大熊猫肠道新菌株Brevibacillus parabrevis降解苯胺蓝的机制及其在染料废水生物修复中的应用

《Annals of Microbiology》：Biological decolorization of aniline blue by a novel bacterial strain isolated from the feces of the giant panda (Ailuropoda melanoleuca)

本研究针对纺织印染废水中的三苯甲烷染料苯胺蓝(AB)污染问题，从大熊猫粪便中分离出一株高效降解菌株Brevibacillus parabrevis WP2020。该菌株在pH 6-7、37℃条件下，对高浓度AB(300 mg/L)表现出优异的脱色能力(>90%)。基因组与代谢组学分析揭示，其通过分泌染料脱色过氧化物酶(DyPs)启动降解，将AB裂解为芳香族中间体，并最终通过三羧酸循环(TCA)实现完全矿化。该研究为利用动物肠道微生物资源开发绿色生物修复技术提供了新策略。

　　

在纺织、印染等工业的快速发展下，全球每年产生约70万吨染料和颜料，其中约100吨未固定的活性染料及大量盐分被排入环境，对水生生态系统构成严重威胁。三苯甲烷(TPM)染料作为合成着色剂的重要组成部分，因其复杂的芳香环结构而具有高稳定性，难以被传统物理化学方法有效去除，且处理过程易产生二次污染。因此，开发高效、环保的生物修复技术迫在眉睫。

微生物降解因其成本低、环境友好且能实现污染物矿化而被视为一种有前景的解决方案。其中，动物肠道微生物因其独特的代谢能力而备受关注。大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)作为食肉目动物，其基因组中缺乏消化木质素、纤维素和半纤维素的关键酶，但其几乎完全以竹子为食。这种“食肉动物吃素”的奇特现象暗示其肠道微生物在植物纤维降解中扮演着关键角色，其肠道菌群可能蕴藏着降解木质素类芳香污染物的巨大潜力。

基于此，Zhang等人于2025年在《Annals of Microbiology》上发表研究，从大熊猫粪便中分离出一株高效降解苯胺蓝(AB)的细菌，并系统阐明了其降解机制，为利用动物肠道微生物资源修复染料污染提供了新的思路。

关键实验方法

本研究采用多组学技术联用的策略，系统解析了菌株的降解能力与机制。首先，从大熊猫粪便中分离纯化得到一株高效降解菌株，并通过16S rRNA基因测序和全基因组测序进行物种鉴定。随后，通过单因素实验系统优化了pH、温度、接种量和染料浓度等关键环境参数对脱色效率的影响。为探究降解机制，研究人员利用基因组学分析了菌株的代谢潜力，并通过体外酶活测定检测了关键降解酶（如DyPs、Lac、MnP）的活性。最后，利用非靶向代谢组学（GC-TOF-MS和UHPLC-MS/MS）技术，追踪了AB降解过程中的中间代谢产物，从而推测出完整的降解途径。

研究结果

1. 菌株分离与鉴定

研究人员从大熊猫粪便中分离出一株能在含AB培养基上形成明显脱色圈的细菌。该菌株在48小时内可降解大部分AB，72小时内实现完全脱色。经16S rRNA基因序列分析，该菌株与Brevibacillus parabrevis UFLA WFC656的相似性高达99%，系统发育分析也证实其与Brevibacillus parabrevis聚为一支。因此，该菌株被鉴定为Brevibacillus parabrevis，并命名为WP2020。

2. 全基因组特征分析

全基因组测序结果显示，该菌株的基因组为环状，大小为6,143,629 bp，GC含量为52.2%。共注释到5,938个蛋白质编码基因。功能注释分析显示，该菌株基因组中富含与氨基酸转运代谢、转录、能量产生与转换相关的基因。特别值得注意的是，KEGG通路注释发现了54个与异生素生物降解和代谢相关的基因，涉及氨基苯甲酸降解、苯甲酸降解、二噁英降解和苯乙烯降解等途径，这为其降解AB等芳香族污染物提供了遗传基础。

3. 环境因素对AB脱色的影响

研究人员系统评估了pH、温度、接种量和初始染料浓度对AB脱色效率的影响。结果表明，该菌株在pH 5-8范围内均具有活性，最适pH为7.0，此时脱色效率超过92%。在温度方面，37℃为最适温度，脱色效率高达95.34%。在接种量方面，1%的接种量即可启动有效脱色，增加接种量对脱色效率的提升有限。此外，该菌株对高浓度AB表现出极强的耐受性，在300 mg/L的高浓度下，经过96小时培养，脱色效率仍可超过90.69%。

4. 胞外酶活性分析

为了探究降解机制，研究人员检测了菌株胞外酶活性。结果显示，在AB降解过程中，染料脱色过氧化物酶(DyPs)的活性在24小时内达到峰值（11.25 U/mL），而漆酶(Lac)和锰过氧化物酶(MnP)的活性则未被检测到。基因组分析也证实了该菌株缺乏编码Lac和MnP的基因。这表明DyPs是该菌株降解AB的关键起始酶。

5. 代谢组学分析与降解途径推测

通过非靶向代谢组学分析，研究人员在AB降解过程中鉴定出24种特有的芳香族中间产物。这些产物保留了AB母体结构中的氨基和磺酸基团，表明AB首先被DyPs氧化裂解。随后，这些中间产物通过羟基化、去甲基化和脱氨基等反应，进一步转化为4-羟基苯甲酸、水杨酸、苯丙酮酸和3-羟基苯乙酸等小分子芳香酸。最终，这些芳香环通过邻位或间位裂解途径被打开，生成顺,顺-2,4-己二烯二酸等直链中间体，并进一步进入三羧酸循环(TCA)，被完全矿化为乙酰辅酶A、琥珀酰辅酶A和富马酸等中心代谢产物。

结论与讨论

本研究成功从大熊猫粪便中分离并鉴定出一株高效降解苯胺蓝(AB)的细菌Brevibacillus parabrevis WP2020。该菌株在pH 7.0、37℃的温和条件下，对高浓度AB(300 mg/L)表现出优异的脱色能力。机制研究表明，其降解过程由胞外染料脱色过氧化物酶(DyPs)启动，通过氧化裂解将AB转化为一系列芳香族中间体，并最终通过三羧酸循环(TCA)实现完全矿化。

该研究首次报道了Brevibacillus属细菌以及大熊猫肠道微生物对AB的降解能力，拓展了染料降解微生物的资源库。大熊猫独特的食性使其肠道微生物在长期进化中形成了强大的木质素类芳香化合物降解能力，这为从特殊生态位中挖掘具有独特代谢功能的微生物资源提供了有力证据。该菌株不仅为染料废水的生物修复提供了一种高效、环保的候选菌株，其基因组中丰富的芳香族化合物降解基因也为后续通过基因工程手段构建高效降解工程菌提供了宝贵的基因资源。