Priestia megaterium MAPB-27对多氯联苯（PCB）降解过程的整合代谢组学、分子生物学及形态学研究

《ACS Omega》：Integrated Metabolomic, Molecular, and Morphological Insights into the Degradation of Polychlorinated Biphenyls (PCB) by Priestia megaterium MAPB-27

多氯联苯降解与Pseudomonas megaterium MAPB-27的代谢响应机制研究。通过GC-MS/MS和FESEM分析发现，该菌株能有效降解三至六氯联苯（降解率分别为92.5%、62.9%、3.7%和2.4%），并伴随代谢重编程，激活甘油酸-丙酮酸循环和脂肪酸合成途径，同时产生抗菌化合物如苯丙酸衍生物和β-谷甾醇，为PCB生物修复及工业应用提供新资源。

　　本研究围绕一种名为 *Priestia megaterium* MAPB-27 的细菌株，探讨其在双苯（biphenyl）环境中的降解能力、基因表达和代谢响应。双苯是多氯联苯（PCBs）的核心结构，而多氯联苯作为持久性有机污染物，因其对环境和人类健康的潜在危害而受到广泛关注。尽管已有研究关注多氯联苯的生物修复技术，但关于双苯诱导下的代谢变化及其对微生物适应性的影响仍缺乏系统性研究。因此，本研究通过多种分析手段，深入解析了 *P. megaterium* MAPB-27 在双苯环境下的代谢适应机制及其对多氯联苯的降解潜力。

### 微生物对双苯的适应性及代谢响应

在研究中，我们首先通过高分辨率图像分析（FESEM）观察了 *P. megaterium* MAPB-27 在双苯处理下的细胞形态变化。结果表明，双苯处理后的细菌细胞表现出较小的尺寸、细胞外多糖（EPS）分泌以及膜泡形成等特征。这些变化可能反映了细菌在应对双苯毒性时的适应性策略，例如通过EPS的分泌形成保护屏障，或通过膜泡的形成增强对污染物的降解能力。同时，我们发现双苯处理显著影响了细菌的生长速率，这可能与细菌在应激条件下将能量流向防御机制有关。

### 双苯诱导的化学趋向性

为了进一步了解 *P. megaterium* MAPB-27 在双苯环境中的行为，我们进行了化学趋向性实验。实验结果显示，该菌株能够对双苯及其降解中间产物如二氢双苯（DHB）、苯甲酸（BA）和儿茶酚（catechol）产生积极的化学趋向性。这表明细菌能够主动迁移至含有这些中间产物的区域，以促进其降解过程。通过对比双苯处理与对照组（使用葡萄糖培养）的实验结果，我们发现双苯处理显著增强了细菌的化学趋向性，特别是在二氢双苯和儿茶酚处理下，细菌形成了明显的生长环，显示出其对这些化合物的偏好性。

### 多氯联苯降解能力的验证

为了评估 *P. megaterium* MAPB-27 对多氯联苯的降解能力，我们使用GC-MS/MS技术分析了不同氯取代数量的多氯联苯降解情况。实验结果表明，该菌株对三氯联苯的降解效率高达92.5%，对四氯联苯的降解效率为62.9%，而对五氯联苯和六氯联苯的降解效率分别为3.7%和2.4%。这一结果表明，*P. megaterium* MAPB-27 对三氯联苯具有较强的降解能力，但对更高氯取代的多氯联苯降解能力较弱。这种差异可能与细菌代谢路径中特定酶的活性及中间产物的积累有关。

### 代谢组学分析揭示的代谢变化

代谢组学分析进一步揭示了 *P. megaterium* MAPB-27 在双苯处理下的代谢变化。我们通过GC-MS/MS技术识别了多种代谢产物，包括4-二氢-2-氧化戊二酸（4-dihydroxy-2-oxo-valerate）、苯甲酸和2,3-二氢苯甲酸等。这些代谢产物的积累可能反映了双苯降解过程中的关键代谢路径。此外，我们还发现该菌株在双苯处理下表现出较高的甘油酸和二羧酸代谢活性，这可能与细菌通过甘油酸途径应对营养胁迫有关。该代谢路径能够将脂肪酸转化为碳水化合物，从而为细菌提供额外的能量来源。

