48小时实现铀的完全生物还原：合成微生物群落中的协同电子转移机制

《Environmental Science and Ecotechnology》：Complete Uranium Bioreduction in 48 Hours: Synergistic Electron Transfer in a Synthetic Microbial Consortium

本研究针对可溶性铀U(VI)污染治理难题，构建了由Shewanella oneidensis MR-1 (S.MR-1)和Pseudomonas aeruginosa LXZ1 (P.LXZ1)组成的合成微生物群落(SynCom)。研究发现P.LXZ1分泌的吡咯氰(PYO)选择性结合S.MR-1外膜细胞色素OmcA，同时释放的胞外DNA(eDNA)促进电子传递和聚集体形成，通过协同作用在48小时内实现U(VI)的完全还原，为解决铀污染提供了高效生物修复新策略。

　　

随着全球铀矿开采活动和天然铀的释放，铀污染已成为严峻的环境挑战。可溶性的六价铀U(VI)具有高迁移性，能够通过地下水系统广泛扩散，对生态系统和人类健康构成严重威胁。面对这一难题，利用微生物将可溶性的U(VI)还原为不溶性的四价铀U(IV)成为一种可持续的修复方案。其中，异化金属还原菌Shewanella oneidensis MR-1 (S.MR-1)作为模式菌株，通过细胞外电子转移(EET)过程还原U(VI)，但这一过程的效率受到内源氧化还原介质产量有限和生物膜导电性不足的制约。

尽管基因工程技术不断进步，但通过种间相互作用来增强EET的合成微生物群落潜力尚未得到充分探索。传统单一菌株系统存在固有局限性，而合成微生物群落能够提高代谢多样性、稳定生物膜形成，为克服这些限制提供了新思路。发表在《Environmental Science and Ecotechnology》上的这项研究，正是基于这一背景，探索了如何通过构建合成微生物群落来显著提升铀的生物还原效率。

为开展这项研究，研究人员采用了多项关键技术方法。他们从湖南衡阳712铀矿区土壤样本中分离获得了Pseudomonas aeruginosa LXZ1 (P.LXZ1)菌株，并与S.MR-1构建合成群落。研究运用电化学分析（包括循环伏安法和方波伏安法）评估EET特性，通过分子动力学模拟分析蛋白质-配体结合机制，利用荧光显微镜观察生物膜结构，并采用实时定量PCR技术检测基因表达变化。这些方法的综合应用为深入理解微生物协同作用机制提供了有力支撑。

3.1. 菌株分离、U(VI)还原和合成微生物群落中的代谢相互作用

研究人员通过电化学富集法从铀矿区土壤中分离得到一株高产吡咯氰(PYO)的P.LXZ1菌株。研究发现，S.MR-1与P.LXZ1组成的合成群落(syncomS+P)在12小时内即可还原75%的U(VI)，48小时实现几乎完全还原，显著优于S.MR-1单独作用的效果。透射电镜和X射线光电子能谱分析证实，syncomS+P形成了更多的U(IV)纳米颗粒，表明协同作用促进了铀的还原而非简单吸附。代谢产物分析显示，P.LXZ1能够利用S.MR-1产生的甲酸和乙酸，形成代谢互补，同时合成群落表现出更高的NAD⁺/NADH比值和ATP浓度，表明能量代谢和电子流动得到增强。

3.2. EET的电化学表征和eDNA介导的syncomS+P群落增强

电化学测试表明，syncomS+P产生的电流比单一菌株高出100μA以上，与铀还原速率高度一致。荧光显微镜观察发现，P.LXZ1生物膜中含有丰富的胞外DNA(eDNA)，而syncomS+P形成了更大的聚集体和纳米线结构。DNase I消化实验证实，eDNA的去除导致电流输出下降44%，导电性测量显示syncomS+P的传导电流达到4.36μA，显著高于各单菌株之和，证明eDNA在促进电子传递中起关键作用。

3.3. 高产吡咯氰菌株P.LXZ1介导的syncomS+P群落EET增强

基因组分析显示P.LXZ1含有完整的PYO生物合成基因簇，其PYO产量显著高于标准菌株PAO1。方波伏安法分析发现，syncomS+P在90mV处出现特征峰，与S.MR-1+PYO的峰形一致，表明PYO在EET增强中起主导作用。值得注意的是，这种增强并非直接源于PYO的氧化还原活性，而是与特定蛋白的相互作用相关。

3.4. 吡咯氰-OmcA复合物介导的syncomS+P中U(IV)还原增强

通过基因敲除菌株实验，研究人员发现OmcA在PYO介导的EET增强中起关键作用，而MtrC和CymA的作用相对次要。分子动力学模拟显示，OmcA-PYO复合物的结合能(?105.18 kJ mol^?1)显著低于OmcA与核黄素或PCA的结合能，解离常数测定进一步证实了PYO与OmcA的强亲和力。此外，氘水实验表明syncomS+P显著缓解了质子传递限制，使电子转移更加高效。

3.5. 通过上调EET相关代谢途径增强U(IV)还原

基因表达分析显示，syncomS+P中S.MR-1的代谢相关基因（如ldh、ndh、fdh）表达上调约2倍，EET相关细胞色素基因表达也有适度增加。代谢产物监测发现，syncomS+P消耗更多乳酸，产生更多乙酸，对应更高的ATP合成和NAD⁺/NADH比值，表明上游代谢的加速为EET提供了更充足的电子供给。

研究结论和讨论部分强调了这一合成微生物群落策略的创新性和应用价值。与传统的单菌株优化相比，该研究通过构建功能互补的微生物群落，实现了代谢途径和电子传递路径的协同优化。特别值得注意的是，PYO与OmcA的特异性结合改变了氧化还原电位，使电子能够沿热力学梯度定向流动，逆转了传统EET中的热力学不利局面。同时，eDNA介导的生物膜形成不仅增强了菌株间的物理接触，还提高了整体导电性。

这项研究的意义在于，它不仅提供了一种高效的铀污染生物修复方案，更重要的是展示了合成微生物群落在环境修复中的巨大潜力。通过合理的功能设计和菌株组合，可以克服单一菌株的局限性，实现更复杂环境条件下的高效修复。这种策略特别适用于开放环境下的地下水修复，其中介质浓度较低，传统方法效果有限。研究揭示的分子机制也为后续开发更高效的微生物修复系统提供了理论基础和技术支撑。