基于转录组学和DNA甲基组学，揭示黑曲霉（Aspergillus niger）对稀土元素铈(III)的压力响应机制及其生物吸附机制

《Frontiers in Microbiology》：Unraveling the stress response and biosorption mechanisms of Aspergillus niger to rare earth element cerium(III) based on transcriptomics and DNA methylomics

稀土元素生物吸附与耐受机制研究

　　稀土元素（REEs）在工业中扮演着至关重要的角色，其独特的光学、化学和磁性特性使其广泛应用于催化、光学、电子、电池技术、医药及超导等领域。然而，传统提取和回收方法在环境影响和效率方面存在诸多限制，这促使科学家寻找更加环保且高效的替代方案。近年来，微生物生物浸出技术因其低能耗、低污染和高适应性，成为解决稀土资源回收难题的重要途径之一。其中，真菌因其强大的生物吸附能力而受到关注，能够通过细胞表面的有机酸分泌实现稀土元素的溶解和吸附。然而，随着稀土元素的积累，微生物活性可能受到抑制，其耐受机制仍不完全清楚。本文中，研究人员发现了一种名为Aspergillus niger FH1的高耐受性真菌菌株，其对Ce(III)具有极高的耐受能力（最高可耐受600 mg/L），并且在优化条件下实现了高达74.05%的吸附效率。这一发现为稀土元素的可持续回收提供了新的生物材料。

为了更深入地理解A. niger FH1的稀土吸附机制，研究团队结合了多种分析手段，包括扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等。这些技术揭示了两种吸附机制：一种是物理吸附，表现为Ce(III)诱导的细胞内陷；另一种是化学吸附，通过细胞外功能基团的配位作用实现，包括氨基、羟基、羧基、羰基和磷酸基团。这些功能基团能够与Ce(III)形成稳定的络合物，从而有效去除环境中的稀土离子。此外，转录组分析揭示了在Ce(III)胁迫下，A. niger FH1中3733个基因发生了显著差异表达，进一步说明了其适应机制的复杂性。

功能注释分析表明，氧化磷酸化相关基因被显著抑制，这可能与Ce(III)诱导的氧化应激和细胞损伤有关。与此同时，糖酵解、戊糖磷酸途径和氨基酸代谢相关基因被上调，显示出微生物在应激条件下对能量代谢的重新配置。此外，抗氧化和螯合代谢物合成相关通路也得到了增强，这有助于维持细胞内的氧化还原平衡，缓解Ce(III)的毒性作用。全基因组亚硫酸盐测序进一步揭示了DNA甲基化的变化趋势，结果显示全球范围内的5mC甲基化水平略有下降（0.32% vs. 0.36%），并且存在特定的CHH上下文偏好。这些发现表明，A. niger FH1的适应策略包括细胞外的稀土固定、代谢的灵活性以及应激的缓解，从而展现出对稀土金属毒性的卓越耐受能力。

通过系统优化吸附条件，研究人员发现A. niger FH1的吸附性能在不同参数下表现出显著变化。pH值对吸附效率和容量具有重要影响，当pH在3.0至7.0范围内增加时，吸附效率和容量也随之上升。然而，当pH超过7.0时，Ce(III)会以Ce(OH)₃的形式沉淀，从而降低其可溶性，这表明pH值为7.0时吸附效果最佳。初始稀土离子浓度和生物量对吸附过程也有显著影响。随着初始浓度的增加，吸附容量逐渐上升，但吸附效率可能因生物量增加而下降，因为过高的生物量会阻碍离子与吸附位点的接触。因此，生物量的最优值被确定为2000 mg/L，以实现吸附效率和容量的平衡。

研究还通过拟一级和拟二级吸附动力学模型，分析了Ce(III)的吸附过程。结果显示，这两个模型均能很好地拟合实验数据，且预测的吸附平衡容量与实验值高度吻合。这表明吸附过程可能涉及物理吸附和化学吸附的协同作用。此外，Langmuir和Freundlich等温模型也被用于分析吸附行为，其中Langmuir模型的拟合效果更好，说明Ce(III)在A. niger FH1的细胞表面可能以单层吸附的形式发生，且吸附位点具有一定的均匀性。这些结果为稀土元素的高效回收提供了理论依据。

为了进一步验证吸附机制，研究团队对A. niger FH1在吸附前后进行了详细的表征分析。SEM图像显示，Ce(III)胁迫下，细胞表面发生明显变化，包括表面粗糙化、细胞内陷以及细胞聚集，这可能反映了细胞对稀土离子的防御机制。FTIR分析表明，细胞表面的氨基、羟基、羧基和磷酸基团参与了Ce(III)的结合过程，而XPS则提供了更精确的化学状态信息，证实了Ce(III)与这些功能基团之间的相互作用。这些结果不仅揭示了A. niger FH1的吸附机制，也为后续的生物吸附材料开发提供了指导。

转录组分析进一步揭示了A. niger FH1在Ce(III)胁迫下的基因表达变化。3733个差异表达基因（DEGs）的发现表明，该菌株通过多种途径适应稀土离子的毒性作用。氧化磷酸化相关基因被显著抑制，而糖酵解和戊糖磷酸途径的基因则被上调，说明该菌株通过增强这些代谢途径来维持能量供应和抗氧化能力。此外，氨基酸代谢相关基因的上调，如苯丙氨酸脱氨酶（PAL）、酪氨酸酶（TYR）、精氨酸酶（ARG）和脯氨酸合成相关基因（P5CR），表明其通过合成抗氧化物质和增强金属螯合能力来应对稀土离子的胁迫。这些发现为理解真菌如何在稀土环境中生存提供了重要线索。

全基因组DNA甲基化分析显示，Ce(III)胁迫下，DNA甲基化水平略有下降，主要集中在CG和CHG上下文中，但未发现显著的差异甲基化区域（DMRs）。这表明，A. niger FH1的应激响应可能主要依赖于其他表观遗传调控机制，如转录因子激活或组蛋白修饰等。尽管这一现象尚不完全明确，但其与Ce(III)胁迫下的基因表达变化之间的关系仍值得进一步研究。

综上所述，A. niger FH1作为一种具有高Ce(III)耐受性的真菌菌株，展现了卓越的稀土吸附能力。其适应机制包括细胞外的稀土固定、代谢的灵活性以及应激的缓解，这些特性使其成为稀土资源可持续回收的重要生物工具。通过优化吸附条件，该菌株在pH 7.0、初始Ce(III)浓度为100 mg/L、生物量为2000 mg/L时，能够实现最佳的吸附性能。此外，其独特的代谢重编程和表观遗传调控机制，为未来研究微生物在重金属环境中的适应策略提供了新的视角。随着对稀土元素吸附机制的深入理解，A. niger FH1有望在工业废水处理和稀土资源回收中发挥更大的作用，推动绿色、可持续的金属回收技术发展。