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红球菌对多氯联苯的降解与趋化及基因组学研究

王慧  
【摘要】:多氯联苯(Polychlorinatedbiphenyls,PCBs)是一类典型的持久性有机污染物,对人类健康和生态安全构成威胁。PCBs污染土壤的微生物修复因具有经济、环境友好等优点而成为研究热点。微生物降解PCBs的研究主要集中在菌株的筛选和代谢途径的解析,而PCBs的高度疏水性是实际生物修复效率低下的重要原因,降解菌的趋化性则有助于提高PCBs生物有效性。目前对鞭毛菌的趋化与降解研究较多,但对红球菌等无鞭毛而又在环境中广泛分布的降解菌趋化研究较少。本文以 PCBs 降解红球菌 Rhodococcus ruberSS1、Rhodococcus pyridinivorans SS2和Rhodococcus biphenylivorans TG9为研究对象,考察其对PCBs母体联苯和PCBs的耐受与降解能力,以及对联苯及其代谢产物苯甲酸、PCBs及其代谢产物氯代苯甲酸和TCA循环中间代谢产物的趋化性。选择降解能力较强的新种模式株TG9进行全基因组测序,通过注释获得降解和趋化相关基因。利用RT-qPCR技术对好氧降解关键基因、趋化基因和气囊蛋白合成基因的表达进行研究。之后以实际污染水稻土为例,模拟干湿条件下,考察PCBs消减情况,并对PCBs脱氯菌、好氧降解关键基因、趋化基因和鞭毛蛋白基因丰度进行研究,主要研究结果如下:(1)菌株SS1、SS2和TG9均有较强的联苯耐受和降解性能,其中TG9可耐受超过3000mg/L的联苯,且降解PCBs效率较高。3株菌能代谢联苯和PCBs的代谢产物苯甲酸和氯代苯甲酸,表明它们具备完整的联苯/PCBs代谢途径。(2)SS1和SS2细胞表面疏水性高,可能是其降解效率高的重要原因;而TG9的细胞表面疏水性低,却有很强的降解能力,原因值得进一步探索。(3)点滴平板实验表明,在固体中,3株菌对受试PCBs均无趋化性;对联苯有趋化,且TG9属于诱导趋化;对联苯代谢产物苯甲酸和PCBs代谢产物2-CBA有趋化;对TCA循环中间产物也有趋化。对代谢中间产物和TCA循环中间产物的趋化可能是菌株对PCBs高效降解的重要原因。毛细管趋化实验表明,在液体中,3株菌对联苯、苯甲酸、2-CBA和TCA循环中间产物柠檬酸没有趋化现象。电镜结果表明3株菌均无鞭毛和菌毛运动器官,推测在固体平板上可能通过滑动的方式趋化。(4)TG9基因组大小为5.28 M,GC含量68.04%。预测有4882个CDS,tRNA基因53个,rRNA基因12个,sRNA基因2个。TG9基因组拥有完整的联苯/PCBs代谢酶bph编码及调控基因。TG9基因组含有趋化基因mcp、cheR和cheY。TG9基因组含有气囊蛋白合成基因簇。(5)RT-qPCR结果表明,以PCB1为碳源,bphA、cheY4、气囊相关基因gvpA、gvpJ和gvpS的表达量均上调;以联苯为碳源,bphA、mcp、cheR、cheY4和gvpJ表达量显著上调;以苯甲酸为碳源,bhA和cheY4的表达量显著上调;以柠檬酸为碳源,cheY1、cheY4、gvpA和gvpJ的表达量显著上调。推测mcp、cheR和cheY4基因可能参与TG9的趋化调控,且TG9对联苯和PCB1的降解和趋化可能有内在联系。(6)水稻土淹水促进高氯代PCBs消减,落干促进低氯代PCBs消减。较培养初期,脱氯菌的拷贝数淹水处理提高15.3%,落干处理提高12.4%;bphC和趋化基因cheA的拷贝数变化不明显;淹水处理鞭毛蛋白基因fliC的拷贝数显著下降。冗余分析表明,脱氯菌群丰度受高氯代PCBs影响,且脱氯菌的丰度和高氯代PCBs正相关;bphC和fliC基因的丰度与低氯代PCBs及土壤湿度正相关,说明降解菌的丰度和降解活性有重要联系。本文的研究结果有助于揭示红球菌趋化和降解分子机理,并对实际PCBs污染土壤微生物修复有指导意义。


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