Burkholderia contaminans DM32对吲哚的生物降解：过程特征及IifR介导的分子机制

《International Biodeterioration & Biodegradation》：Indole biodegradation by Burkholderia contaminans DM32: Process characteristics and the IifR-mediated molecular mechanism

　　

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  从不同环境中分离出的污染伯克霍尔德菌（Burkholderia contaminans）DM32能够降解吲哚。
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  DM32在24小时内完全降解畜禽粪便废水中的吲哚。
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  IifR调控因子通过结合iif启动子中的CGGATA基序激活吲哚降解。
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  IifC/iifD基因对DM32中的吲哚降解和靛蓝生物合成至关重要。
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  DM32展现出生物修复的双重潜力。

引言

吲哚（C₈H₇N）是一种含氮杂环芳香污染物，广泛来源于藻华、畜禽粪便以及制药和石化废水排放物（Zhang et al., 2023; Ma et al., 2018）。它在水体环境中持久存在，产生粪便臭味（Guo et al., 2023），并带来严重的健康风险，包括溶血毒性、内分泌干扰以及与亚硝酸盐协同致癌作用（Sun et al., 2019; Nowak and Libudzisz, 2006）。因此，开发稳健的生物修复策略以消除吲哚污染已成为一项紧迫的环境需求（Arora et al., 2015）。微生物生物降解因其环境兼容性、成本效益、高效性等优点，代表了一种有前景的方法（Dai et al., 2022）。过去几十年中，已报道多种细菌属能在厌氧条件（如梭菌纲（Clostridia）（Hong et al., 2010））和有氧条件（如假单胞菌属（Pseudomonas）（Zhang et al., 2024）和不动杆菌属（Acinetobacter）（Lin et al., 2015; Zhang et al., 2019））下降解吲哚。尽管如此，尽管已报道了多种吲哚降解菌，我们对它们的分子调控机制的认识仍存在关键空白，因此有必要从机制层面解析吲哚分解代谢途径，以阐明吲哚的生物转化过程。

在表征吲哚降解的遗传学和酶学基础方面已取得相当可观的进展（Ma et al., 2018）。在厌氧条件下，屎肠球菌（Enterococcus hirae）GDIAS-5利用由ido操纵子编码的两组分YcnE/YdgI系统，将吲哚氧化为异吲哚酮（Deng et al., 2022, 2023）。相比之下，有氧吲哚降解途径表现出更高的多样性。例如，Burkholderia unamae CK43B通过吲哚单加氧酶（CYPs）将吲哚降解为3-羟基吲哚和异吲哚酮（Kim et al., 2013），而铜矿菌属（Cupriavidus）sp. SHE则依赖ind基因簇编码的2-氨基苯甲酰-CoA分解代谢途径（Qu et al., 2017）。在Acinetobacter sp. O153中，吲哚诱导的黄素蛋白IifCD催化吲哚转化为吲哚酚，随后进一步氧化形成靛蓝（Sadauskas et al., 2017）。此外，粪产碱杆菌（Alcaligenes faecalis）IITR89通过吲哚-3-乙酸单加氧酶（IacA）的催化活性产生靛蓝（Regar et al., 2023）。然而，对于多个已有充分报道的吲哚降解分离株，包括Acinetobacter pittii L16、小杆菌属（Arthrobacter）sp. B1和Alcaligenes sp. B5，其关键分解代谢酶及相关调控环路仍未得到充分解析（Yang et al., 2017; Kim et al., 2016）。

AraC/XylS家族转录调控因子是芳香族烃分解代谢中公认的核心协调者。例如，金黄分枝杆菌（Mycobacterium gilvum）PYR-GCK中的araC基因，以及恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）中的XylS/BenR，已知能够协调芳香族化合物降解的分解代谢基因转录（Sz?k?l et al., 2014; Kotoky et al., 2022）。在鲍曼不动杆菌（A. baumannii）中，AraC样转录调控因子IifR控制吲哚诱导黄素蛋白（iif）基因集的表达（Lin et al., 2015）。同样，AraC/XylS家族调控因子She5655编码于Cupriavidus sp. SHE的ind分解代谢簇内（Qu et al., 2017）。尽管有这些有价值的见解，AraC/XylS家族成员（以IifR为例）触发吲哚降解途径激活的精确分子机制仍未得到充分阐明。

