复苏促进因子增强两种可降解PFOA的细菌菌株的PFOA生物降解并调节其细胞应激反应

《Journal of Hazardous Materials》：Resuscitation-promoting factor enhances PFOA biodegradation and modulates cellular stress responses in two PFOA-degrading bacterial strains

　　**摘要要点：**• 碱性菌属MT1菌株和假单胞菌属MT3菌株具有PFOA降解能力• 不同剂量的Rpf显著增强PFOA降解性能• 1.5%（v/v）Rpf剂量实现PFOA降解的最大增强效果• Rpf通过提升抗氧化酶和ATP酶活性来增强细胞功能• Rpf上调脱羧和脱卤途径中的关键基因**引言**全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类合成有机氟化合物，其特征是具有疏水性烷基链和亲水性官能团[17]，[35]。这种独特结构赋予其卓越的热稳定性和化学稳定性，以及对水、油和环境降解的抗性[23]。在PFAS中，全氟辛烷酸（PFOA）是一种普遍存在的环境污染物，广泛存在于土壤和水体系统中，特别是在工业场所、军事基地和机场附近[15]，[32]。PFOA暴露与一系列有害健康效应相关，包括肝毒性、发育毒性、免疫功能失调和癌症风险增加[20]，[21]，凸显了开发有效修复策略的紧迫性。传统的PFOA去除物理化学方法通常受限于高成本和二次污染，使得生物修复成为一种具有吸引力的环境可持续替代方案[24]，[9]。然而，由于C-F键的高键解离能，PFOA长期以来被认为难以生物降解，这限制了酶的切割和微生物转化[23]，[47]。尽管如此，越来越多的证据表明PFOA在某些条件下可以发生微生物转化。例如，Yi等人[42]报告称，从全氟化学品生产设施附近土壤中分离的副黄假单胞菌YAB1具有PFOA降解能力。Chetverikov等人[3]随后鉴定出多个能够转化C?-C??全氟羧酸的假单胞菌菌株，并伴随短链全氟羧酸盐的形成。此外，Huang和Jaffé[9]报道了酸性微球菌属A6在铁改良厌氧系统中PFOA的脱氟作用，证据包括氟离子释放和全氟庚酸的检测。除纯培养物外，Tang等人[30]富集了来源于土壤的微生物群落，该群落能够去除PFOA，并检测到全氟庚酸和全氟己酸作为转化产物。尽管PFOA微生物转化的证据不断积累，但能够降解PFOA的微生物的多样性和可获得性仍然有限。在实际生物修复系统中，功能微生物经常暴露于环境胁迫中，包括极端温度、营养限制和污染物毒性[23]，[31]，[47]。这些胁迫因素可诱导活的但不可培养的（VBNC）状态，其特征是代谢活性显著降低和生物降解能力下降，从而限制了生物修复效率[43]。虽然VBNC的诱导和验证主要在纯培养物中进行研究，但VBNC状态被广泛认为是环境胁迫的适应性反应和不利条件下的常见生存策略。迄今为止，已报道超过100种微生物可进入VBNC状态[28]，[43]。值得注意的是，能够降解难降解有机污染物的细菌，包括联苯、多氯联苯、多环芳烃和苯酚，已显示在胁迫下可转变为VBNC状态[22]，[26]，[38]，[7]。这些发现表明，有效复苏VBNC细胞并恢复其代谢活性对于增强生物修复过程的稳定性和效率至关重要。复苏促进因子（Rpf）最初在黄色微球菌中被鉴定，是一种强效信号蛋白，能够复苏VBNC细胞并刺激细菌生长，从而在无需持续补充的情况下恢复细胞生理活性和可培养性[31]，[43]。