### 基因表达的调控机制

为了探讨双苯对 *P. megaterium* MAPB-27 基因表达的影响，我们进行了定量PCR（qPCR）分析。结果显示，双苯诱导显著提高了与双苯降解相关的芳香环羟化酶（ARHD）基因的表达水平。在72小时和120小时的培养时间中，随着双苯浓度的增加，ARHD基因的表达水平也显著上升，最高达到5.5倍和62.6倍。这表明双苯胁迫能够激活细菌的降解相关基因，促进其对污染物的适应和降解能力。

### 代谢组学与生物修复的潜在应用

代谢组学分析还揭示了 *P. megaterium* MAPB-27 在双苯处理下产生的多种代谢产物，包括聚羟基乙酸（PHB）、生物基有机酸（3-羟基丙酸）以及具有抗菌和抗真菌活性的化合物如苯基乳酸（PLA）和4-羟基苯基乳酸（HPLA）。这些代谢产物不仅在双苯降解过程中起重要作用，还具有广泛的工业应用潜力。例如，PHB作为一种生物可降解材料，可用于生物塑料和药物载体；而3-羟基丙酸则可作为生物燃料的前体。

### 细胞膜与脂肪酸代谢的适应性

此外，我们还观察到双苯处理下 *P. megaterium* MAPB-27 的细胞膜发生了显著变化，表现为饱和脂肪酸的积累增加。这可能是一种适应机制，通过增加细胞膜的饱和度来降低膜对小分子的通透性，从而增强细胞对双苯胁迫的抵抗力。饱和脂肪酸的积累还可能影响细菌的代谢路径，使其在应激条件下更有效地利用脂肪酸作为碳源。

### 细胞外多糖与生物表面活性剂的形成

研究还发现，双苯处理显著促进了 *P. megaterium* MAPB-27 的细胞外多糖（EPS）分泌。EPS的形成不仅有助于细菌在应激条件下的存活，还可能促进其对污染物的降解能力。通过增加EPS的分泌，细菌能够形成保护屏障，减少污染物对细胞的直接伤害。此外，EPS的形成还可能促进生物表面活性剂的合成，这些表面活性剂能够增强细菌对有机污染物的吸附能力，从而提高其降解效率。

### 抗菌和抗真菌代谢产物的积累

在双苯处理下，我们还观察到 *P. megaterium* MAPB-27 积累了多种抗菌和抗真菌代谢产物，如棕榈酸、二十烷酸和β-谷甾醇。这些代谢产物不仅在生物修复过程中起重要作用，还可能具有其他工业应用潜力。例如，β-谷甾醇可用于药物和化妆品行业；而棕榈酸和二十烷酸则可用于食品添加剂和生物燃料的合成。

### 代谢组学与基因表达的关联

通过代谢组学和基因表达分析的结合，我们进一步揭示了 *P. megaterium* MAPB-27 在双苯胁迫下的代谢适应机制。结果显示，双苯处理显著影响了多个代谢路径，包括甘油酸和二羧酸代谢、脂肪酸生物合成以及氨基酸代谢。这些代谢路径的变化可能反映了细菌在应激条件下的代谢调控策略，例如通过甘油酸途径将脂肪酸转化为碳水化合物，或通过氨基酸代谢增加细胞的应激抵抗力。

### 结论与应用前景

综上所述，本研究揭示了 *P. megaterium* MAPB-27 在双苯环境下的代谢适应机制及其对多氯联苯的降解能力。这些发现不仅有助于理解微生物如何应对有机污染物的胁迫，还为开发高效的生物修复策略提供了理论依据。此外，该菌株在双苯处理下产生的多种代谢产物，如PHB、生物基有机酸和抗菌抗真菌化合物，具有广泛的工业应用潜力。因此，*P. megaterium* MAPB-27 可能成为一种重要的生物修复工具，其在环境治理和工业应用方面的潜力值得进一步研究和开发。