系统识别本地芽孢杆菌属（Bacillus spp.）菌株：一种可持续减少可可中镉含量的方法

《Food Frontiers》：Systematic Identification of Native Bacillus spp. as a Sustainable Approach to Mitigate Cadmium in Cocoa

降低可可产品中镉含量的新型生物修复策略研究。通过分离可可发酵中的Bacillus菌株，筛选出Luk27（Bacillus paranthracis）和Luk29（Bacillus subtilis）两种对镉耐受性强的菌株，在合成培养基中分别实现63%和74.7%的镉去除率。基因组分析揭示其携带P-ATP酶、CzcD转运蛋白及MerR家族调控蛋白等多重镉抵抗机制。该研究为解决拉丁美洲高镉土壤环境导致的可可产品超标问题提供了可持续的生物修复方案。

　　本研究聚焦于如何通过自然微生物的筛选与利用，解决巧克力生产过程中镉（Cd）污染这一严峻问题。作为全球重要的经济作物之一，可可豆的种植与加工对社会和经济具有深远影响。然而，随着可可产品的镉含量不断上升，尤其是在拉丁美洲的可可种植区，其土壤中的镉含量往往较高，主要来源于地质因素和过去采矿活动的遗留问题。因此，传统的工业调控手段难以有效降低土壤中的镉含量，而寻找自然、高效、可持续的解决方案成为当务之急。

镉是一种重金属污染物，其在可可产品中的累积不仅威胁消费者的健康，还限制了可可产品进入国际市场的能力。欧盟对巧克力成品中的镉含量设定了严格的标准，即每千克不超过0.60毫克。然而，许多地区的可可产品中镉含量远超这一阈值，从而影响了出口贸易和农民的生计。鉴于此，研究者们开始探索微生物在镉生物修复中的应用，特别是从自然可可发酵过程中分离出的菌株，因其在发酵中的作用已被广泛研究。这些菌株不仅有助于可可果肉的分解和芳香物质的生成，还显示出对镉污染的潜力。

在这一背景下，研究者们对69种自然分离的芽孢杆菌（*Bacillus* spp.）进行了系统筛选，评估其在可可加工过程中的镉去除能力。研究结果表明，其中两种菌株——*Bacillus subtilis* Luk29和*Bacillus paranthracis* Luk27——在模拟发酵环境的合成培养基中表现出显著的镉去除能力。进一步的实验分析显示，这两种菌株在不同镉浓度、pH值和温度条件下仍能维持较高的活性和去除效率，表明它们在复杂环境中具有较强的适应性。

研究团队通过多种技术手段，如宏基因组学、体外功能实验、显微成像、基因组测序、系统发育分析和功能注释，对这些菌株的特性进行了深入研究。这些方法不仅揭示了芽孢杆菌在可可发酵过程中的重要作用，还提供了关于其镉去除机制的线索。例如，芽孢杆菌具有通过细胞膜运输蛋白将镉离子排出细胞的能力，以及通过细胞壁的吸附作用和胞内结合蛋白的固定机制，从而减少镉的毒性影响。此外，芽孢杆菌的基因组分析还揭示了其在镉污染环境中的耐受性，包括多种镉转运蛋白和调控元件，这些机制可能共同作用，以增强其在高镉环境下的生存能力。

在实验过程中，研究者们采用了多种方法来评估这些菌株的镉去除能力。首先，通过微孔板实验，对69种菌株在不同镉浓度下的生长情况进行了测试，以筛选出具有较高镉耐受性的菌株。随后，这些菌株在合成培养基中进行了进一步的镉去除实验，评估其在不同条件下的表现。实验结果显示，某些菌株在较高镉浓度下仍能维持较高的生长活性，并表现出显著的镉去除能力。此外，研究还探讨了pH值和温度对镉去除效率的影响，发现这些因素在不同程度上影响了菌株的性能。例如，Luk29在pH值为5时表现出最佳的镉去除效果，而Luk27则在较宽的pH范围内仍能维持较高的去除效率。这些发现表明，芽孢杆菌的镉去除机制可能受到环境条件的调控，从而增强其在不同条件下的适应性。

在显微镜观察方面，研究者们对这两种菌株进行了形态学分析，揭示了它们在不同环境下的细胞结构变化。例如，Luk27在无镉条件下呈现出较大的菌落，而在镉存在的情况下，其菌落形态发生了变化，可能与其镉的吸附或内部固定有关。同样，Luk29在不同条件下也表现出不同的形态特征，这可能与其镉的代谢机制和环境适应性有关。此外，通过透射电子显微镜（TEM）的观察，研究者们进一步验证了这两种菌株在镉存在时的细胞结构变化，包括孢子的形成和镉在细胞内外的分布情况。这些结果为理解芽孢杆菌在镉污染环境中的行为提供了重要线索。

基因组测序和系统发育分析的结果进一步确认了这两种菌株的身份。Luk27被鉴定为*Bacillus paranthracis*，而Luk29则被鉴定为*Bacillus subtilis*。这些菌株在系统发育树上显示出与已知镉耐受菌株的密切关系，例如*Bacillus pacificus*、*Bacillus fungorum*和*Bacillus thuringiensis*。这些发现不仅有助于理解芽孢杆菌在可可发酵过程中的功能特性，还为它们在镉生物修复中的应用提供了科学依据。

在镉去除机制方面，研究发现这两种菌株具备多种策略。例如，Luk27和Luk29都具有镉转运蛋白和调控元件，这些机制可能协同作用，以提高其在镉污染环境中的生存能力。此外，研究还发现了其他可能的镉去除途径，如表面吸附、胞内固定和主动外排。这些机制的多样性表明，芽孢杆菌能够通过多种方式应对镉污染，从而在不同的环境条件下表现出较强的适应性。

研究还指出，尽管当前实验主要基于合成培养基和体外实验，但这些菌株在实际应用中的潜力依然显著。未来的研究将着重于在自然发酵环境和土壤中进行体内验证，以进一步确认其在实际条件下的镉去除能力。同时，研究团队计划通过多组学数据（转录组学、蛋白质组学和代谢组学）重建关键的调控和代谢途径，以支持靶向的代谢工程和菌株改良。这些努力将有助于开发更高效、更适用于实际环境的生物修复工具。

此外，研究还强调了这些菌株在可可生产过程中的重要性。它们不仅能够提高可可产品的安全性，还能增强其市场竞争力。同时，这些菌株在土壤中的镉生物修复潜力也值得关注。已有研究表明，这些菌株可以通过生物吸附和金属沉淀机制降低土壤中的镉生物可利用性，这为综合的现场应用提供了可能性。通过结合改良的发酵工艺和上游的镉去除策略，可以进一步提升可可生产的可持续性。

总体而言，本研究不仅揭示了芽孢杆菌在可可发酵过程中的关键作用，还为其在镉污染治理中的应用提供了新的思路。通过系统筛选自然菌株，研究者们为可可产业提供了一种高效、可持续的解决方案，有助于提升可可产品的安全性和市场价值。同时，这些发现也为未来在环境修复领域的研究奠定了基础，为开发更高效的生物修复工具提供了可能。