嗜盐菌Halovibrio sp. HP20-59基因组解析及其作为新型聚羟基丁酸酯高产菌株的应用潜力

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Genome sequence of Halovibrio sp. HP20-59 as a promising polyhydroxybutyrate producer

本研究针对塑料污染这一全球性环境问题，探索了利用嗜盐菌Halovibrio sp. HP20-59生产可生物降解塑料聚羟基烷酸酯(PHA)的潜力。研究人员通过全基因组测序和代谢分析，发现该菌株在 galactose 为碳源时PHA产量高达细胞干重的73.76%，并首次证实其 phaCAB 基因簇可能通过水平基因转移从Vreelandella属获得。该研究为开发低成本、可持续的生物塑料生产工艺提供了新的微生物资源和技术路径。

　　

随着全球塑料产量在2022年达到4.003亿吨，传统石油基塑料造成的环境污染已成为威胁地球生态系统的严峻挑战。尽管回收、填埋和焚烧等处理方式有所进步，但微塑料(<5mm)和纳米塑料(<1μm)的持续积累仍对海洋生物构成显著威胁。在这种背景下，生物基可降解材料聚羟基烷酸酯(Polyhydroxyalkanoates, PHA)因其具有生物相容性、可降解性和结构多样性而受到广泛关注。PHA是微生物在营养限制条件下积累的储能聚酯，其分子量范围在50-1000 kDa之间，以颗粒形式存在于细胞质中。在PHA合成途径中，PHA合酶(phaC)是催化(R)-3-羟基烷酰辅酶A聚合的关键酶，根据其亚基组成可分为四个类别。

特别值得关注的是，嗜盐微生物因其独特的生理特性正在成为PHA生产的理想候选者：它们对高盐度的需求降低了发酵过程中的污染风险；普通水即可通过低渗裂解细胞释放PHA颗粒，降低了提取成本；且能够利用各种廉价原料。其中，盐单胞菌科(Halomonadaceae)的成员已被广泛报道具有PHA生产能力，但属于Oceanospirillales目的Halovibrio属的PHA合成潜力尚未被探索。

本研究团队从斯洛伐克Pre?ov市附近的Solivar盐矿卤水样品(盐度311 g L^-1，pH 6.5)中分离得到一株新型嗜盐菌HP20-59。通过16S rRNA基因序列分析和全基因组测序，研究人员发现该菌株与Halovibrio variabilis的亲缘关系最近，但数字DNA-DNA杂交(dDDH)值仅为35%，平均核苷酸一致性(ANI)和平均氨基酸一致性(AAI)均低于95%，表明其代表Halovibrio属的一个新物种。值得注意的是，该菌株在含5% NaCl的培养基中生长最佳，且无法在无盐条件下生长，证实其为严格嗜盐菌而非耐盐菌。

为评估该菌株的PHA生产能力，研究人员采用了尼罗蓝A染色初步筛查，进而通过拉曼光谱(Raman spectroscopy)和气相色谱-火焰离子化检测器(GC-FID)进行定量分析。拉曼光谱检测到PHA的特征峰位于833 cm^-1、1454 cm^-1和1734 cm^-1，其中1734 cm^-1处的羰基伸缩振动峰最为特异。通过分析9种不同碳源下的PHA积累情况，发现galactose使PHA产量达到最高(2.11 g L^-1)，占细胞干重的73.76%；蔗糖、甘露醇、木糖和麦芽糖也支持中等产量(0.76-1.47 g L^-1)；而果糖、核糖、阿拉伯糖和甘油的促进效果较差。所有条件下均只检测到聚(3-羟基丁酸酯)(PHB)均聚物，未发现羟基戊酸等单体掺入。

全基因组测序揭示HP20-59菌株的基因组大小为4,165,370 bp，GC含量55.1%，包含4,091个编码序列。通过RAST注释和移动基因元件分析，研究人员发现完整的PHA合成基因簇(phaCAB)，其中phaA和phaB基因位于水平基因转移(horizontal gene transfer, HGT)区域，且phaC基因部分序列也呈现HGT特征。这些区域的GC含量(56.65%、55.56%和56.32%)略高于基因组平均水平。系统发育分析显示，该菌株的I类PHA合酶(638个氨基酸)与Vreelandella属的相似性(89%)高于Halovibrio variabilis(91%)，且基因排列模式与Vreelandella spp.高度保守，而与盐单胞菌科其他物种显著不同，这强有力地支持了pha基因簇通过HGT从Vreelandella属获得的假设。

讨论与意义

本研究首次报道了Halovibrio属菌株的PHA生产能力，拓展了嗜盐微生物合成生物塑料的菌种资源。菌株HP20-59对半乳糖的高效利用特性，使其特别适合以海藻水解物(富含半乳糖)或乳清(需预先水解乳糖)等廉价原料进行PHA生产。此外，该菌株对葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的利用能力，也表明其可用于木质纤维素水解液等可再生资源的生物转化。

水平基因转移事件的发现不仅解释了Halovibrio属PHA合成能力的进化起源，也为理解微生物适应极端环境的代谢网络重塑提供了新视角。与嗜盐古菌的PHA合酶不同，HP20-59的I类PHA合酶与γ-变形菌纲的同类酶亲缘关系更近，这反映了不同微生物类群间代谢基因的流动性。

尽管该研究证实碳源类型是影响PHA产量的关键因素(而非PHA相关基因的拷贝数)，但未来研究可通过优化发酵策略(如补料分批培养)和探索废水、农业废弃物等低成本原料，进一步提高PHA产率。此外，通过代谢工程手段引入乳糖水解能力，可进一步拓展该菌株的应用范围。

本研究由帕沃尔·约瑟夫·沙法里克大学(斯洛伐克)微生物学系Shivani Adhvaryu等人完成，论文发表于《Applied Microbiology and Biotechnology》，为开发可持续的生物塑料生产工艺提供了理论基础和微生物资源，对推动循环生物经济发展具有重要意义。