通过Bacillus haynesii和Kluyveromyces marxianus在开菲尔（kefir）共培养中的分工作用实现苯并[a]芘的生物降解

《Microbiology Spectrum》：Biodegradation of benzo[a]pyrene by division of labor in co-culture of Bacillus haynesii and Kluyveromyces marxianus from kefir

苯并[a]芘（BaP）在高温食品加工中生成，通过共培养食品源微生物Bacillus haynesii TM-41和Kluyveromyces marxianus TD-3可显著提升降解效率，达71.08%。代谢组学显示真菌降解BaP供能，细菌合成氨基酸供真菌生长，协同机制涉及氨基酸与脂代谢通路优化，为食品微生物资源处理BaP提供新策略。

　　本研究聚焦于一种名为苯并[a]芘（BaP）的有毒物质在食品加工过程中产生的问题及其对食品安全和人类健康的影响。BaP是一种高分子量的多环芳烃（PAH），其结构由五个相互连接的苯环组成，具有较强的抗降解性。根据世界卫生组织（WHO）的评估，BaP被列为前三类致癌物之一，因其具有致癌、致畸和致突变等多重危害。这种化合物主要通过环境转移和烹饪过程中有机物的不完全燃烧进入食物链，从而对人类健康构成威胁。饮食是人体暴露于BaP的主要途径，这显著增加了患胃癌和多种心血管疾病的风险。

为了应对这一挑战，研究者开始探索微生物降解技术，因其具备高效、低成本和可持续等优点。本研究选取了从降解BaP的酸奶中分离出的两种微生物：TM-41菌株（一种芽孢杆菌）和TD-3菌株（一种酵母菌）。通过构建共培养系统，研究者发现这两种微生物在协同作用下能够显著提高BaP的降解效率。在初始浓度为19 mg/L、温度为35°C、pH值为6.0、降解时间为78小时的条件下，共培养系统的BaP降解率达到了71.08%。研究结果揭示了TM-41和TD-3之间的协同机制：酵母菌TD-3降解并利用BaP作为能源，为芽孢杆菌TM-41提供营养支持；而TM-41则合成并分泌特定的氨基酸，供TD-3生长所需。这种互惠共生关系在微生物降解BaP过程中发挥了关键作用。

在本研究中，TM-41和TD-3在单独培养下的BaP降解率分别为36.79%和38.63%，而共培养系统则表现出更高的降解能力。研究者还对多种环境因素进行了优化，包括初始BaP浓度、温度、pH值和培养时间。结果显示，当BaP初始浓度为20 mg/L时，降解效率最高；在37°C的温度下，微生物的生长和降解效率均达到最佳状态；pH值为6时，系统表现最优；而最佳培养时间为84小时。通过响应面法（RSM）进行优化后，BaP的降解率进一步提升至71.08%，表明该共培养系统在特定条件下具有高度的降解潜力。

此外，代谢组学分析揭示了共培养系统中代谢物的显著变化。研究者通过非靶向代谢组学技术，识别了多个代谢物的变化趋势。在不同培养阶段，代谢物的表达模式发生了显著改变，尤其是在氨基酸代谢和脂质代谢方面。例如，在24小时与48小时之间，MD24与MD48组之间发现了20种差异代谢物，其中12种代谢物在MD48组中上调，8种下调。而在48小时与72小时之间，MD48与MD72组之间检测到了133种显著变化的代谢物，包括68种上调和65种下调。这些变化表明，共培养系统能够通过代谢物的相互作用，提高BaP的降解效率。

通过进一步的代谢通路分析，研究者发现，共培养系统在不同培养阶段激活了不同的代谢通路。在24小时与48小时之间，氨基酸的合成、核苷酸代谢以及色氨酸代谢等通路显著增强。而在48小时与72小时之间，氨基酸合成、精氨酸和脯氨酸代谢、色氨酸代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、甘油磷脂代谢等通路表现更为活跃。这表明，在共培养系统中，TM-41和TD-3之间的代谢协同作用可能促进了BaP的高效降解。与此同时，研究还发现，单菌株培养下的代谢变化与共培养系统存在显著差异，特别是在脂质代谢方面，共培养系统表现出更广泛的代谢活动。

研究结果不仅展示了共培养系统在BaP降解中的优越性，还强调了食品来源微生物资源在环境治理和食品安全保障中的应用潜力。通过利用食品中已有的微生物，研究者为解决食品中BaP污染问题提供了一种新颖且可持续的解决方案。这种方法不仅有助于减少食品中的有害物质，还可能为食品工业提供一种天然的净化手段。此外，研究结果还为微生物降解技术的进一步发展提供了理论依据和实践指导，有助于开发更加高效、环保的降解策略。

本研究还指出，pH值和温度是影响微生物降解效率的重要因素。在低pH值条件下，酵母菌的生长和代谢活动受到抑制，而在高pH值条件下，芽孢杆菌的活性下降。因此，pH值在6左右的环境最适合共培养系统的运行。温度同样对微生物的活性有显著影响，最佳温度为37°C，这与芽孢杆菌和酵母菌的自然生长条件相吻合。研究者还发现，共培养系统在培养时间达到78小时时，其降解效率达到峰值，说明时间因素在微生物降解过程中具有重要影响。

通过优化环境因素，研究者不仅提高了BaP的降解效率，还揭示了共培养系统中微生物之间的协同机制。这种机制可能为其他类似污染物的降解研究提供参考，同时也为食品微生物资源的开发和利用提供了新的思路。此外，研究结果还表明，微生物降解技术在食品工业中的应用前景广阔，有望成为解决食品污染问题的有效手段。本研究通过实验验证和理论分析，为微生物降解技术的推广和应用奠定了基础。