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Picarro G2201-i(“碳同位素”攜手“多組學(xué)技術(shù)”助力微生物代謝礦化有機(jī)污染物新途徑的研究)

發(fā)表時(shí)間:2024-04-17瀏覽量:178

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六溴環(huán)十二烷(HBCD)是一種典型的溴化阻燃劑,具有持久性、長(zhǎng)遷移性、生物積累性和毒性,2013年就被《斯德哥爾摩公約》列為持久性有機(jī)污染物,只能在嚴(yán)格的監(jiān)管條件下使用。但其在空氣、水、沉積物、土壤和生物體中仍舊經(jīng)常被廣泛地檢測(cè)到。因此,HBCD殘留物已引起了公眾的廣泛關(guān)注,其在環(huán)境中的去除與修復(fù)也變得迫切和必要。

 

“生物降解”在去除HBCD的過(guò)程中起著重要的作用,獲得高效的HBCD降解細(xì)菌及其作用機(jī)制研究尤為重要。一方面以往的研究雖已經(jīng)證實(shí)了HBCD在活性污泥和土壤中的去除效率和降解途徑,且已經(jīng)從環(huán)境中分離出幾種能降解HBCD的純培養(yǎng)物,但迄今為止報(bào)道的HBCD降解細(xì)菌尚未被證明能完全礦化HBCD(即降解產(chǎn)物為自身生物體和CO2)。另一方面,雖然當(dāng)前已知參與HBCD轉(zhuǎn)化的幾種酶(如LinA、LinB、DhaA等),但其他的用于HBCD去除的酶分支仍然缺乏。

 

 

近日,中山大學(xué)仇榮亮教授、彭星星副教授,在Journal of Hazardous Materials發(fā)表了題為“Citrobacter sp. Y3 harbouring novel gene HBCD-hd-1 mineralizes hexabromocyclododecane via new metabolic pathways according to multi-omics characterization”的研究論文。在之前證實(shí)了C. sp.Y3可利用檸檬酸鈉作為額外的碳源來(lái)轉(zhuǎn)化HBCD的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)的研究了菌株Y3的降解效率和礦化過(guò)程。使用穩(wěn)定同位素標(biāo)記[13C]HBCD(α-、β-和γ-HBCD)作為研究基質(zhì),采用高通量測(cè)序?qū)闥3進(jìn)行了詳細(xì)的基因組和蛋白質(zhì)組表征,通過(guò)超高效液相色譜-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜(UHPLC-Q-TOF-MS)鑒定中間體,使用組學(xué)注釋功能基因和蛋白質(zhì)表達(dá),重建了HBCD的降解途徑。研究結(jié)果對(duì)去除環(huán)境中的HBCD具有重要意義。

 

 

圖1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)置 (a)通過(guò)測(cè)定菌株Y3存在下13CO2產(chǎn)量,評(píng)估[13C]HBCD礦化情況;(b)關(guān)鍵基因的功能驗(yàn)證;(c)用含有HBCD-hd-1的重組E. coli BL21在不同時(shí)間點(diǎn)(0、1、2、3、4天)降解HBCD及其中間產(chǎn)物4-BBA,每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了三次重復(fù)。

 

13CO2穩(wěn)定同位素分析使用了Picarro G2201-i分析儀,采用其CO2同位素測(cè)量模式,對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的13CO212CO2進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)定。結(jié)果顯示C. sp.Y3可以使用[13C] HBCD作為唯一碳源,并將其降解甚至礦化為13CO2,大約14天內(nèi)最大轉(zhuǎn)化率為100%。基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析表明,C. sp.Y3中含有6種與HBCD降解相關(guān)的脫溴酶,包括鹵代烷脫鹵酶(DhaA)、鹵酸脫鹵酶(HAD)等,還發(fā)現(xiàn)一種名為HBCD-hd-1的編碼HAD的功能基因在HBCD降解過(guò)程中上調(diào),并在大腸桿菌中異源表達(dá)。帶有HBCD-hd-1基因的重組大腸桿菌可將典型的中間體4-溴丁酸轉(zhuǎn)化為4-羥基丁酸且在HBCD降解過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)異的降解性能,伴有近100%的溴(Br)離子生成。HBCD-hd-1在Y3中的表達(dá)加速了HBCD的生物降解,該酶的鑒定可能為研究從環(huán)境中去除HBCD提供了新的思路。

 

 

 
 
 

關(guān)鍵指標(biāo)碳同位素分析儀介紹

 
 
 

 

Picarro G2201-i是一款原位同步測(cè)量CO2 和CH4碳同位素的分析儀,研究人員只需一臺(tái)儀器便可追蹤系統(tǒng)、全面的碳轉(zhuǎn)移和分解過(guò)程。該雙組分分析儀不但給研究工作帶來(lái)了易用性和快捷性,專利的CRDS技術(shù)中小腔室的設(shè)計(jì),更為生態(tài)學(xué)、微生物學(xué)、環(huán)境學(xué)領(lǐng)域的專家,提供了培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲取的高準(zhǔn)確性。小型化與耐用性令其更容易運(yùn)輸?shù)揭巴獠⑻峁┘磿r(shí)的結(jié)果,以便研究者根據(jù)實(shí)地情況更改實(shí)驗(yàn)設(shè)置,在有限的野外作業(yè)時(shí)間內(nèi)取得最優(yōu)的成果。

 

 

 

 
 
 

 

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