《Journal of Hazardous Materials》：Environment-dependent roles of green TiO? nanoparticles in biosurfactant-assisted pyrene biodegradation by
Bacillus thuringiensis
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摘要芘是一种持久性多环芳烃 (PAH)，由于其疏水性和对土壤有机质的强吸附，其在受污染环境中的生物有效性有限。本研究调查了绿色合成的 TiO? 纳米颗粒 (TiO?NPs) 和生物表面活性剂在增强苏云金芽孢杆菌 SSL1 在液体和土壤系统中芘降解方面的作用。添加生物表面活性剂
摘要
芘是一种持久性多环芳烃 (PAH)，由于其疏水性和对土壤有机质的强吸附，其在受污染环境中的生物有效性有限。本研究调查了绿色合成的 TiO? 纳米颗粒 (TiO?NPs) 和生物表面活性剂在增强苏云金芽孢杆菌 SSL1 在液体和土壤系统中芘降解方面的作用。添加生物表面活性剂的液体培养物表现出最高的芘降解率 (77.1 ± 4.2%)，而添加纳米颗粒的处理组显示出增强的细胞内酶活性，包括邻苯二酚 1,2-双加氧酶 (2006.4 ml?1)、邻苯二酚 2,3-双加氧酶 (1925.6 ml?1) 和 GST (205 nmol/ml)。在土壤微宇宙实验中，纳米颗粒 - 生物表面活性剂联合系统实现了最高的芘降解率 (89.6 ± 5.5%)，并刺激了catA (71.5 ± 9.2) 和pcaG (72.5 ± 5.1) 的高表达，同时伴随着脱氢酶活性的增加和芳环矿化。相关性分析进一步证明了芘降解、分解代谢基因表达和微生物代谢活性之间存在强烈的关联。代谢物谱分析证实了顺序双加氧、羟基化以及下游由邻苯二酚/原儿茶酸介导的环裂解途径。总之，这些发现表明生物表面活性剂和 TiO?NPs 对芘生物降解的影响具有强烈的基质依赖性，生物表面活性剂介导的 mobilization 对污染物的可及性贡献显著，而 TiO?NPs 影响芘的分配和微生物 - 污染物相互作用。本研究为应用绿色纳米材料设计针对非均质环境系统的有效修复策略提供了见解。
引言
多环芳烃 (PAHs) 是持久性环境污染物，由于其致癌性、致突变性和生物累积性而成为主要的毒理学关注对象 [1]。芘是一种高分子量 PAH，被归类为持久性有机污染物 (POPs)，表现出强疏水性和对土壤有机质的吸附，严重限制了微生物的可及性和环境矿化 [2]，[3]，[4]。虽然包括假单胞菌属、分枝杆菌属、黄杆菌属和新鞘氨醇单胞菌属在内的几个细菌属拥有介导芘降解的双加氧酶途径，但自然系统中的生物降解效率往往受到污染物生物有效性差和分解代谢途径激活不足的限制 [5]，[6]，[7]。
二氧化钛 (TiO?) 纳米颗粒因其高比表面积、吸附容量以及在污染基质内影响污染物传输和界面过程的能力，在环境修复中引起了广泛关注 [8]。除了光催化特性外，TiO? 纳米颗粒还可能影响污染环境中 PAH 的分配行为、污染物的可及性和微生物响应 [9]。与常规合成的纳米颗粒相比，绿色合成的 TiO? 纳米颗粒拥有天然来源的表面官能团，可改善胶体稳定性和环境相容性，同时尽量减少合成过程中有害化学试剂的使用 [11]。尽管植物来源的 TiO? 纳米材料在环境修复中的应用不断增加 [10]，[12]，但在水相和土壤条件下其对微生物 - 污染物相互作用的影响仍未得到充分理解。
因此，本研究调查了源自地衣Usnea longissima的绿色合成 TiO? 纳米颗粒对产生物表面活性剂的苏云金芽孢杆菌 SSL1 在水相和土壤条件下芘生物降解的影响。我们假设植物来源的 TiO? 纳米颗粒可以通过其对污染物可及性和微生物活性的影响来影响芘的生物降解。为了评估这一点，考察了芘降解以及细菌生长、分解代谢酶活性、土壤生化响应、基因表达和代谢物谱。通过整合液相和土相研究，本研究旨在确定植物来源的 TiO? 纳米颗粒如何在均质和非均质环境系统中影响 PAH 的生物降解。
