新型芽孢杆菌DLY-11对磺胺间甲氧嘧啶的高效降解条件优化及创新代谢途径解析

本文报道了一株从猪粪堆肥中分离的新型芽孢杆菌（Bacillus sp. DLY-11），通过响应面法（RSM）优化其降解磺胺间甲氧嘧啶（SMM）的条件（5%接种量、59.1°C、pH 7.10、0.45 g/L MgSO4），48小时内降解率高达98.8%。研究首次揭示了SMM的两条降解途径（包括C-N键断裂、羟基化和SO2释放等反应），填补了细菌降解SMM的机制空白，为畜牧业抗生素污染治理提供新策略。

　　

ABSTRACT

磺胺间甲氧嘧啶（SMM）作为畜牧业常用抗生素，其环境残留治理亟待解决。研究从猪粪堆肥中筛选出高效降解菌株Bacillus sp. DLY-11，通过Box-Behnken设计优化降解条件，发现该菌株在59.1°C、pH 7.10和0.45 g/L MgSO₄条件下可实现20 mg/L SMM的98.8%降解。质谱分析鉴定出6种中间产物，提出包含C-N键断裂和SO₂释放的两条新型降解途径。

INTRODUCTION

磺胺类抗生素因代谢不完全导致环境残留，诱发耐药基因传播。传统物理化学处理方法成本高且易产生二次污染，而堆肥等生物处理技术依赖微生物降解效率。SMM作为典型磺胺类药物，其降解菌株及机制研究尚不充分。

MATERIALS AND METHODS

实验采用广州某猪场粪便样本，通过富集培养筛选出DLY-11菌株，经16S rRNA鉴定为Bacillus thuringiensis（GenBank OQ996970.1）。通过单因素实验考察温度（10-40°C）、pH（6-9）、金属离子（Mg²⁺>Mn²⁺≈Ca²⁺>Fe²⁺）等因素影响，结合响应面法建立二次多项式模型。产物分析采用HPLC-Q-TOF/MS，检测限达0.22 μm。

RESULTS AND DISCUSSION

堆肥实验显示35天后SMM降解率仅19.5%，而DLY-11菌株在优化条件下48小时降解率达98.8%。生长曲线显示该菌28小时进入对数期，降解动力学符合一级模型（R²=0.9907）。关键发现包括：

1. 新型代谢途径：发现SMM通过Pathway 2产生m/z 245.0966（4-硝基-1-(4,6-二甲基嘧啶-2-基)苯胺）等全新中间体，涉及甲基化、SO₂释放和羟基化反应；

2. 关键酶推测：单加氧酶（monooxygenase）可能启动羟基化，脱氨酶（deaminase）催化氨基移除，磺基转移酶（sulfotransferase）介导SO₂释放；

3. 温度敏感性：40°C时降解速率较10°C提升11%，59.1°C达最佳效果，反映嗜热酶参与降解过程。

CONCLUSION

该研究不仅提供了一株具有产业化潜力的SMM降解菌，其发现的SO₂释放途径为磺胺类抗生素降解机制研究开辟新视角。未来可针对sul基因簇开展分子机制探索，推动抗生素污染场地的生物修复应用。

亮点

• 堆肥源菌株DLY-11展现超强降解效率

• 首次报道基于SO₂释放的SMM代谢路线

• 为畜牧业抗生素污染治理提供"菌-酶-路"三位一体解决方案