S(-II) 增强了镉的吸附作用，释放出 2,3-二羟基苯甲酰丝氨酸，并减轻了高铁载体细菌中由 Fe(III) 诱导的活性氧（ROS）的产生

《Journal of Hazardous Materials》：S(-II) enhances Cd adsorption to release 2,3-dihydroxybenzoylserine and alleviate Fe(III)-induced ROS in high-siderophore-yielding bacteria

土壤重金属复合污染微生物修复机制及Fe/S协同作用研究。采用多组学技术解析Stenotrophomonas maltophilia HC89在Fe-Cd共污染下的吸附解毒机制，发现Fe/S协同显著提升Cd吸附效率达16.95%，形成Fe-Cd生物膜复合结构，调控ROS水平及代谢通路（如次级代谢、磷酸转运及酪氨酸代谢），同时改善土壤pH并降低重金属生物有效性。

　　

Fang Ma|Song Liu|Zhengzheng Cao|Yi Jiang|Shuxin Tan|Nihong Yao|Qiaoyun Huang|Wenli Chen

华中农业大学农业微生物国家重点实验室，中国武汉430070

摘要

修复受重金属复合体污染的农业土壤是一个关键且紧迫的挑战，在这一过程中，基于微生物的方法发挥着重要作用。然而，在铁（Fe）和镉（Cd）共污染条件下细菌的响应机制尚未完全阐明。本研究利用Stenotrophomonas maltophilia HC89菌株的多组学分析，探讨了其在复杂环境中的吸附和解毒机制——该菌株能够在36小时内吸附200 mg·L?1的镉。gene_1_253、gene_1_1548、gene_1_1645和gene_1_2035基因编码了耐镉蛋白（其中两种与镉的吸附功能相关）。值得注意的是，gene_1_1645、gene_1_2035和gene_1_4296基因编码了新的假定蛋白。Fe/S系统协同作用提高了镉的吸附效率。Fe和Cd的共同暴露使活性氧（ROS）水平比单独暴露于Cd时升高了16.95%。表征实验表明，Fe处理促进了Fe-Cd生物膜的形成，从而增强了细菌的吸附能力。代谢组学分析显示，Fe处理上调了与群体感应、磷酸盐/氨基酸转运蛋白和酪氨酸代谢相关的代谢物。相比之下，硫处理减少了与Cd螯合的铁载体，并将ROS水平降低了27.65%。微宇宙模拟实验进一步证实，接种HC89改变了土壤微生物群落组成，使灭菌土壤的pH值从6.37升高到7.93，未灭菌土壤的pH值从6.37升高到7.63，并显著降低了重金属的生物可利用性。这些发现揭示了细菌在双重金属条件下的适应策略，并为农业系统中复杂的重金属污染提供了新的生物修复方法。

引言

重工业的迅速扩张导致土壤中镉污染广泛分布，由于镉的高毒性和持久性，这成为一个紧迫的全球环境问题[1]。镉可以在多种经济作物和植物中积累[2]，[3]，从而进入食物链，对人类健康和生态系统安全构成重大威胁[4]，[5]。在这种背景下，细菌生物修复作为一种更具成本效益和环境可持续性的替代方案，逐渐取代了传统的物理和化学修复技术[6]，[7]。细菌可以通过多种机制固定镉并降低其迁移性和生物可利用性，例如产生胞外多糖（EPS）[8]、硫化氢（H?S）[9]，[10]、铁载体[11]，[12]，[13]、有机酸[14]，[15]等，从而减轻污染的生态影响。例如，Serratia marcescens KMR-3通过增加1.5-3倍的生物膜生成来固定镉[16]。Burkholderia cepacia GYP1中的镉（II）外排和EPS分泌在镉解毒中起着关键作用[17]。Phanerochaete chrysosporium通过产生H?S来消除金属[18]。尽管这些研究突显了微生物策略的优势和潜力，但其实际效果往往受到复杂且恶劣的土壤环境的限制，这阻碍了引入的活性菌株的定殖、存活和修复活性。

铁作为一种重要的微量元素，参与氧化还原反应并作为许多金属酶的辅因子[19]。尽管关于镉、铬（Cr）、铜（Cu）、砷（As）、镍（Ni）和铅（Pb）的研究很多，但这些研究大多忽略了工业区周围土壤中铁的存在及其共存现象[20]，[21]。尽管地壳中富含这些金属元素，但在有氧条件下铁的溶解度较低，使得植物难以吸收[22]。因此，铁缺乏已成为一个普遍的农业问题，导致植物生长受阻并限制了其作为食物来源的营养价值[23]。此外，铁常被用于修复镉污染的土壤并减少植物对镉的吸收[24]。通过土壤施肥添加铁来减少镉积累并提高植物中的铁含量，显著增加了镉和铁共存的可能性。因此，研究修复细菌在镉-铁环境中的反应是值得的。

