最新研究成果：微生物修復劑對重金屬污染的高效修復

　　近日，華中農業大學生命科學技術學院、農業微生物學國家重點實驗室王革嬌教授領導的環境微生物課題組在國際學術期刊Environmental Science and Technology發表了兩篇關于微生物修復劑對多種重金屬污染高效協同修復的最新研究成果，闡明了微生物菌劑通過新型氧化還原酶、琥珀酸與硫化氫代謝、生物膜合成等途徑對重金屬砷、鉻、鎘修復的分子機制。

　　重金屬砷(As)、鎘(Cd)、鉻(Cr)廣泛分布于土壤環境中，重金屬的過度積累能夠引起土壤理化性質和生態結構的變化，并通過食物鏈進入人體，引起器官的病變，威脅民眾健康。近年來農田土壤重金屬污染修復成為國內外學者研究的熱點。微生物參與了重金屬的地球化學循環，然而如何通過微生物菌劑修復環境中的重金屬以及相應的分子機制并不清楚。

　　該課題組首先發現了能產硫化氫（H2S）的腸桿菌和產生物膜的叢毛單胞菌。兩株細菌共同培養時，可以將溶液中的鎘離子沉淀并完全去除。采用差異蛋白質組學和代謝組學分析技術，發現在鎘脅迫下，共培養菌株中腸桿菌的H2S代謝、琥珀酸合成、金屬離子轉運和TCA循環等途徑被激活。體外加入琥珀酸，促進腸桿菌產生更多的H2S，促進叢毛單胞菌產生更多的生物膜來固定鎘離子，表明硫化氫、生物膜和琥珀酸是高效鎘離子去除的重要因子。將這種混合菌劑應用于中度和高度鎘污染白菜盆栽實驗中，通過兩季的重復實驗，發現該混合菌劑可以有效的鈍化土壤中的鎘，減少植物對鎘離子的吸收，使白菜地上部分鎘含量分別下降了63%和39%，達到了安全可食用范圍。采用熒光標記平板計數法、qRT-PCR及土壤宏基因組學分析，發現該混合菌劑可以在土壤中穩定的定殖并與土壤中的土著細菌有相互作用。

　　此外，該課題組通過基因組分析和基因轉錄檢測等分子生物學手段發現了新型的氧化還原酶NemA受到有機三價砷及六價鉻的誘導。通過異源表達實驗以及體外酶活檢測發現NemA能夠提高大腸桿菌對有機三價砷及六價鉻的抗性，且NemA能夠將高毒性的有機三價砷氧化為低毒性的有機五價砷、將高毒性的六價鉻還原為低毒性的三價鉻。在砷與鉻共同存在的條件下，NemA砷氧化速率具有顯著的提升，表明NemA能夠將電子從有機三價砷傳遞給六價鉻，從而完成兩種高毒性重金屬的協同解毒。色氨酸熒光光譜及凝膠遷移率實驗表明調控蛋白NemR能夠結合有機三價砷，進而調控nemA基因的轉錄表達。通過對NemR蛋白晶體結構分析最終確定了21位、106位和116位半胱氨酸為NemR識別有機三價砷信號的保守位點。NemR為首次發現的對砷和鉻同時解毒的酶，該酶在鉻砷污染的生物修復方面具有開發潛力。