章节片段
微生物
本研究中使用的六个细菌分离株 (表 1) 为肺炎克雷伯菌 AWD5 [13]、脆弱假单胞菌 DBC [14]、不动杆菌 sp. PDB4 [15]、铜绿假单胞菌 BB-BE3 [16]、苏云金芽孢杆菌 SSL1 和芽孢杆菌 sp. SSL3 [17]。筛选遵循 Bhuyan 等人 [18] 的方法。简要地说，细菌在补充芘作为唯一碳源、类表面活性素生物表面活性剂 (30 g L?1) 和 TiO? 纳米颗粒的 Bushnell-Haas 肉汤中培养
细菌筛选
在 7 天的孵育期间，所有六个烃降解细菌分离株在添加芘的纳米 - 生物系统中均表现出显著生长。然而，分离株之间的生长动力学存在显著差异。B. thuringiensis SSL1 在整个孵育期间显示出最高生长，OD??? 从第 0 天的 0.082 ± 0.01 增加到第 7 天的 0.834 ± 0.07。在其余分离株中，P. fragi DBC 和芽孢杆菌 sp. SSL3 也表现出显著生长，达到
讨论
芘化合物被认为是最重要的 PAHs，因为其毒性和致癌特性已有充分记录 [27]。生物修复提供了一种有前景的、环境友好且高效的方法来消除自然环境中的芘 [28]。近年来，许多研究证明了各种本土细菌物种在芘生物修复中的效率，并显著关注代谢过程 [29]，[30]，[31]。有几种
结论
本研究表明，TiO? 纳米颗粒对芘生物降解的贡献强烈依赖于环境基质，不能在水相和土壤系统之间一概而论。虽然生物表面活性剂介导的增溶是液体培养中芘降解的主要驱动力，但土壤系统表现出独特的协同响应，其中生物表面活性剂增强了芘的 mobilization，而 TiO? 纳米颗粒可能通过影响芘 - 微生物相互作用
意义声明
本研究通过表明绿色合成的 TiO? 纳米颗粒对芘生物降解的影响受环境条件支配，推进了对纳米 - 生物修复的当前理解。通过对降解效率、分解代谢酶活性、功能基因表达、代谢物谱以及纳米颗粒 - 生物表面活性剂相互作用的综合评估，该工作展示了 TiO? 纳米颗粒如何影响污染物可及性和微生物降解过程
CRediT 作者贡献声明
Jayashree Rout: 资源。 Puja Saikia: 写作 – 初稿，调查。 Ankita Das: 调查。 Silpi Sorongpong: 调查。 Sandeep Das: 写作 – 初稿，方法论，调查，形式分析，数据整理。 Piyush Pandey: 写作 – 审查与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。 Chira R. Bhattacharjee: 写作 – 审查与编辑，监督。
资助
这项工作得到了 印度政府科学技术部生物技术部 (资助编号：BT/PR30261/BCE/08/1495/2018)、G. B. Pant 喜马拉雅环境国家研究所，环境与森林部，印度政府 和 大学拨款委员会的支持。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本论文中报告的工作
致谢
Piyush Pandey 感谢阿萨姆大学管理层对这项工作的支持。Piyush Pandey 还感谢印度政府生物技术部的资金支持。
Sandeep Das|Silpi Sorongpong|Ankita Das|Puja Saikia|Jayashree Rout|Chira R. Bhattacharjee|Piyush Pandey
印度阿萨姆邦西查尔阿萨姆大学微生物学系土壤与环境微生物学实验室
