高耐受性菌株Rhodococcus qingshengii PM1对亚硒酸钠的生物降解机制：生化特性与比较基因组分析

本研究针对环境中硒污染治理难题，从恩施富硒矿区分离出耐受100 mM亚硒酸钠的Rhodococcus qingshengii PM1菌株，通过全基因组测序和比较基因组分析，揭示其72小时内降解99% 50 mM亚硒酸钠的高效还原能力，鉴定出97个重金属抗性基因和4个保守的亚硒酸还原相关基因簇（磷酸戊糖途径、铁硫簇组装、硫酸盐还原酶簇和转运复合体），为微生物介导的硒污染修复提供理论依据和技术支撑。

　　

硒作为人体必需微量元素，其安全浓度窗口极窄（缺乏<40 μg/天，毒性>400 μg/天），而工业活动和自然风化导致土壤/水体硒污染频发。传统物理化学修复法成本高昂，微生物将剧毒亚硒酸盐(SeO₃^2?)还原为低毒单质硒(Se⁰)的绿色技术备受关注。尽管已报道多种硒还原菌，但放线菌门红球菌属(Rhodococcus)的硒代谢机制研究薄弱，尤其缺乏基因组水平的系统解析。

来自中国恩施"世界硒都"的研究团队在《Current Research in Microbial Sciences》发表论文，报道了从恩施硒矿分离的Rhodococcus qingshengii PM1菌株。该菌展现惊人环境适应性——耐受100 mM亚硒酸钠（相当于多数细菌致死浓度的20倍），72小时内将50 mM亚硒酸钠转化为纳米硒棒(SeNRs)，去除率高达99%。通过整合扫描电镜-能谱联用(SEM-EDX)、X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶红外光谱(FTIR)证实SeNRs表面包裹蛋白质/多糖有机层；采用Illumina-Nanopore混合测序完成6.37 Mb基因组组装，并与64株红球菌比较基因组，揭示其高效硒代谢的遗传基础。

关键技术包括：1）从恩施硒矿（硒含量372.52 mg/kg）五区采样法分离菌株；2）通过MIC测试、生长曲线和ICP-OES定量评估硒还原效率；3）SEM-EDX/XPS/FTIR表征SeNRs理化特性；4）混合测序策略（Illumina 326×+Nanopore 721×覆盖度）完成基因组组装；5）EDGAR平台进行核心/泛基因组分析；6）IslandViewer预测基因组岛(GIs)；7）PATRIC数据库注释重金属抗性基因。

3.1 菌株分离与特性
PM1在系统发育树中与R. qingshengii JCM 15477的16S rRNA相似度达100%，ANI值98.6%。其脂肪酸谱（C_16:0占38.94%）和碳源利用特征符合红球菌属特性。相比已报道菌株，PM1的硒耐受性远超Stenotrophomonas maltophilia SeITE02（50 mM），但低于R. aetherivorans BCP1（500 mM），显示属内显著多样性。

3.2 硒还原效率
在50 mM亚硒酸钠胁迫下，PM1保持正常生长，3小时启动还原，72小时完成99%转化。SEM显示细胞表面附着纳米棒状结构，EDX确认硒信号，XPS谱图55.4/56.3 eV特征峰证实Se⁰价态。FTIR检测到酰胺I/II/III带（1654/1544/1241 cm^?1）和糖类特征峰（1081 cm^?1），揭示SeNRs表面生物分子包被层的稳定作用。

3.3 基因组特征
PM1基因组含5,803编码基因，GC含量62.5%。泛基因组分析显示红球菌属呈开放型（γ=0.35），核心基因仅1,668个，而菌株特异性基因高达12,209个。R. opacus的基因组岛(GIs)数量惊人（>100个），暗示其强水平基因转移能力。

3.4 重金属抗性
PM1携带97个重金属抗性基因，以镍/铁相关基因最多（如sufBCDSE铁硫簇组装系统）。比较蛋白序列显示，同种菌株间基因保守度>90%，而异种间可低至30%，反映生态位驱动的适应性进化。

3.5 硒代谢通路
鉴定出4个关键通路：1）磷酸戊糖途径(PPP)基因（zwf/talA/tktA）提供NADPH；2）硫酸盐ABC转运体(CysAWTP)可能介导SeO₃^2?摄取；3）硫酸盐还原酶簇(CysNDHIJ)直接催化还原；4）硫氧还蛋白系统(TrxR)参与电子传递。值得注意的是，PM1缺乏典型硒酸还原酶(SerABC)，暗示其通过硫代谢旁路实现硒转化。

该研究首次系统阐明红球菌属的硒代谢网络，其高效还原能力源于多通路协同：CysAWTP转运硒进入细胞，PPP提供还原力，铁硫簇增强酶活性，最终通过硫氧还蛋白/谷胱甘肽系统完成解毒。分离自天然硒矿的PM1菌株，为开发原位生物修复技术提供优质种质资源，其生物合成的有机包被SeNRs在纳米医药领域亦具应用潜力。比较基因组揭示的代谢可塑性，为理解微生物环境适应机制提供新视角。