伯克霍尔德菌属（Burkholderia）是一类广泛分布于土壤和水体环境中的革兰氏阴性菌，表现出显著的吲哚生物降解能力（Vial et al., 2011）。例如，B. unamae CK43B将吲哚分解代谢为邻氨基苯甲酸和儿茶酚中间体（Kim et al., 2013）。Burkholderia sp. IDO3通过iif基因簇产生异吲哚酮酸（Ma et al., 2019a）。Burkholderia cepacia G4通过甲苯邻位单加氧酶（TOM）将吲哚转化为异靛蓝（Rui et al., 2005）。尽管已在Burkholderia属中记录了某些吲哚降解途径，但底层的调控机制，尤其是控制吲哚降解酶表达的转录调节因子，仍未得到表征。

在本研究中，我们从受污染的生产水中分离出B. contaminans，并评估了其吲哚降解性能。系统评估了温度、初始pH、碳氮源和接种量等关键环境因子，以探索其生物修复能力。此外，通过遗传和功能分析，鉴定并表征了iifCD氧化酶/还原酶基因簇及其对应的AraC/XylS家族转录调控因子iifR。本研究不仅确立了B. contaminans作为一种强效的新型吲哚降解菌，还提供了其酶学和调控框架的机制见解，有助于开发高效的生物催化剂用于吲哚污染控制。

章节摘要

培养基和化学品

细菌菌株（表S1）培养在M9最小培养基（由1.0 g/L NH₄Cl、6.8 g/L Na₂HPO₄、3.0 g/L KH₂PO₄、0.5 g/L NaCl、0.24 g/L MgSO₄和11.1 mg/L CaCl₂组成）或LB培养基（10.0 g/L胰蛋白胨、5.0 g/L酵母浸粉和10.0 g/L NaCl）中。对于吲哚生物降解，吲哚（Sigma-Aldrich；美国密苏里州圣路易斯）作为M9培养基中的唯一碳源。固体培养基通过向各液体配方中添加15.0 g/L琼脂制备。所有培养基均进行高压灭菌（121 °C，20 min）。

菌株DM32的分离、分类鉴定及对吲哚的毒性反应

在以吲哚为唯一碳源进行初步筛选并通过HPLC分析进行二次验证后，获得了一株编号为DM32的细菌菌株，该菌株在30 °C培养24小时内完全降解1 mM吲哚（图1a）。值得注意的是，吲哚生物降解过程中观察到明显的蓝色色素产生（图S1）。随后的HPLC（图S1a）和紫外-可见光谱分析（图S1b）确认蓝色产物为靛蓝，具有相同的保留时间和特征

讨论

在Burkholderia属中，吲哚降解表型呈零星分布，由不同的分解代谢模块支持，反映了吲哚生物转化途径的进化分歧。例如，B. cepacia G4利用甲苯邻位单加氧酶（TOM）系统进行吲哚氧化，主要产生异靛蓝，而不具备典型的iif基因簇（Rui et al., 2005）。B. unamae CK43B将吲哚转化为3-羟基吲哚酚，其降解能力是

结论

本研究表明，B. contaminans DM32能够在pH 4–9和温度20–40 °C的宽范围内高效降解1.0–3.0 mM吲哚并合成靛蓝，在30 °C和pH 5.0–7.0条件下达到最佳生物降解性能。重要的是，DM32菌株在真实畜禽粪便废水中24小时内实现了吲哚完全去除，验证了其在复杂环境基质中的稳健修复能力。DM32的吲哚分解代谢和靛蓝生物合成是

CRediT作者贡献声明

Ying-Si Wang：撰写—审阅与编辑，撰写—原始草稿，方法论，调查，数据整理，概念化。Jie Wang：撰写—审阅与编辑，撰写—原始草稿，方法论，调查，数据整理，概念化。Hong-Bing Tao：资源，方法论，调查，正式分析，数据整理。Hui-Zhong Liu：资源，方法论，调查，正式分析，数据整理。Bei-Bei Wang：资源，方法论，调查，正式分析，

资助

本工作由广东省自然科学基金（编号2023A1515012057）、广东省基础与应用基础研究基金（编号2023A1515030059）、广东省种业振兴项目（编号2026-WBH-00-001）、国家自然科学基金（编号52301083）、广东省中国科学院科技发展战略项目（编号2022GDASZH-2022010101）以及广东省重点领域研发计划（编号2022B1111040002）资助。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本研究报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

Ying-Si Wang|Jie Wang|Hong-Bing Tao|Hui-Zhong Liu|Bei-Bei Wang|Zhen-Lin Liao|Hong Qi|Qing-Shan Shi|Gang Zhou|Xiao-Bao Xie