2025-04-07
近日，南京工業大學在環境領域的《Ecotoxicology and Environmental Safety》（影響因子6.2）發表新研究成果！本研究從油田分離出一株高效原油降解菌溶血不動桿菌JS-1，該菌株在15天內可降解70-80%的原油，通過細胞表面疏水性直接吸附原油，并攜帶五類烷烴羥化酶基因，其中CYP153在中鏈烷烴降解中起關鍵作用。此外，JS-1菌株還具有雙通路降解對羥基苯甲酸的能力。這些特性使其成為石油污染修復和農業應用的理想候選菌株。
本研究的細菌基因組完成圖測序和分析由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
研究背景
原油作為全球最重要的戰略資源和化工原料，在其開采、運輸及加工過程中常因泄漏和排放導致嚴重的環境污染，威脅生態系統和人類健康。與傳統物理化學修復方法相比，微生物修復因其高效、經濟且環境友好的特點備受關注。其中，不動桿菌屬因其代謝多樣性及對鹽度、pH等極端條件的適應性，成為石油污染修復的核心菌種之一。然而，生物降解的實際應用仍面臨挑戰，闡明高效原油降解菌的作用機制對污染修復至關重要。
研究材料與方法
1.實驗材料：降解原油的溶血性不動桿菌JS-1
2.測序平臺：Illumina Novaseq+ Pacbio Sequel
3.分析內容：細菌基因組完成圖測序、16S進化樹構建、GC-MS檢測和qPCR驗證等。
技術路線
研究結果
JS- 1菌株的分離、鑒定及特性
JS-1菌株是一種短桿狀細菌，有鞭毛，在培養基上呈圓形、淡黃色、光滑的菌落。其16S rRNA序列與溶血性不動桿菌菌株ATCC 17906的16S rRNA基因序列具有99％的同源性，進化樹顯示JS-1與其他不動桿菌菌株親緣關系較近。另外，菌株JS-1具有廣泛的碳源利用能力（尤其偏好十六烷等中長鏈烷烴），在pH 5-9、15-40℃和鹽度≤40 g/L條件下均能良好生長，其卓越的環境適應性使其成為海洋石油污染修復的理想候選菌株。
圖1 JS-1菌株鑒定
JS-1對原油的生物降解作用
實驗顯示JS-1菌株展現出卓越的原油降解能力：在10-20 g/L濃度范圍內15天內降解率達70-80%，顯著優于多數野生型不動桿菌菌株。另外，JS-菌株對15 g/L原油的降解效率（15天達74.1%）甚至超過部分基因工程改良菌株。這些表明JS-1菌株在原油降解方面具有明顯優勢。
圖2（A）菌株JS-1在不同濃度原油下的生長速率和降解速率；(B)以角鯊烷為內標，采用GC-MS分析降解后飽和烴的變化。
GC-MS分析表明，JS-1菌株在15天內能高效降解原油中的飽和烷烴（幾乎完全降解）和部分芳香烴（如萘和蒽衍生物）。該菌株通過細胞表面強疏水性（CSH>95%）直接吸附原油進行降解，而非通過產生表面活性劑，這種降解機制與威尼斯不動桿菌RAG-1（CSH>96%）相似。
基因組分析和RT-qPCR鑒定菌株JS-1中的烷烴羥化酶基因
為了鑒定原油降解的潛在基因，對JS-1菌株的全基因組進行了測序，JS-1菌株基因組序列總長度為 3,371,617 bp，GC含量為 39.70 %；預測得到3,139個編碼基因，平均長度為 938.11 bp，占基因組總長度的 87.34 %。
圖3 基因組圈圖和 烷烴羥化酶基因相對表達量
在JS-1菌株中發現了一個完整的四重烷烴羥化酶協同降解系統，這是不動桿菌屬中首次報道的包含AlkB、AlmA、LadA和CYP153四種羥化酶的完整降解體系。該菌株攜帶5個關鍵烷烴羥化酶基因，包括兩個AlkB型基因（alkB1和alkB2）、一個AlmA型基因、一個LadA型基因以及一個CYP153基因。這些酶具有明確的分工：alkB1負責C12-C28廣譜降解，alkB2特異性參與C16/C18/C28降解，CYP153在中鏈烷烴（C16-C18）降解中起主導作用，而AlmA和LadA則主要參與C25以上長鏈烷烴降解。這一發現不僅突破了AlkB是烷烴降解關鍵酶的傳統認知，首次證實了CYP153在不動桿菌中鏈烷烴降解中的核心地位，同時揭示了LadA在不動桿菌中的功能特征。
PHBA降解相關基因分析
研究發現JS-1菌株除原兒茶酸降解途徑外，還可能通過泛醌（UQ）生物合成途徑代謝PHBA。該途徑由UbiA酶啟動，將PHBA轉化為4-羥基-3-聚異戊二烯苯甲酸酯。雖然菌株缺失關鍵的ubiD和ubiX脫羧酶基因，但保留了完整的后續修飾酶基因簇，可通過CydABX酶復合物最終生成泛醌進入TCA循環。這一發現表明，JS-1菌株可能通過原兒茶酸裂解和UQ生物合成雙途徑協同降解PHBA，但其UQ途徑的完整功能仍需進一步驗證。
圖4 菌株JS-1中推測的PHBA降解途徑
JS -1 對 PHBA 的生物降解
在PHBA作為唯一碳源的條件下，0.75 g/L的PHBA可在12小時內降解97%，1.5 g/L的PHBA在48小時內完全降解。這一結果與基因組預測相符，但具體降解途徑仍需實驗驗證。JS-1菌株展現出的PHBA降解性能，使其在防治黃瓜連作障礙方面具有重要應用潛力。
菌株JS-1緩解PHBA對黃瓜的化感脅迫
JS-1菌株顯著促進黃瓜幼苗生長：處理組株高增加34.8%，根長增長31.9%。實驗證實該菌株能有效降解自毒物質PHBA，緩解其引起的生長抑制，且在弱堿性環境下效果更佳。其作用機制與已知PHBA降解菌類似，通過降低PHBA濃度和激活植物抗氧化系統發揮作用。
圖5不同處理條件對黃瓜幼苗生長的影響
結論
本研究分離的溶血不動桿菌JS-1展現卓越的原油降解能力，15天內可降解10-20 g/L原油達70-80%，優于已知野生不動桿菌菌株。其高效降解源于獨特的五類烷烴羥化酶系統，其中CYP153在中鏈烷烴代謝中起關鍵作用。雖然不能降解多環芳烴，但其能有效代謝單環芳烴PHBA，通過原兒茶酸鄰位裂解和泛醌合成雙途徑實現降解。這一特性使其在原油污染修復和農業連作障礙治理（緩解PHBA化感脅迫）中具有重要應用價值。JS-1菌株對烷烴和PHBA的廣譜降解能力，使其成為環境修復和農業管理的理想候選菌株。
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文章索引：Tao, Weiyi, et al. "High-efficiency biodegradation of crude oil and p-hydroxybenzoic acid by Acinetobacter haemolyticus JS-1: Integrated characterization and genomic analysis." Ecotoxicology and Environmental Safety 290 (2025): 117780.
