發(fā)表期刊：Environment International

影響因子：7.297

發(fā)表時間：2019年

合作單位：福建農(nóng)林大學(xué)

百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，該文章是BIOTREE協(xié)助客戶2019年發(fā)表在Environment International上的關(guān)于微生物回收重金屬機(jī)制研究的一篇文章。由BIOTREE技術(shù)支持部的小伙伴Frieda為大家詳細(xì)解讀。

1.代謝組學(xué)分享—研究背景

百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，微生物電化學(xué)系統(tǒng)作為一種潛在的環(huán)境修復(fù)技術(shù), 能通過在電極表面富集微生物形成生物膜, 利用外電路把生物給出的電子傳遞給重金屬離子進(jìn)行還原, 達(dá)到回收金屬的目的?；蛘咄ㄟ^細(xì)胞膜表面的細(xì)胞色素c 和分泌的氧化還原介體來還原金屬離子。

SgZ-5T（陰溝腸桿菌）作為一種典型的異化金屬還原菌,具有顯著的電化學(xué)活性。到目前為止，尚未有研究闡明細(xì)胞表面貴金屬Pd（II）外部還原的機(jī)制，且微生物如何調(diào)節(jié)其代謝以及它們是否分泌更多類型的介質(zhì)以完成Pd（II）的生物還原的機(jī)制仍然未知。本研究的目的是從參與的介質(zhì)和微生物代謝途徑中闡明Pd（II）到Pd（0）的生物回收機(jī)制。

2.代謝組學(xué)分享—研究方法

實驗分組：對照組（ Pd(II)-free ）、實驗組（Pd(II)-present）

策略：整合代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、光譜學(xué)和電化學(xué)方法闡明Pd（II）還原成Pd（0）的生物回收機(jī)制

材料與方法：代謝組學(xué)平行樣：6個，轉(zhuǎn)錄組學(xué)平行樣：3個

樣本： 細(xì)胞/培養(yǎng)基

檢測平臺： LC/ESI-MS、GC-TOF-MS， Illumina HiSeqTM 2500

數(shù)據(jù)分析：SIMCA14.1 software package，KOBAS software，R package.

3.代謝組學(xué)分享—SgZ-5T特異性還原Pd(II)

Fig. 1.（A）用SgZ-5T培養(yǎng)之前（虛線）和之后（實線）的不同金屬離子的紫外 - 可見光譜; （B）EDS和SEM表征合成Pd顆粒; 還原Pd（II）離子（C）之前和之后（D）的菌的AFM圖像。

前人的研究結(jié)果表明，腸桿菌種可以特異生物還原銀離子。因此作者也檢測了SgZ-5T是否可以還原其他金屬離子。SgZ-5T培養(yǎng)后Pd(II)吸光度急劇下降，Au(III)和Ag(I)的吸光度略有下降，其他金屬離子無明顯變化，說明SgZ-5T可以特異還原Pd(II)（圖1A）。SEM成像顯示懸浮Pd顆粒呈桿狀結(jié)構(gòu)，細(xì)胞表面未見Pd納米棒，表明Pd(II)在細(xì)胞外被還原并與細(xì)胞分離（圖1B）。與還原前相比，細(xì)胞表面更光滑，表明細(xì)胞代謝在暴露于Pd(II)時發(fā)生了變化（圖1C-D）。

4.代謝組學(xué)分享—光譜學(xué)和電化學(xué)方法表征

Fig.2.市售的Pd / C和生物合成的Pd，Pd 3d核外電子層（A，B），C 1s核外電子層（C）和O 1s核外電子層（D）的XPS光譜。

采用XPS（X-ray photoelectron spectromete，X射線光電子能譜儀）合成的Pd。 商業(yè)合成的Pd觀察到Pd / C為342.1,340.6,336.9和335.4eV峰,表示化學(xué)鍵Pd-（OH）X（3d 3/2），Pd（0）（3d 3/2），Pd-（OH）X（3d 5/2）和Pd（0）（3d 5/2）（圖2A）。這些峰的出現(xiàn)是由于通過空氣氧化Pd（0）得到的。生物合成的Pd納米棒具有兩個峰，在340.4和335.2eV（圖2B），證實Pd（II）是由SGZ-5T還原成Pd（0）。生物合成的Pd納米棒的C 1s譜可以分裂成三個峰值分別為285.6,284.6和283.2 eV，可能是Pb表面結(jié)合了C=C,C-O-C和C-H功能團(tuán)，這些可能來源于微生物的分泌物：自肽聚糖和其他物質(zhì)。這些XPS結(jié)果表明生物合成的Pd納米棒的表面有豐富的各種功能團(tuán)，SgZ-5T可以特異性地將Pd（II）還原為Pd（0）。

