南极Cierva Point海洋沉积物中高氯酸盐还原菌（PRB）的资源发掘：Psychrobacter、Planococcus、Carnobacterium及Paeniglutamicibacter属的分离鉴定及其对可持续发展目标3（SDG 3）的贡献

《Biodegradation》：Bioprospecting perchlorate-reducing bacteria: report of the genera Psychrobacter, Planococcus, Carnobacterium, and Paeniglutamicibacter isolated in Cierva Point, Antarctica, and its contribution to SDG 3

　　

高氯酸盐（ClO4?）是一种全球性污染物，已在多种环境介质中被检出。ClO4?因其强效的内分泌干扰作用（损害甲状腺对碘的摄取）、高毒性及持久性，被视为新兴污染物。因此，开发其在生态系统中的消减技术势在必行，而生物修复（bioremediation）是一种有前景的ClO4?削减技术。本研究对分离自南极特别保护区（ASPA No. 134）Cierva Point海洋沉积物的细菌菌株进行了表征。研究方法包括四个阶段：i）细菌菌株的分离；ii）通过形态学、生物化学及分子学特征对分离菌株进行表征；iii）针对NaCl和ClO4?的敏感性试验；iv）使用选择性电极进行ClO4?去除试验。各菌株在10 °C下培养7天可生长，并能耐受高达30% w/v的NaCl浓度。所有分离菌株均能在10,000 mg/L的ClO4?浓度下生长，其中5株还可在15,000 mg/L浓度下生长。系统发育分析鉴定出Psychrobacter、Planococcus、Carnobacterium及Paeniglutamicibacter属的成员，它们能够以40%至52%的比例去除该污染物。与联合国可持续发展目标3（促进健康与福祉）相一致，本项目同时支持生态系统保护与公众健康防护。总之，分离自南极Cierva Point海洋沉积物的细菌菌株代表了ClO4?污染生物修复的宝贵资源，显示出在受影响生态系统中削减和缓解该污染物的巨大潜力。

一、研究背景与问题提出

高氯酸盐（ClO₄^?）是一种在全球多种环境介质中被广泛检出的新兴持久性污染物。其来源兼具自然成因与人为活动贡献，因溶解性强、对矿物和有机质吸附弱，在地表水和地下水系统中表现出高度迁移性，可通过食物链和饮用水途径进入人体。ClO₄^?被归类为强效内分泌干扰物，能够干扰哺乳动物甲状腺对碘的摄取，影响正常发育，增加心血管疾病风险，并对生殖、神经和免疫系统产生负面影响，孕期暴露还具有致畸风险。因此，开发有效的生态消减技术具有紧迫性，生物修复（bioremediation）因其高效、选择性好且经济可行而被视为有前景的治理路径。

南极极端环境条件促使本地细菌演化出独特的适应性生理、代谢和生化机制，使其能够耐受并还原ClO₄^?，因此南极成为分离高氯酸盐还原菌（perchlorate-reducing bacteria, PRB）的理想生态系统。Cierva Point位于南极半岛西北部丹科海岸，被划定为南极特别保护区（ASPA No. 134），已有研究报道该区域存在天然ClO₄^?，增加了发现PRB的可能性。本研究旨在从该区域海洋沉积物中分离并表征细菌菌株，评估其对NaCl和ClO₄^?的耐受性及去除能力，从而建立首个南极高氯酸盐去除菌株库，为生物修复技术开发奠定基础，并服务于可持续发展目标3（SDG 3）的实现。

二、研究内容与主要结论

研究人员通过四个连续阶段开展研究：菌株分离纯化、形态学/生物化学/分子学表征、NaCl与ClO₄^?敏感性试验、ClO₄^?去除能力评估。研究共获得11株细菌，分子鉴定显示Psychrobacter属占主导（约54%），27%属于Carnobacterium sp.（与C. iners密切相关），其余菌株均分属于Planococcus和Paeniglutamicibacter属。所有菌株均能在10 °C培养条件下生长，多数菌株耐受15% w/v NaCl，其中5株（UTB-140、UTB-143、UTB-285、UTB-270、UTB-271）可耐受30% w/v NaCl。所有分离菌株均能在10,000 mg/L KClO₄^?浓度下生长，上述5株还能在15,000 mg/L浓度下生长。在10,000 mg/L KClO₄^?条件下培养7天后，各菌株的ClO₄^?去除率介于40.0±1.3%至52.0±1.6%之间，其中Psychrobacter arcticus（UTB-256）去除率最高达52%，Psychrobacter maritimus（UTB-271）为51%，Planococcus halocryophilus（UTB-143）为49%。该研究首次建立了南极高氯酸盐去除菌株库，为受污染生态系统的生物修复提供了宝贵资源。

