高地芽孢杆菌DG4基因组解析与萘污染生物修复潜力研究

为解决多环芳烃环境污染问题，研究人员开展高地芽孢杆菌DG4的基因组学与萘降解功能研究，通过全基因组测序和GC-MS分析揭示其携带萘降解关键基因（如dhaT），实验证实其萘降解效率达90%，并解析代谢途径生成1-萘酚等中间产物，为PAHs污染场地的生物修复提供高效菌种资源和理论依据。

　　

多环芳烃（PAHs）作为广泛存在的环境污染物，对生态系统和人类健康构成严重威胁，其中萘（naphthalene）被美国环境保护署列为优先控制污染物。这类化合物具有毒性、致突变性和致癌性，尤其对淡水生态系统和沉积物造成长期污染。尽管好氧条件下PAHs可被微生物降解，但实际污染场地多呈厌氧状态，限制了自然降解效率。因此，开发高效、安全的生物修复技术成为环境治理的迫切需求。

微生物降解凭借其环境友好性和高效性，成为污染控制的重要手段。芽孢杆菌属（Bacillus）物种因其强大的环境适应性和多样的代谢能力，在PAHs降解中展现出潜力。然而，关于高地芽孢杆菌（Bacillus altitudinis）的PAHs降解基因组信息仍较为缺乏。本研究从印度Vapi的Damanganga河分离到一株高地芽孢杆菌DG4，通过整合基因组学与实验验证，系统解析其萘降解能力与分子机制，为PAHs污染生物修复提供新的候选菌株和理论支撑。相关研究成果发表于《Biotechnology for the Environment》。

本研究主要采用以下技术方法：从Damanganga河采集水样（地理坐标：20.373680, 72.878786），通过以萘为唯一碳源的Bushnell Hass培养基进行菌株分离和纯化；利用Illumina MiniSeq平台进行全基因组测序，并通过BV-BRC和RAST工具进行基因组注释和功能分析；采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术定量分析萘降解效率及代谢产物；使用IPGA和Panaroo进行泛基因组分析；通过IslandViewer 4预测基因组岛。

Isolation and morphological characterization of Bacillus altitudinis DG4

菌株DG4分离自Damanganga河水样，在营养琼脂平板上呈现圆形、乳白色、光滑湿润的典型芽孢杆菌菌落形态。生化鉴定显示其过氧化氢酶（catalase）阳性、 citrate利用阳性，但氧化酶（oxidase）和吲哚（indole）阴性，符合芽孢杆菌属特征，为其后续降解研究奠定生物学基础。

Naphthalene degradation by Bacillus altitudinis DG4

在5株分离菌中，DG4展现出最高的萘降解效率（90%），但其生长速率（OD₆₀₀=0.4241）并非最高，表明该菌株将代谢资源优先分配给降解而非生物量积累，体现了其对污染环境的适应性进化。

Genome assembly and annotation of Bacillus altitudinis DG4

全基因组测序显示DG4基因组大小为3.83 Mb，GC含量41.03%，包含4120个蛋白编码序列（CDS）、66个tRNA和3个rRNA基因。功能注释发现942个酶编码基因（EC编号）和695个KEGG通路相关基因，提示其具有丰富的代谢潜能，特别是异生物质降解相关通路。

Subsystem analysis and specialty genes

子系统分析揭示了DG4在代谢、运输和应激响应方面的基因组成。 specialty基因分析鉴定出63个转运蛋白基因（TCDB数据库）、41个抗生素抗性基因（PATRIC数据库）和21个药物靶点基因（DrugBank数据库），这些基因可能参与环境适应和底物利用，但未发现致病性相关基因。

Antimicrobial resistance gene analysis

基因组中发现多种抗菌素抗性基因，包括抗生素灭活酶（如CatA6、FosB）、外排泵（如BceA、BceB）和靶点修饰蛋白（如BcrC），这些基因可能源于水平基因转移，但在无致病岛背景下，其环境适应性意义大于临床风险。

Comparative genome analysis

基于全局蛋白家族（PGFams）的系统发育分析将DG4明确归类于高地芽孢杆菌进化枝，与Bacillus pumilus群成员亲缘较近，而与Bacillus anthracis等物种明显分离，确认了其分类学地位。

Pan-genome analysis

对122株高地芽孢杆菌的泛基因组分析显示，DG4拥有2403个核心基因、1588个辅助基因和40个独有基因。辅助基因中包含accA_1（丙酸代谢）、acsA_1（乙酰辅酶A合成酶）及与降解相关的dhaT（萘和蒽降解）和acyP（1,4-二氯苯降解）等基因，从基因组水平解释了其降解能力的独特性。

Analysis of residual naphthalene with GC-MS by B. altitudinis DG4

GC-MS分析证实DG4通过萘双加氧酶（NahAc/NahAd）启动降解途径，生成1-萘酚（1-naphthalenol）、1,8-萘二甲酸酐（1,8-naphthalic anhydride）、1-苊酮（1-acenaphthenone）和苯甲酸（benzoic acid）等关键中间产物，最终通过β-酮己二酸途径进入TCA循环实现完全矿化，揭示了其高效的萘代谢网络。

讨论与结论

本研究通过基因组与实验验证相结合的策略，系统阐明了高地芽孢杆菌DG4的萘降解能力与分子基础。其90%的降解效率优于多数已报道的芽孢杆菌菌株（如Bacillus cereus 28BN的72%），与某些假单胞菌（如Pseudomonas sp. SA3）相当，但DG4的优势在于其环境稳健性和安全性（无致病岛）。独有基因（如dhaT）和代谢途径的发现，为理解细菌对PAHs的适应性进化提供了新视角。

DG4的基因组特征（如丰富的降解相关酶系、转运蛋白和抗性基因）表明其高度特化的环境适应策略，尤其适用于复杂污染场地的生物修复。 然而，实验室结果需通过野外试验验证，包括生物可利用性、土著菌群竞争和环境因子影响等实际限制因素。

综上，Bacillus altitudinis DG4展现出显著的萘污染修复潜力，其基因组资源与代谢途径解析为开发定向生物修复技术提供了理论基础和菌种资源。未来研究可聚焦于其酶系统优化、田间应用及与其他修复技术的整合，以推动PAHs污染治理的实际应用。