基于成团泛菌对银还原转化的过程与机制研究

The process and mechanism of noble metal transformation mediated by microorganism is a hot topic in the environmental geochemical cycle of noble metal. Silver ion is one of the most toxic metal cations to cells. Researches show that some microorganisms could resist the toxicity of silver ions, and can reduce silver ions to zero-valent silver nanoparticles. However, the molecular mechanism of silver bioreduction transformation in cells is still unclear. This proposal is based on the silver reduction transformation in Pantoea sp. IMH. We will use synchrotron radiation and Raman imaging techniques to in situ characterize the changes of silver chemical form and reduction sites in cells. According to the analysis of transcriptome and Q-PCR results, we will construct the mutant strain of target gene for silver reduction. Then the molecular mechanism of silver reduction by Pantoea sp. IMH will be explored by the function verification of the target gene. This work will shed new light on the key role of microorganism in the silver biogeochemical cycle, and provide theoretical and experimental basis for the bioremediation of noble metal contaminated soil and green synthesis of metal nanoparticles.

微生物介导的贵金属转化过程与机制是贵金属环境地球化学循环研究中的前沿热点问题。银离子是毒性最强的金属阳离子之一，研究表明微生物能够抵御银离子的毒性，将银离子还原为零价纳米银。然而目前微生物对银还原转化的分子机制尚不清楚。本项目拟基于成团泛菌 Pantoea sp. IMH介导的银还原转化，综合利用水化学分析、现代光谱技术、分子生物学等多种手段探究银还原转化的原位过程和微生物还原银的分子机制。基于细胞对银还原动力学结果，利用同步辐射技术和拉曼成像技术，原位表征细胞中银的赋存形态变化和银的还原作用位点变化。结合转录组分析，构建银还原目标基因突变菌株，通过对目标基因的功能验证，探究微生物对银还原转化的分子机制。本项目通过从宏观尺度深入到分子水平揭示细胞中银还原转化的过程与机制，阐明微生物在银生物地球化学循环中的关键作用，为贵金属污染土壤生物修复及纳米颗粒生物绿色合成研究提供理论基础。

微生物介导的银还原转化过程与机制是贵金属生物地球化学循环中的关键热点问题。在国家自然科学基金委资助下，本项目基于具有多种金属抗性基因簇的菌株Pantoea sp. IMH探索微生物对银还原转化的过程与分子机制。首先，利用多种表征方法对微生物还原银离子胞内胞外生成纳米银进行表征分析，证明细胞胞外胞内都有纳米银的生成。接着，基于纳米银在细胞中的均匀分布，作为SERS基底，从而实现了单细胞的三维拉曼成像。拉曼图像结合多元曲线分辨分析（MCR）模型发现葡萄糖或NADH依赖还原酶实现细胞质中Ag(I)的还原。进一步采用转录组和蛋白组对银离子还原的分子机制进行探索，低浓度银离子处理下，细胞主要应用氧化应激反应和能量代谢中糖代谢来还原银离子同时降低银离子毒性；高浓度银离子处理下，细胞通过了更多的通路如硝酸盐还原抗性机制，金属离子抗性机制，谷胱甘肽机制调控银离子在细胞质内的还原转化。该工作在分别从光谱水平和基因水平上揭示微生物还原银的分子机制，为贵金属生物地球化学循环和纳米材料的生物合成提供了新见解。