這就是提出了關(guān)于SgZ-5T如何將電子轉(zhuǎn)移到Pd（II）離子上的問題。

圖3.（A）差分脈沖檢測；（B）在還原Pd（II）離子之前和之后干燥的SgZ-5T細(xì)胞的FTIR光譜

觀察到細(xì)胞的氧化還原形成的電位在還原Pd（II）后，發(fā)生正向移位（圖3A），這些現(xiàn)象可能是Pd（II）誘導(dǎo)下細(xì)胞氧化還原能力發(fā)生了的變化。1657和1536 cm-1，這與蛋白質(zhì)的酰胺I和酰胺II振動相關(guān)，1400和1241 cm-1處，-與νs（-OCO）和ν（C-O）分別在蛋白質(zhì)中細(xì)胞色素c的拉伸振動有關(guān)，兩個細(xì)胞之間的唯一區(qū)別是，在Pd（II）離子減少后，SgZ-5T的中心區(qū)域以1400 cm-1為中心被分成兩個帶（1412和1384 cm-1）（圖3B中的頂部插圖））。 這兩條帶在1412和1384cm-1處出現(xiàn)，這些都?xì)w因于質(zhì)子化羧基的νs（-OCO）伸展振動。 這一發(fā)現(xiàn)符合上述DPV結(jié)果。Pd(II)誘導(dǎo)下細(xì)胞代謝發(fā)生改變。這些顯著差異均證實了SgZ-5T通過調(diào)節(jié)代謝和外膜蛋白來降低Pd(II)的結(jié)論。

5.代謝組學(xué)分享—雙介質(zhì)的發(fā)現(xiàn)

圖4.（A）空白SgZ-5T和SgZ-5T-Pd上清液中的裸GC電極的DPV;（B）加3.33μM HQ的DPV比較圖; （C）SgZ-5T上清液和HQ標(biāo)準(zhǔn)品的GC-TOF / MS;（D）加3.33μM RF后的DPV比較圖; （E）SgZ-5T-Pd上清液和核黃素標(biāo)準(zhǔn)品（100nM）的LC色譜圖

SgZ-5T-Pd上清液的氧化還原的電流是明顯高于SgZ-5T上清液的（圖4A）。當(dāng)3.33μM氫醌(HQ)添加到SgZ-5T上層清液,氧化還原峰電位0.16/0.056 V的電流密度顯著增加，表明HQ 由菌株分泌（圖4B）。 而SgZ- 5T-Pd上清液中未檢出HQ，預(yù)測HQ可能被吸附到生物合成物Pd表面（圖4C）。當(dāng)3.33μM核黃素（RF）加入SgZ-5T-Pd上層清液，大幅增加氧化還原電位?0.39/0.60V的電流密度，而SgZ-5T上層清液添加時無明顯變化,結(jié)果表明在SgZ-5T-Pd上清液中存在RF,在Pd(II)誘導(dǎo)下細(xì)菌可以分泌RF（圖4D-E）。

圖5. 無介質(zhì)，單介質(zhì)和雙介質(zhì)作用下的紫外吸光度

在3.33 μM HQ, 3.33 μM RF及混合液中Pd(II)的吸光度未發(fā)生明顯變化，表明HQ和/或RF與Pd (II)在水中沒有化學(xué)反應(yīng)。細(xì)胞存在下， Pd (II)吸光度發(fā)生變化，最終降至0.54，添加3.33 μM HQ, 3.33 μM 及混合液后后吸光度減少，表明高濃度的Pd (II)減少， HQ和RF可以提高Pd(II)的還原速率。

6.代謝組學(xué)分享—代謝組學(xué)

圖6. 差異代謝物的pathway顯著性分析（A）；機(jī)制簡化示意圖（B）

Pd(II)誘導(dǎo)SgZ-5T后，包括丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝在內(nèi)的10個代謝通路變化最為顯著，大部分氨基酸及其衍生物的濃度較高，導(dǎo)致其他代謝和生物合成途徑的變化（圖6A）。

厭氧條件下6-磷酸葡萄糖酸、核酮糖-5-磷酸、核糖體-5-磷酸、果糖-6-磷酸和RF的豐度顯著增加，表明Pd(II)誘導(dǎo)對RF合成的影響顯著（圖6B）。

7.代謝組學(xué)分享—轉(zhuǎn)錄組學(xué)

圖7. 差異基因的KEGG顯著性分析（A）；機(jī)制簡化示意圖（B）

差異基因富集的通路主要涉及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝等，與代謝分析中相應(yīng)的氨基酸含量升高結(jié)果相一致（圖7A）。

編碼谷胱甘肽- HQ還原酶合酶的基因yqiG表達(dá)未見明顯變化，說明該生物還原過程對HQ合成酶的影響不大。而編碼核黃素合酶的ribE表達(dá)則被上調(diào)，再次表明Pd(II)誘導(dǎo)對RF合成的影響顯著（圖7B）。

8.代謝組學(xué)分享—結(jié)論

SgZ-5T可以在細(xì)胞外空間將Pd (II)還原為Pd納米棒。根據(jù)DPVs和原位FTIR光譜結(jié)果，SgZ-5T采用不同的外膜氧化還原體系降低Pd(II)。

當(dāng)暴露于Pd（II）時，細(xì)菌分泌的雙介質(zhì)HQ和核黃素（RF）有利于Pd的生物回收。對于理解金屬生物恢復(fù)過程和天然生物地球化學(xué)過程具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：Le-Xing You, Dan-Mei Pan, Nian-Jia Chen,et al.Extracellular electron transfer of Enterobacter cloacae SgZ-5T via bimediators for the biorecovery of palladium as nanorods[J]. Environment International,2019(1-9).