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为解决工业废水中 Cr (VI) 污染问题，研究人员对芽孢杆菌 S48 的铬还原酶开展克隆、表达及特性研究。发现重组酶可使 Cr (VI) reduction 率达 90% 以上，为铬污染生物修复提供了高效环保新途径。
铬（Cr）作为一种常见的重金属污染物，其毒性尤其是六价铬（Cr
6+）对人类健康和生态环境构成了严重威胁。Cr
6+具有强氧化性、高水溶性和易穿透性，可通过食物链在生物体内富集，导致 DNA 损伤、器官病变甚至癌症。传统的物理化学修复方法存在能耗高、产生二次污染等缺陷，因此，开发高效、环保、经济的生物修复技术成为迫切需求。在此背景下，来自巴基斯坦奎德 - 伊 - 阿扎姆大学和土耳其卡拉代尼兹技术大学的研究人员，针对芽孢杆菌属细菌在铬污染修复中的潜力展开研究，旨在通过克隆和表达铬还原酶基因，提升铬污染治理效率，相关成果发表在《Scientific Reports》。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过 PCR 技术从芽孢杆菌 S48 基因组中扩增铬还原酶基因（BparChR），并将其克隆至 pET-28a 载体，转化至大肠杆菌 BL21 (DE3) 中进行异源表达；利用镍亲和层析和凝胶过滤层析对天然及重组铬还原酶进行纯化；借助扫描电子显微镜 - 能量色散 X 射线光谱（SEM-EDX）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等手段分析菌株与铬相互作用后的形态和官能团变化；运用 Plackett-Burman 设计和中心复合设计（CCD）优化铬还原酶生产的理化条件；通过分光光度法（如 1,5 - 二苯基卡巴肼法）测定 Cr (VI) 还原效率及酶活性。
菌株鉴定与铬还原能力分析
通过 16S rRNA 基因测序鉴定菌株 S48 为类芽孢杆菌（Bacillus paramycoides），其对 Cr (VI) 具有显著耐受性，在 300 mg/L Cr (VI) 条件下培养 96 h，可实现 65% 的还原率。随着初始 Cr (VI) 浓度升高至 500 mg/L，还原率有所下降，但在优化条件（pH 7.0、35℃）下，仍能达到 60% 的还原率。SEM-EDX 显示，接触 Cr (VI) 后菌体形态发生明显变化，细胞宽度增加、表面粗糙且出现聚集，EDX 谱图中检测到铬元素峰，证实了菌体对铬的吸附。FT-IR 分析表明，Cr (VI) 处理后菌体表面的 - OH、-NH、C=O 等官能团发生位移或强度变化，提示铬与细胞表面官能团发生了结合。
铬还原酶生产条件优化
利用 Plackett-Burman 设计筛选出影响铬还原酶产量的关键因素，包括 KH2PO4、K2Cr2O7、蔗糖和 MgSO4·7H2O。进一步通过中心复合设计优化发现，降低 KH2PO4浓度、增加蔗糖和 K2Cr2O7浓度可显著提高酶活性。优化后的培养基使铬还原酶的比活性从初始的 214 U/mg 提升至 1416 U/mg，纯度提高 6.6 倍，表明理化条件优化显著促进了酶的生产。
铬还原酶的纯化与特性分析
通过硫酸铵沉淀和 Sephadex G-100 凝胶过滤层析纯化天然铬还原酶，获得分子量约 35 kDa 的单一蛋白条带。该酶在 30-40℃和 pH 5.0-8.0 范围内保持稳定，Ca2+、Mg2+等金属离子可增强其活性，而 Hg2+、Cd2+则表现出抑制作用。动力学分析显示，其对 K2Cr2O7的米氏常数（Km）为 2.33 μM，最大反应速率（Vmax）为 222.22 μmol?mg-1·min-1，表明对底物具有高亲和力和催化效率。纯化后的酶在 35℃处理 96 h，可使 500 mg/L Cr (VI) 的还原率达到 80%。
铬还原酶基因的克隆与重组表达
成功将 BparChR 基因克隆至 pET-28a 载体并在大肠杆菌 BL21 中表达，重组酶通过镍亲和层析纯化后比活性达 1680 U/mg，纯度提高 5.73 倍。重组酶在 35℃和 pH 7.0 条件下表现出最佳活性，对 Cr (VI) 的还原效率显著优于天然酶，在 96 h 内可使 500 mg/L Cr (VI) 的还原率达到 90%。序列分析显示，BparChR 与类芽孢杆菌属其他菌株的铬还原酶具有高度同源性，系统发育树表明其与 B. paramycoides sp. OV166 的铬还原酶亲缘关系最近。
研究结论与意义
本研究从类芽孢杆菌 S48 中成功克隆并表达了高效铬还原酶，通过理化优化和基因工程手段显著提升了铬还原效率。天然酶和重组酶均表现出良好的环境适应性和底物特异性，尤其是重组酶在 Cr (VI) 污染修复中展现出卓越性能。该研究不仅揭示了芽孢杆菌属细菌对铬的生物还原机制，还为工业废水中铬污染的生物修复提供了新的酶资源和技术策略，有望推动低成本、环保型生物修复技术的实际应用，为解决全球重金属污染问题提供重要参考。
