Congo Red染料的生物降解与脱色：由金属依赖性水解酶（MdeH）在Buttiauxella sp. S19-1菌株中的作用

《Journal of Hazardous Materials》：Biodegradation and Decolorization of Congo Red Dye by Metal-Dependent Hydrolase (MdeH) in Buttiauxella sp. S19-1

该菌株在最佳条件下降解效率达89.6%，金属依赖水解酶BuMdeH和Zn2?起关键作用，代谢产物为对位苯基胺和萘胺，为废水处理提供新策略。

　　

缪旭 | 雷贺 | 王阳 | 埃尔尚·穆萨扎德 | 秦丽珠 | 史明浩 | 熊光明 | 埃德蒙·马瑟 | 郭立全 | 张传志

吉林农业大学生命科学学院，长春 130018，中国

摘要

作为偶氮染料之一，刚果红（CR）在服装行业中被广泛使用，但会对环境和健康造成严重风险。在本研究中，选择了Buttiauxella spS19-1菌株用于高效降解CR。最佳降解条件为在100 mg/L的浓度下进行厌氧培养，pH值为5.0，温度为27°C，培养时间为30小时，降解效率达到89.6%。原核生物转录组分析显示，在CR生物降解过程中，Buttiauxella spS19-1菌株中编码一种金属依赖性水解酶的基因显著上调，锌离子被确定为该酶所必需的金属离子。缺乏BuMdeH基因的S19-1突变体（S-?M）的降解效率比S19-1降低了1.42倍；而表达BuMdeH的大肠杆菌（E-M）的降解效率则提高了2.8倍。重组BuMdeH蛋白（rBuMdeH）的比活性（以Zn²⁺为底物）为1.10±0.02 μmol/min·mg。气相色谱-质谱（GC-MS）分析表明，CR的代谢产物为[1,1'-联苯]-4-胺和1-萘胺，这些代谢产物的产生显著降低了CR的毒性。结果表明，BuMdeH通过一种新的途径在S19-1菌株中对CR的催化降解中起关键作用，这为CR污染废水的生物修复提供了新的策略。

引言

由于染料具有由其化学结构决定的独特颜色特性，它们被广泛应用于各种行业[1]、[2]。大量含染料的废液排放导致这些污染物在土壤和水源中积累，对环境和健康构成严重威胁[3]、[4]。刚果红（CR）是纺织工业中最常用的染料之一[5]。目前已有多种CR的修复技术，其中细菌和真菌的生物降解被认为是一种经济高效且环保的替代方法，可以避免二次污染[6]、[7]。 先前的研究表明，多种真菌[8]、酵母[9]、放线菌[10]和细菌[11]都能有效降解CR。酶在染料生物降解过程中起着重要作用，包括锰过氧化物酶[12]、[13]、木质素过氧化物酶[14]、漆酶[15]、染料过氧化物酶[16]和偶氮还原酶[17]。染料生物降解通常涉及氧化还原反应，芳香胺的生成是降解过程的第一步[18]、[19]。Chandanshive等人强调了木质素过氧化物酶和漆酶在CR生物降解途径中的重要性[20]。然而，CR的完整代谢途径尚未得到充分研究。 值得注意的是，水解酶能够催化酯键、C-N键和C-C键的水解，可能有助于CR的降解，但相关研究尚不系统。根据其活性中心，水解酶可分为金属水解酶和非金属水解酶。金属水解酶中的金属离子在底物结合和催化水解过程中起着关键作用[21]。然而，水解酶在CR降解中的作用尚未被报道。由于CR含有大量的C-N键和C-C键，水解酶可以分解这些键，从而促进染料的生物降解[22]。 在本研究中，我们筛选了八种天然菌株以确定最有效的CR降解菌株，并研究了金属离子对CR降解效率的影响。通过原核生物转录组分析，我们识别出参与CR降解过程的上调基因，并通过基因操作进一步探讨了这些基因的作用。

菌株信息

Comamonas testosteroni（CT1）于1952年首次从多环芳烃（PAHs）污染的环境中分离出来[23]。CT1具有降解多环芳烃的能力，并拥有多种必需酶[24]。Vibrio（H5）和Buttiauxella spS19-1菌株是从德国基尔波罗的海沿岸的污染区域分离得到的，它们能够有效降解芳香化合物[25]、[26]。

天然细菌菌株对CR的降解作用

使用分光光度法评估了八种天然细菌菌株（CT1、H5、PS、S19-1、LY1、LM1、P14和JP1；见第2.2节）对CR（浓度为100 mg/L）的降解效率。如图1所示，S19-1菌株的CR降解效率最高，达到81.6%（p<0.05），培养时间为24小时。其他菌株的降解效率在30%到80%之间。Amira等人发现Aspergillus favus在7天内可将50 mg/mL的CR降解率达到89.0%[33]。

结论

本研究表明，S19-1菌株对CR的降解效率高达81.6%。原核生物转录组分析显示，BuMdeH在CR降解过程中起关键作用。r-BuMdeH的活性在Zn²⁺的作用下得到增强，比活性为1.10 ± 0.02 μmol/min·mg。r-BuMdeH对CR的降解通过不对称裂解进行，产生的代谢产物[1,1'-联苯]-4-胺和1-萘胺显著降低了CR的毒性。

环境影响

刚果红（CR）是一种偶氮染料，由于具有致突变、致癌、遗传毒性和致畸作用，对生物体非常有害。染料废水中CR的含量通常在10-100 mg/L范围内，远高于1.0 mg/L的安全标准。我们选择了Buttiauxella spS19-1菌株，在厌氧条件下（浓度为100 mg/L，pH值为5.0，温度为27°C，培养时间为30小时）对其进行了高效降解实验，降解效率达到了89.6%。

CRediT作者贡献声明

秦丽珠：数据分析与整理。 埃尔尚·穆萨扎德：撰写、审稿与编辑。 王阳：实验研究、数据分析。 雷贺：初稿撰写、实验研究。 缪旭：撰写、审稿与编辑、方法学设计、数据分析。 张传志：撰写、审稿与编辑、指导、实验研究。 郭立全：撰写、审稿与编辑、指导、方法学设计、资金申请、概念构思。 埃德蒙·马瑟：撰写、审稿与编辑、资金申请。 熊光明：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了吉林省科技厅（项目编号20230203162SF）和欧洲区域发展基金支持的Interreg South Baltic Program 2021-2027项目（项目名称：BALTWRECK，项目编号STHB.02.02-IP.01-0009/23）的资助。本文内容仅代表作者个人观点，不代表欧盟、Interreg South Baltic Program 2021-2027项目的管理机构或联合秘书处的立场。