酚类根系分泌物-烷基酚的共代谢降解机理及分子响应机制

As hardly-degrading organic contaminants, the effective degradation of alkylphenols (APs) is contributed by microbial co-metabolism, however, the traditional cometabolic substrates either are poor pertinence or produce dangerous by-products. Furthermore, the molecular biological mechanism of co-metabolism is still unknown. Hence, phenolic root exudates (PREs), with similar chemical structure as target pollutant APs, are used as the cometabolic substrate to study the mechanisms of degradation and response of PREs-APs system. By using the methods of radioisotope tagging, LC-MS/MS, high-throughput sequencing, and bioinformatics analysis, we investigate the degradation pathway and catalytic mechanism of APs in different phase (hydroxylation and ring cleavage) under the influence of PREs (monohydroxy and ortho-dihydroxy), reveal the mapping relationship between microbial succession and APs degradation, and illuminate the selective induction of APs-degrading bacteria by PREs. The results of this study are helpful for understanding the cometabolic degradation mechanism of APs by the synergy of PREs-microorganisms and the molecular response mechanism of microorganisms by the interaction of PREs-APs, which is benefit to the further research for applying selective regulation mechanism of APs-degrading bacteria by PREs.

微生物共代谢作用可促进难降解有机污染物烷基酚（APs）的有效降解，但常用共代谢底物往往特异性差或易导致二次污染，同时共代谢的分子生物学机制也不甚清晰。基于此，本项目拟选择与目标污染物结构相似的植物体酚类根系分泌物（PREs）作为APs共代谢底物，研究PREs-APs共代谢体系的降解机理和响应机制。通过放射性同位素标记、液相二级质谱等方法，研究不同功能结构（单羟基、双羟基）PREs影响下APs在羟基化阶段及开环阶段的关键降解途径及其酶作用机制；结合高通量测序和生物信息学手段，分析微生物群落演替与APs降解功能的映射关系，在此基础上，阐明PREs对APs降解功能菌群的选择性诱导作用。研究结果有助于揭示PREs-微生物协同作用下APs的共代谢降解机理，及PREs-APs交互作用下微生物的分子响应机制，为PREs对APs降解功能菌群的选择性调控研究提供新思路和理论依据。

微生物共代谢可促进难降解有机污染物烷基酚（APs）的有效降解，但常用共代谢底物往往特异性差或易导致二次污染，同时共代谢的分子生物学机制也不甚清晰。基于此，本研究拟选择与目标污染物结构相似的植物体酚类根系分泌物（PREs）作为共代谢底物，以对叔丁基苯酚（PTBP）作为典型APs， 研究PREs-APs共代谢体系的降解机理和响应机制。.在本研究中，我们选取四种代表性湿地植物PREs（对羟基苯甲酸、对香豆酸、咖啡酸、阿魏酸）为研究对象，来研究不同化学结构的PREs影响下PTBP的去除速率和途径，以及PREs影响PTBP降解的作用机制。结果表明通过外源添加对羟基苯甲酸、对香豆酸和阿魏酸可以增强包含PTBP降解菌在内的芦苇根际微生物的活性从而促进PTBP的降解速率，其中对香豆酸的效果最好。虽然咖啡酸也能促进微生物生长但是对PTBP降解作用没有明显效果。这很可能是因为含有与PTBP相似的单羟基结构的PREs促进了释放单加氧酶的微生物的增殖，加快了PTBP的羟基化反应，从而提高了PTBP的降解速率，而含有邻位双羟基结构的咖啡酸则无法作用于这一重要的开环步骤。.此外，我们又选取两种代表性根系分泌物（REs），即对香豆酸和草酸，分别作为特异性共代谢底物和非特异性共代谢底物，研究REs影响下PTBP的微生物响应、酶催化机制、及其降解途径。结果表明通过添加REs可以显著提高厌氧功能菌群的丰度和多样性，进而促进PTBP作为碳源被厌氧氨氧化菌利用、以及作为电子供体被反硝化菌利用。两种REs均能够强化非特异性酶（多酚氧化酶）的活性，但只有PREs才能够促进特异性酶（单酚氧化酶）生成，从而催化PTBP的羟基化反应以及随后的开环裂解过程。此外，PREs的添加可以显著富集降解功能菌群（鞘氨醇单胞菌和芽单胞菌），特别是在无植物系统中可以强化双加氧酶活性促进PTBP的开环反应，因此，通过外援添加PREs在一定程度上可以代替植物作用。.研究结果有助于揭示PREs-微生物协同作用下APs的共代谢降解机理，及PREs-APs交互作用下微生物的分子响应机制，为PREs对APs降解功能菌群的选择性调控研究提供理论依据。