黄色微球菌的Rpf已被证明能够促进多种细菌的恢复和增殖，包括碱性菌属、假单胞菌属、红球菌属、嗜养单胞菌属、芽孢杆菌属和脱卤球菌属的成员，涵盖变形菌门、放线菌门、厚壁菌门和绿弯菌门等多个门，其中许多以降解污染物的能力而闻名[27]，[28]，[8]。此外，Rpf已成功应用于增强多种难降解有机污染物的生物降解，包括多氯联苯、苯酚、润滑油、纤维素和蒽醌染料[1]，[27]，[43]，[48]。最近，Rpf介导的PFOA生物降解在群落水平的增强作用已得到证实，并通过宏转录组学表征了Rpf补充后微生物群落组成和转录活性的变化[40]。尽管取得了这些进展，但Rpf介导的PFOA生物降解增强是否也适用于单个功能降解菌，以及不同分类的PFOA降解菌株如何以剂量依赖方式在生理和转录水平上响应Rpf补充，仍知之甚少。因此，本研究旨在探讨PFOA降解细菌对Rpf补充的菌株水平响应，并阐明相关的酶促和转录响应。选取了两株PFOA降解菌株——碱性菌属MT1菌株和假单胞菌属MT3菌株——并通过全基因组测序进行了表征。评估了不同Rpf剂量对PFOA降解的影响，并对两株菌的响应进行了比较分析。通过检测与氧化应激响应和能量代谢相关的关键酶活性，以及参与PFOA降解的功能基因和代谢途径的表达，进一步研究了Rpf介导增强的潜在机制。通过在菌株水平解析Rpf响应，本研究为之前的群落水平研究提供了补充证据，并鉴定了对Rpf补充有响应的不同分类的PFOA降解细菌，从而为PFOA污染环境的生物修复提供了新的微生物资源和策略。**章节摘要****化学物质和重组Rpf制备**纯度>99%的PFOA购自Sigma-Aldrich（美国），纯度>96%的PFOA购自阿拉丁工业公司（中国）。高效液相色谱级甲醇和乙腈购自阿拉丁工业公司（中国）。用甲醇配制PFOA储备液（50 g/L），使用前置于4 ℃保存。黄色微球菌的重组Rpf按前述方法制备[25]，[6]，[8]。简要来说，通过PCR扩增黄色微球菌NCIMB 13267的rpf基因，所得产物连接至……**PFOA降解菌株MT1和MT3的全基因组分析**菌株MT1和MT3的基因组特征和组装的高质量基因组见表S5和图S3。系统发育分析表明，菌株MT1属于碱性菌属，而菌株MT3与假单胞菌属成员聚为一支（图S4）。为进一步阐明代谢潜力，将特异性基因系统性地与KEGG数据库进行注释（图1）。MT1中1880个基因和MT3中2468个基因被分配到KEGG通路中……**结论**本研究证明，Rpf补充可通过刺激单个PFOA降解菌株来增强好氧PFOA生物降解。碱性菌属MT1菌株和假单胞菌属MT3菌株显示出氟化合物转化的基因组潜力，Rpf补充显著增强了PFOA降解，在1.5%（v/v）Rpf剂量下效果最强。增强的降解伴随氟离子释放增加，支持了在此条件下脱氟作用增加但不完全……**环境意义**本研究强调了复苏促进因子（Rpf）在增强微生物对持久性全氟和多氟烷基物质（PFAS，如全氟辛烷酸PFOA）生物转化的潜力。Rpf补充显著提高了碱性菌属MT1菌株和假单胞菌属MT3菌株的降解效率和脱氟作用。通过提升抗氧化酶和ATP酶活性，以及上调脱羧和脱卤途径中的关键基因，Rpf增强了……**CRediT作者贡献声明****张凯怡：** 撰写–初稿，调查，数据整理。**孙发建：** 资源，方法学。**肖晓：** 软件，方法学。**苏小梅：** 撰写–审阅与编辑，监督，项目管理，资金支持获取，概念构思。**杨萌婷：** 撰写–初稿，调查，数据整理。**利益冲突声明**作者声明他们不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**作者感谢国家自然科学基金（编号42277025和52470094）和浙江省自然科学基金（编号LY21D010006）的资金支持。**利益冲突**无杨萌婷｜张凯怡｜孙发建｜肖晓｜苏小梅