Pandoraea captiosa HR2菌对吡啶和2-二乙氨基-4-羟基-6-甲基嘧啶的降解性能及机制：在单独系统或同时作用系统中的研究

《Journal of Environmental Sciences》：Degradation performance and mechanism of pyridine and 2-Diethylamino-4-hydroxy-6-methylpyrimidine by Pandoraea captiosa HR2 in individual or simultaneous systems

氮杂环化合物（NHCs）协同降解机制及代谢途径研究。从农药废水处理厂活性污泥中分离出Pandoraea captiosa HR2菌株，可高效降解吡啶（97.61%）和DHMP（96.89%）。首次发现DHMP降解产生(NE,2E)-N-甲基丁酰胺和二乙胺，揭示其代谢途径。双底物系统抑制DHMP降解达42.3%，转录组显示rutA和preT基因显著下调，证实底物竞争抑制。为多NHCs废水生物处理提供新菌种和机制参考。

　　本文探讨了氮杂环化合物（NHCs）在工业废水中的共代谢降解机制，特别是以吡啶和2-二乙氨基-4-羟基-6-甲基嘧啶（DHMP）为研究对象。NHCs广泛存在于农药、制药和精细化学品的生产过程中，因其结构稳定性和固有的毒性，它们对生物降解具有较强的抵抗性，并可能对生态环境造成潜在危害。尽管已有大量研究关注单一NHC的微生物降解，但对于多种NHC共存条件下的降解机制仍存在较大空白，这在实际废水处理中可能会导致处理效果受限。因此，本文旨在揭示一种能够同时降解吡啶和DHMP的新型细菌菌株HR2的代谢特性，以及其在共代谢条件下的表现。

研究团队从一家农药废水处理厂的活性污泥中分离出菌株HR2，并通过鉴定确认其为*Pandoraea captiosa*。该菌株在双底物系统中表现出对吡啶和DHMP的高效降解能力，经过96小时的培养后，两种化合物的降解率分别达到了97.61% ± 0.55%和96.89% ± 0.68%。值得注意的是，在双底物系统中，虽然吡啶的降解受到一定抑制，但其抑制程度相对较轻；相比之下，DHMP的降解则受到显著影响。这一现象表明，在微生物降解过程中，底物之间的相互作用可能会引发代谢竞争，从而影响降解效率。

在DHMP的降解过程中，研究团队首次鉴定了两个新的代谢中间产物，即（1E,2E）-N-甲基丁-2-烯酰胺和二乙胺。这些中间产物的发现为理解DHMP的降解路径提供了新的线索，有助于进一步揭示其在微生物作用下的代谢机制。此外，通过转录组分析，研究人员发现，在双底物系统中，DHMP降解相关的关键基因*rutA*和*preT*的表达水平明显下降，这表明在存在两种底物的情况下，微生物可能会优先利用一种底物，从而抑制另一种底物的降解。与此同时，参与氮代谢、2-氧化羧酸代谢、三羧酸（TCA）循环和硫胺素代谢的基因在双底物系统中的上调程度也低于单一底物系统，这可能进一步削弱DHMP的降解效率。

研究还指出，尽管物理化学方法在去除NHCs方面具有一定的优势，但这些方法往往伴随着高昂的运行成本、技术复杂性以及二次污染的风险。相比之下，生物降解作为一种绿色技术，不仅具有较高的降解效率，而且更加环保、经济。目前，已有多种微生物被报道具有降解吡啶的能力，例如*Rhodococcus pyridinivorans*、*Alishewanella fetalis*、*Paracidovorax*、*Gordonia rubripertincta*、*Bacillus aryabhattai*、*Stenotrophomonas maltophilia*和*Bacillus sphaericus*等。这些菌株在不同的实验条件下表现出对吡啶的高效降解，如*Stenotrophomonas maltophilia* J2能够在72小时内降解1100 mg/L的吡啶，达到98.34%的去除率。然而，关于DHMP的微生物降解研究仍然较为有限，仅有少数文献提及相关微生物的降解能力，如Jin等人（2023）分离出的两个微生物群落HY3和JY3，它们在72小时内能够降解1500 mg/L的DHMP，去除率分别为95.66%和92.16%。尽管这些研究取得了一定进展，但多数实验仍集中于单一底物系统，缺乏对多种NHC共存条件下的代谢机制和竞争关系的系统研究。