先前的研究表明，半胱氨酸和硫代硫酸盐可以促进细菌对镉的固定[25]。此外，在Shewanella oneidensis中，用S(-II)处理可以上调硫酸盐的同化途径，从而增强细菌对镉的解毒能力[26]。同样，内源性H?S也被报道可以减轻Staphylococcus aureus和Escherichia coli的抗生素氧化应激[27]。然而，目前尚不清楚外源性硫是否通过类似机制促进细菌对镉（II）的固定，以及它如何影响细菌合成镉螯合铁载体。鉴于土壤生态系统的复杂性，研究细菌在复杂环境中的响应和模式至关重要。特别是，外源性硫在铁和镉共存条件下对镉固定效率的影响尚未阐明。

在这项研究中，我们检测了该菌株在单镉体系中的镉吸附能力，并利用转录组分析阐明了其对镉胁迫的分子响应机制。有趣的是，我们发现外源性铁和硫的添加显著增强了细菌的镉吸附能力，并进一步研究了参与这种增强的具体途径。此外，我们还进行了涉及灭菌和未灭菌污染土壤的模拟实验，以验证该菌株的修复潜力。这些发现为细菌在复杂污染环境中的响应提供了新的见解，并加深了我们对镉污染农业系统中功能性菌株修复过程的理解。

部分摘要

细菌和培养基

HC89菌株是从中国山东省莱阳市的农业土壤中筛选出来的。该菌株在含有10 g·L?1色氨酸、10 g·L?1 NaCl和5 g·L?1酵母提取物的溶原性肉汤（LB）中于28°C下培养。本研究中的其他细菌菌株详见表S1。

细菌在重金属暴露下的生长和吸附

测量了耐镉菌株在含有200 mg·L?1镉的培养基中的生长情况和镉去除能力，样品分别在12、24、36、48、60和72小时采集。200 μL的样品被转移到...

菌株HC89表现出显著的多种重金属抗性和生物吸附能力

候选菌株最初在添加了镉（II）的LB平板上进行了筛选，包括Stenotrophomonas sp. HC89以及其他菌株（Stenotrophomonas sp. C2、Stenotrophomonas sp. C4、Pseudomonas fluorescens C8和Pseudomonas paraloni C10）。通过生长和吸附曲线评估了它们对镉的响应（图1A-1B）。其中，HC89菌株在去除镉方面表现出优异的表现。我们进一步研究了HC89修复其他重金属的能力...

讨论

HC89菌株表现出优异的性能，对镉具有很高的抗性（图S1A），并在36小时内有效吸附了200 mg·L?1的镉（图1B）。该菌株的镉抗性和吸附特性显著高于其他菌株。例如，Cupriavidus nantongensis X1T在48小时内可去除70%的镉，抗性为307 mg·L?1；而Paenibacillus sp. LYX-1的抗性为50 mg·L?1镉[59]。五种镉抗性...

环境影响

农业土壤中的镉污染需要紧急修复。然而，复杂的土壤条件和多种重金属的频繁共污染突显了对适应性微生物菌株的需求。我们的研究表明，在HC89菌株中，铁-硫协同作用显著增强了镉的吸附能力。在多重金属压力下形成的生物膜进一步提高了镉的抗性和吸附能力。令人惊讶的是，金属的联合暴露并未导致细菌死亡，反而引发了“反直觉”的...

CRediT作者贡献声明

Wenli Chen：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、项目管理。Qiaoyun Huang：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取。Nihong Yao：研究、数据管理。Shuxin Tan：数据可视化、软件应用。Yi Jiang：方法学研究、数据收集。Zhengzheng Cao：方法学研究、数据分析。Song Liu：数据可视化、软件应用、方法学研究。Fang Ma：初稿撰写、软件应用、数据分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了湖北省农业微生物产业发展重大项目（公开招标项目NYWSWZX2025-2027-08）和农业微生物国家重点实验室（AML2023B09）的资助。扫描电子显微镜（SEM）实验和数据采集是在农业微生物国家重点实验室的核心设施进行的，我们感谢Jing Yuan在样品制备、数据采集和分析方面提供的支持。