121 / 2023-10-23 17:31:43

高效耐铬Bacillus mobilis CR3对Cr(VI)的去除机制

Cr(VI)，Bacillus mobilis CR3，微生物修复，非靶向代谢组学

Cr(VI)是环境中重要的有害污染物具有致癌性与毒性，对生态环境与人类健康有很大的风险。Cr(VI)的微生物修复技术是一种经济高效且环保的方法，具有更为广阔的发展前景。

我们从Cr(VI)污染土壤中成功地分离出一株新型的Bacillus mobilis CR3菌株。菌株CR3可以在200 mg/L Cr(VI)条件下表现出86.70%的去除能力，不同浓度的Cr(VI)影响CR3细胞的活性与对Cr(VI)的去除速率，反应结束后约有3.46%的总Cr被固定。SEM-EDS与TEM-EDS分析表明，通过Cr(VI)处理后在细胞表面与细胞内均有Cr的累积。XPS分析表明在细胞表面同时存在Cr(III)和Cr(VI)，FTIR结果表明细胞表面Cr的存在主要与O-H、磷酸基团和-COOH等官能团有关。代谢组学揭示了Phenol和L-Carnosine等5种代谢产物上调明显，这些代谢物与Cr(VI)的还原、重金属的螯合以及解毒机制密切相关，此外还涉及多种与细胞稳态密切相关的代谢物差异表达。Cr(VI)的存在抑制了菌株CR3的分裂速度并影响能量代谢通路、核苷酸代谢通路和氨基酸的合成与分解过程。

我们提出了菌株CR3在Cr(VI)胁迫下的自我保护及对Cr(VI)的还原机制。菌株CR3对Cr(VI)的去除主要为生物还原，并且可以分为胞内与胞外两种途径。Cr(VI)在胞内被还原为Cr(III)，一部分Cr(III)通过相应的通路流出细胞；另一部分与胞内的蛋白质或核酸结合。Cr(VI)的胞外还原与胞外还原酶和还原物质有关，还原产物为有机态的Cr(III)。Cr(VI)的去除也存在生物吸附，在细胞表面Cr(VI)与Cr(III)同时存在，Cr的吸附与多种官能团有关。菌株CR3通过调节自身的代谢过程来响应Cr(VI)的胁迫，具体表现为（1）核苷酸的合成受到抑制，阻碍细胞分裂；（2）能量代谢虽受抑制但PEP生成Pyruvate的过程具有很强的放能性，可以为生化反应提供足够多的能量；（3）多种氨基酸和有机酸产物表达上调，可以促进电子传递、维持细胞稳态、与Cr螯合并降低其毒性。

因此，通过对菌株CR3分子机制的研究可以为Cr(VI)污染场地的修复提供理论指导。

Cr(VI)是环境中重要的有害污染物具有致癌性与毒性，对生态环境与人类健康有很大的风险。Cr(VI)的微生物修复技术是一种经济高效且环保的方法，具有更为广阔的发展前景。

我们从Cr(VI)污染土壤中成功地分离出一株新型的Bacillus mobilis CR3菌株。菌株CR3可以在200 mg/L Cr(VI)条件下表现出86.70%的去除能力，不同浓度的Cr(VI)影响CR3细胞的活性与对Cr(VI)的去除速率，反应结束后约有3.46%的总Cr被固定。SEM-EDS与TEM-EDS分析表明，通过Cr(VI)处理后在细胞表面与细胞内均有Cr的累积。XPS分析表明在细胞表面同时存在Cr(III)和Cr(VI)，FTIR结果表明细胞表面Cr的存在主要与O-H、磷酸基团和-COOH等官能团有关。代谢组学揭示了Phenol和L-Carnosine等5种代谢产物上调明显，这些代谢物与Cr(VI)的还原、重金属的螯合以及解毒机制密切相关，此外还涉及多种与细胞稳态密切相关的代谢物差异表达。Cr(VI)的存在抑制了菌株CR3的分裂速度并影响能量代谢通路、核苷酸代谢通路和氨基酸的合成与分解过程。

我们提出了菌株CR3在Cr(VI)胁迫下的自我保护及对Cr(VI)的还原机制。菌株CR3对Cr(VI)的去除主要为生物还原，并且可以分为胞内与胞外两种途径。Cr(VI)在胞内被还原为Cr(III)，一部分Cr(III)通过相应的通路流出细胞；另一部分与胞内的蛋白质或核酸结合。Cr(VI)的胞外还原与胞外还原酶和还原物质有关，还原产物为有机态的Cr(III)。Cr(VI)的去除也存在生物吸附，在细胞表面Cr(VI)与Cr(III)同时存在，Cr的吸附与多种官能团有关。菌株CR3通过调节自身的代谢过程来响应Cr(VI)的胁迫，具体表现为（1）核苷酸的合成受到抑制，阻碍细胞分裂；（2）能量代谢虽受抑制但PEP生成Pyruvate的过程具有很强的放能性，可以为生化反应提供足够多的能量；（3）多种氨基酸和有机酸产物表达上调，可以促进电子传递、维持细胞稳态、与Cr螯合并降低其毒性。

因此，通过对菌株CR3分子机制的研究可以为Cr(VI)污染场地的修复提供理论指导。