三、主要关键技术方法

本研究采用的关键技术方法包括：16S rRNA基因近全长测序及系统发育分析（使用27F/1492R引物扩增约1,500 bp片段，结合内部引物进行双向Sanger测序，通过BLASTn比对NCBI RefSeq RNA数据库进行物种鉴定）；NaCl和KClO₄^?梯度浓度敏感性试验（以浊度作为生长判定指标）；ClO₄^?去除试验采用离子选择性电极（Orion-93, Thermo Scientific）定量培养液中剩余ClO₄^?浓度，并设置未接种的 abiotic control（非生物对照）以区分生物介导去除与非生物损失。样本来源于2020年2月第六次哥伦比亚南极科学考察期间在Cierva Point ASPA No. 134采集的海洋沉积物。

四、研究结果分述

形态学与生化表征结果：分离菌株的主要形态特征为球杆菌；多数菌株为革兰氏阴性（?），归属于Psychrobacter属；革兰氏阳性（+）菌株归属于Planococcus、Carnobacterium和Paeniglutamicibacter属。生化表征显示所有菌株均含过氧化氢酶，部分菌株含细胞色素氧化酶C。

分子表征结果：通过16S rRNA基因序列分析和系统发育重建，11株分离菌被鉴定为Psychrobacter、Carnobacterium、Planococcus和Paeniglutamicibacter四个属。Psychrobacter属在采样区域占主导（约54%），Carnobacterium sp.占27%，Planococcus和Paeniglutamicibacter各占约9.5%。

NaCl和KClO₄^?敏感性试验结果：多数菌株可在15% w/v NaCl浓度下生长，UTB-140、UTB-143、UTB-285、UTB-270和UTB-271可耐受30% w/v NaCl。所有菌株在700、5,000和10,000 mg/L KClO₄^?浓度下均能生长，仅上述5株可在15,000 mg/L浓度下生长，远高于Cierva Point海洋沉积物中记录的平均ClO₄^?浓度（131.667±7.635 mg/kg）。

ClO₄^?去除试验结果：在10,000 mg/L KClO₄^?条件下培养7天后，各菌株去除率介于40.0±1.3%至52.0±1.6%之间。单因素方差分析（one-way ANOVA, F(10,22)=24.28, p<0.001, η²=0.92）显示菌株间去除率差异显著，Kruskal–Wallis检验（H=28.11, p=0.002）证实了结果的稳健性。Tukey HSD检验确定UTB-256（52.0±1.6%）、UTB-271（51.0±1.8%）和UTB-143（49.0±1.4%）为最高效菌株，显著高于UTB-140、UTB-253、UTB-270和UTB-285（40.0±1.3%至40.0±2.2%）。未接种的非生物对照未观察到ClO₄^?浓度下降。

五、讨论与结论总结

讨论部分指出，Psychrobacter属的优势地位与先前南极研究报道一致，该嗜冷菌属常见于潮湿、盐渍和寒冷生境。Carnobacterium属已在南极湖泊沉积物、北极永久冻土和南极沿海砂质土壤中被鉴定。Planococcus属为革兰氏阳性耐盐菌，常见于南极各类生境。Paeniglutamicibacter antarcticus的分离成功扩展了该属在南极的分布记录。与先前报道的南极PRB去除率（21.5%-22%、21.6%-40%、18%-41%）相比，本研究菌株表现出更高的平均去除率，但因分析程序尚未在等效实验基质中跨研究验证，该比较应视为初步结果。

研究结论为：分离自南极Cierva Point海洋沉积物的细菌菌株（涵盖Psychrobacter、Planococcus、Carnobacterium和Paeniglutamicibacter四个属）代表了ClO₄^?污染生物修复的宝贵资源，其中Psychrobacter arcticus（UTB-256）在10,000 mg/L浓度下实现52%的去除率，展现出显著的应用潜力。该研究建立了首个南极高氯酸盐去除菌株库，为开发创新性新兴污染物解决方案提供了基础，同时通过促进生态系统健康与公共福祉，为可持续发展目标3（SDG 3）的实现作出了贡献。