在代谢路径方面，现有研究表明，吡啶的微生物降解主要涉及直接氧化还原反应、羟基化、羧基化、羰基化和甲基化等过程。例如，Wang等人（2018）在研究*Paracoccus* sp. NJUST30对吡啶的降解时，发现了一些关键的中间产物，如2,4-二羟基吡啶酮和琥珀酸半醛，这些产物的存在支持了羟基化、环断裂和矿化这一可能的代谢路径。同样，Nie等人（2021）在研究*Enterobacter* sp. BD19对吡啶的降解时，发现了2-吡啶甲醛和2-吡啶甲酸等中间产物，揭示了一种以甲基化为基础的降解机制。然而，关于DHMP的代谢路径，目前的研究仍较为薄弱。尽管有文献提出DHMP的降解可能始于N1-C6键和C4-C5位的环开裂反应，但具体的调控机制和代谢路径尚未完全阐明。

为了填补这一研究空白，本文采用转录组分析的方法，系统地研究了菌株HR2在不同底物条件下的代谢响应。通过对基因表达水平的分析，研究人员不仅能够了解HR2在降解吡啶和DHMP时的代谢特征，还能够进一步探讨两种底物之间可能存在的代谢竞争关系。这一研究对于开发针对多种NHC共存条件下的协同生物修复策略具有重要意义，同时也为微生物在复杂废水环境中的应用提供了理论依据和实践指导。

在实验方法方面，研究团队使用了多种化学试剂和培养基。DHMP的纯度超过96.0%，由湖南海利化工有限公司提供；而吡啶的纯度超过99.0%，以及其他化学试剂均来自中国医药集团。菌株的分离和培养则采用液体Luria-Bertani（LB）培养基，用于初始的菌株筛选和培养。为了更准确地评估菌株的降解能力，研究人员还使用了液体矿物盐培养基（MSM），该培养基包含了NaCl、K?HPO?等成分，能够模拟实际废水环境中的营养条件。通过梯度浓度驯化实验，研究团队发现菌株HR2在单一底物系统中能够耐受高达600 mg/L的吡啶或DHMP浓度，并在72小时的培养后达到较高的降解效率。这些实验结果表明，菌株HR2在处理含有高浓度NHCs的废水方面具有良好的适应性和降解能力。

此外，研究团队还关注了微生物在共代谢条件下的生理响应。在双底物系统中，尽管菌株HR2能够同时降解吡啶和DHMP，但其对DHMP的降解效率明显下降。这一现象可能与微生物在代谢过程中对不同底物的优先选择有关。例如，当两种底物同时存在时，微生物可能会优先利用溶度较高的底物，从而导致另一种底物的代谢受到抑制。这种溶度驱动的代谢竞争机制在之前的研究中已有报道，如Tomar等人（2022）发现，在含有吡啶和吲哚的共代谢系统中，溶度差异会影响微生物对底物的识别和相关酶的激活顺序。因此，在实际废水处理中，微生物对不同底物的代谢效率可能会受到多种因素的影响，包括底物的浓度、物理化学性质以及微生物自身的代谢偏好。

为了进一步揭示菌株HR2在双底物系统中的代谢机制，研究团队还进行了代谢中间产物的鉴定工作。在DHMP的降解过程中，研究人员成功分离并鉴定了两个新的中间产物，即（1E,2E）-N-甲基丁-2-烯酰胺和二乙胺。这些中间产物的发现不仅有助于理解DHMP的代谢路径，还可能为后续的代谢调控研究提供新的方向。同时，这些中间产物的存在也表明，菌株HR2在降解DHMP时可能涉及复杂的代谢网络，包括环开裂、氧化还原反应和氮代谢等过程。

在实际应用方面，菌株HR2的高效降解能力为其在工业废水处理中的应用提供了重要的基础。尤其是在含有多种NHCs的复杂废水环境中，这种菌株的共代谢能力可以有效提高废水处理的效率，减少处理成本，并降低二次污染的风险。此外，由于DHMP尚未被纳入常规的环境监测项目，其在环境中的浓度和分布情况仍需进一步研究。因此，了解DHMP的环境行为及其与微生物的相互作用，对于评估其生态风险和制定相应的污染防治措施具有重要意义。

综上所述，本文的研究不仅揭示了菌株HR2在同时降解吡啶和DHMP方面的潜力，还为理解NHCs在微生物作用下的代谢机制和竞争关系提供了新的视角。通过系统的实验设计和转录组分析，研究团队为未来开发针对多种NHCs共存条件下的生物修复技术奠定了理论基础。同时，该研究也为实际废水处理工程中微生物菌株的选择和优化提供了参考依据。在未来的工作中，进一步研究菌株HR2在不同环境条件下的代谢适应性、基因调控机制以及与其他微生物的协同作用，将有助于推动NHCs污染治理技术的发展。