道，对于红球菌降解THF的分子机制仍然缺少研究。实验室在前期研究中分离鉴定了一株THF降解红球菌，该菌株能够耐受高达100mM THF，且在浓度低于50mM时无显著延滞期，其降解速率要显著高于已经报道的相关菌株。. 本项目以红球菌YYL为研究对象，通过染色体步移技术扩增了菌株YYL中的THF降解基因簇，运用生物信息学的方法分析了红球菌THF降解基因簇中各基因的功能。利用转录组高通量测序、荧光定量PCR等分子生物学技术，研究了菌株YYL降解THF过程中的基因表达谱，发现了THF降解过程中的111个显著差异表达基因，运行生物信息学手段阐明了这些基因主要分布在38个GO功能类别和52条KEGG显著富集代谢通路中。在THF降解过程中细胞内脂肪酸代谢、香叶醇代谢、丙酸代谢、丁酸代谢等KEGG途径得到显著富集。对其中的24个主要差异表达基因表达量的定量研究表明THF降解单加氧酶、芳香族氨基酸合成途径相关酶、肪酸代谢途径相关酶及γ-氨基丁酸转运体和Mn2+/Fe2+转运体等基因表达量均显著高于对照。在转录组研究的基础上，利用核磁共振扫描(NMRS)等代谢组学方法研究了菌株YYL降解THF过程中的代谢物组成的变化，菌株YYL在降解THF过程中通过调整代谢途径利用乳酸代谢增加能量供应，通过海藻糖、谷氨酸及谷氨酰胺等相容性物质的合成增加菌株对THF的耐受性。. 综上所述，通过染色体步移、高通量测序、荧光定量PCR等分子生物学方法和核磁共振扫描等现在分析方法的综合运用，结合生物信息学分析手段表明，菌株YYL在降解THF的同时，利用THF的降解产物合成细胞自生的组成物质之外，还通过部分合成相容性物质如4-氨基丁酸、海藻糖、谷氨酸和谷氨酰胺等物质提高细胞对高浓度THF、低pH值等的耐受性，并通过加大脂肪酸等物质代谢增加能量供给和组成物质的更替，实现对高浓度THF的有效降解，研究结果初步阐明了红球菌YYL降解THF的分子机制和其耐受THF的机制，有助于为强化和提高THF废水的处理效率提供理论支持。