不同共代谢基质控制嗜麦芽寡养单胞菌的吡虫啉代谢途径的机理研究

微生物共代谢在难降解性有机物的生物降解中发挥了重要作用。课题组前期研究发现嗜麦芽寡养单胞菌可共代谢降解烟碱类农药吡虫啉（IMI）。添加不同共代谢基质产生不同的IMI降解途径。以糖为共代谢基质，IMI代谢途径为羟基化生成5-hydroxy IMI；以有机酸如丙酮酸钠、琥珀酸钠和乙酸钠等为共代谢基质，嗜麦芽寡养单胞菌可加速IMI降解，除羟基化途径外，该菌进行硝基还原，生成nitrosoimine IMI和urea IMI。本课题借助于嗜麦芽寡养单胞菌R551-3基因组和代谢组学分析，构建EMP途径，HMP途径和TCA循环和乙醛酸循环阻断的S. maltophilia R551-3的突变株，研究突变株对IMI代谢及其代谢途径的影响。通过上述研究，阐明共代谢基质的代谢途径对非生长基质降解的影响机制，并为采用微生物修复法减少IMI的环境污染提供理论依据。

烟碱类杀虫剂是一类高效、高选择性、对哺乳动物安全低毒的含氮杂环杀虫剂。吡虫啉(imidacloprid, IMI)是这类杀虫剂的主要和代表品种之一，目前已在全球超过120 多个国家和140 多种作物上使用。然而IMI在土壤中较为稳定，其土壤残留和产物受到了广泛的关注和研究。课题组发现嗜麦芽寡养单胞菌Stenotrophomonas maltophilia CGMCC 1.1788可通过烯式IMI（olefin IMI）途径快速降解IMI。S. maltophilia CGMCC 1.1788降解IMI为共代谢方式，即需要加入葡萄糖或琥珀酸等初级能源物质， IMI才能被降解。课题组发现不同初级能源物质可导致S. maltophilia CGMCC 1.1788 产生不同的IMI 代谢途径。以蔗糖为初级能源物质，S. maltophilia CGMCC 1.1788 代谢IMI 的途径为羟基化IMI 生成5-hydroxy IMI；以琥珀酸钠为初级能源物质，5-hydroxy IMI则进一步脱水生成olefin IMI。IMI的羟基化需要辅因子NAD(P)H，而5-hydroxy IMI进一步脱水不需要NAD(P)H，但是琥珀酸。NADPH促进IMI的羟基化显著高于NADH；NADPH抑制5-hydroxy IMI的脱水生成olefin IMI，而NADH则不抑制。通过上述研究，本课题组揭示若初级能源物质蔗糖经由HMP 途径代谢，其代谢过程中产生辅因子为NADPH，NADPH 被用于IMI 的羟基化，同时NADPH 抑制5-hydroxy IMI 脱水生成olefin IMI。初级能源物质琥珀酸钠则经由TCA 循环，不产生NADPH，因而不抑制5-hydroxy IMI 的脱水生成olefin IMI。本课题的研究有助于深入了解IMI的环境代谢机制。