期刊：Science of the Total Environment ??????

影響因子：10.753 ??????

發(fā)表時間：2022

樣本類型：Bosea?sp. Ads-6菌株

客戶單位：中國科學院微生物研究所

一、研究背景

環(huán)境中抗生素殘留和耐藥性的增加引發(fā)了許多亟待解決的問題。這些污染物在廢水或其他環(huán)境中日益積累，不能被人和動物體有效吸收或降解，導致了由殘留抗生素、抗生素耐藥微生物和ARGs組成的新污染系統(tǒng)的出現(xiàn)，給生態(tài)環(huán)境的平衡和我們的健康帶來了巨大的風險。阿莫西林 (AMX) 是一種常見的微量有害污染物，對環(huán)境和人類健康構(gòu)成極大風險。微生物降解是一種很有前途的去除污染物的方法，但是目前沒有找到能夠在 AMX 上生長和降解的菌株，并且關(guān)于 AMX 降解途徑、機制和遺傳決定因素的知識是不全面的。本研究分離并表征了一種有效的 AMX 降解菌株——Bosea?sp. Ads-6。

二、實驗設(shè)計

1、研究對象

廢水處理廠活性污泥中分析的菌株Bosea?sp. Ads-6。

2、實驗處理

在葡萄糖和(NH4)2SO4作為碳源和氮源上生長的Bosea?sp. Ads-6 細胞樣品命名為A0 。在 AMX 上生長的 Ads-6 細胞樣品并在 AMX 消耗一半時命名為 A1 。添加 AMX 被完全消耗的Ads-6 細胞樣品后命名為A2。

3、研究方法

Bosea?sp. Ads-6菌株基因組完成圖測序，比較轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組測序。

三、實驗結(jié)果

1、AXM降解菌株的分離和鑒定

研究分離了總共?12?個純菌株，但降解實驗表明，只有?Ads-6?菌株可以在?AMX?作為唯一碳源和氮源的情況下降解和生長。Ads-6菌株是革蘭氏陰性菌，桿狀和具有極性鞭毛的運動（圖1b）。這些形態(tài)特征與Bosea屬成員的描述一致，基于16S rRNA?基因序列的系統(tǒng)發(fā)育樹（圖?1c）表明Ads-6?在?Bosea?屬內(nèi)形成了明顯的聚類。

2、Ads-6 的 AMX 降解特性和 TOC 的去除

?Ads-6 在 AMX 濃度為 0.25 至 2 mM 時表現(xiàn)出優(yōu)異的 AMX 降解能力（圖 2）。高達 1 mM 的 AMX 可在 24 小時內(nèi)完全降解（圖 2b-d）。隨著AMX含量的降低，隨后形成并積累了兩種降解產(chǎn)物（DP1和DP2），然后在所有實驗組中進一步降解（圖2b-e）。Ads-6 對 AMX 表現(xiàn)出有效的分解代謝能力，6 天內(nèi)去除了接近 58% 的 TOC（圖 2f）。?

同時發(fā)現(xiàn)Ads-6 在 pH 6.0-8.0 的堿性條件下表現(xiàn)出更高的降解能力，確定了30℃是Ads-6降解AMX的最佳降解溫度。

驗證了其他C\N源對 Ads-6 降解 AMX 的影響，發(fā)現(xiàn)添加葡萄糖不會影響 Ads-6 的降解能力。但酵母提取物和 AXM同時存在的情況下，Ads-6 的生長比僅存在酵母提取物的情況要好得多。

3、降解產(chǎn)物的鑒定和降解途徑的預測

通過HPLC-MS 鑒定了 8 個降解產(chǎn)物（DP），其中DP5、DP8 和 DP9 是新發(fā)現(xiàn)的。發(fā)現(xiàn)了兩個具有不同光譜峰的 DP（DP1 和 DP2），將其鑒定為 AMX青霉酸的互變異構(gòu)體。基于這一結(jié)果，提出了一種在 Ads-6 中新的 AMX 生物降解途徑（圖 3）。

4、Ads-6中AMX的降解機制

對Ads-6的全基因組進行了測序和注釋，確定Ads-6?的基因組大小為?5.19M，包含一條染色體和兩個環(huán)狀質(zhì)粒。發(fā)現(xiàn)了?10?個 β-內(nèi)酰胺酶結(jié)構(gòu)和青霉素結(jié)合蛋白基因，找到了參與?4-羥基苯甲酸羥基化和β-酮己二酸途徑的原兒茶酸分支的基因（圖?4b），以及使?Ads-6?能夠以?AMX?作為唯一氮源的氨同化相關(guān)基因。還發(fā)現(xiàn)了Ads-6在復雜的重金屬污染環(huán)境中也具有環(huán)境生物修復的潛力。

比較轉(zhuǎn)錄組結(jié)果表明，與 A0 相比，A1 中的 47 個基因和 A2 中的 433 個基因顯著上調(diào)。其中，一個含有 bla 基因的基因簇（圖 4a）在添加 AMX 后明顯上調(diào)（圖 4a）。在比較蛋白質(zhì)組分析中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。轉(zhuǎn)錄組分析還顯示，與 A0 相比， A2 中與 β-酮己二酸途徑的原兒茶酸分支相關(guān)的所有基因在轉(zhuǎn)錄水平上均顯著上調(diào)，除了編碼 3-羧基-順式、順式-粘康酸環(huán)異構(gòu)酶（圖 4c）。Ads-6 中完整的 4-羥基苯甲酸酯降解途徑的存在意味著其在降解其他芳香族污染物方面的巨大潛力。

四、研究結(jié)論

高效的 AMX 降解菌株?Bosea sp?Ads-6 可以在 AMX 作為唯一的碳源和氮源上生長。Ads-6 在初始 AMX 濃度 2.0 mM、pH 6.0–8.0、溫度約 30 °C 以及存在其他碳或氮源的情況下具有高效 AMX 降解能力。通過轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組的比較研究，證明β-內(nèi)酰胺酶和L，D-轉(zhuǎn)肽酶或其同源酶是AMX初始降解的功能酶。β-酮己二酸酯途徑的4-羥基苯甲酸酯羥基化和原兒茶酸酯分支被確認為下游降解途徑。本研究將為未來AMX微生物降解的研究提供堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻
Degradation of amoxicillin by newly isolated Bosea?sp. Ads-6. Science of the Total Environment?,2022.