《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Multi-omics reveals metabolic reprogramming and interfacial synergy in FeO/C@
Shewanella oneidensis MR-1 for enhanced Cr(VI)-malathion co-removal
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微生物代谢重编程协同材料调控对Cr(VI)和malathion的协同降解机制研究。摘要：采用FeO/C增强Shewanella oneidensis MR-1对Cr(VI)和malathion的协同去除，代谢组学显示碳代谢转向芳香族氨基酸合成，蛋白质组学证实呼吸链组件（sdhA,ccoO）和抗氧化酶（sodB,ahpC）上调，促进电子传递和ROS清除。
Jie Zhang|Weiyuan Cao|Shen Tang|Qiaodong Pan|Yanhong Li
桂林理工大学环境科学与工程学院，中国桂林541004
摘要
材料介导的代谢和蛋白质组重编程是提高微生物共污染修复效果的关键机制，但目前对此研究尚不充分。本研究采用综合多组学方法，探讨了负载氧化铁（FeO/C）的生物炭如何帮助Shewanella oneidensis MR-1克服六价铬（Cr(VI)和马拉硫磷的共污染瓶颈。FeO/C@S. oneidensis MR-1复合体在72小时内分别实现了65.95%的Cr(VI)和94.43%的马拉硫磷去除率，研究重点在于其背后的分子机制。代谢组分析表明，FeO/C将碳流从硫代谢途径重新定向至芳香氨基酸生物合成，增强了多酚类抗氧化物质的合成并优化了能量利用。蛋白质组分析证实，关键呼吸链成分（sdhA、ccoO）和抗氧化酶（sodB、ahpC）的表达上调，促进了细胞外电子传递和活性氧的清除。此外，FeO/C还诱导细胞外聚合物分泌增加了1.5倍，光谱分析显示酪氨酸和色氨酸残基可能通过结构和氧化还原特性参与污染物转化。本研究证实FeO/C作为生化调节剂，调控了 MR-1的生理状态，为通过代谢重编程实现共污染生物修复提供了新策略。
引言
六价铬（Cr(VI)）和有机磷农药（尤其是马拉硫磷）在水生系统中的共存对环境和人类健康构成严重威胁，因为它们具有协同毒性和持久性[1],[2]。Shewanella oneidensis MR-1以其多样的呼吸能力而著称，是生物修复的理想候选菌株，能够将有毒的Cr(VI)还原为溶解度较低的Cr(III)并降解马拉硫磷[3],[4]。然而，在实际共污染环境中，该菌株的修复效果受到多种内在因素的严重限制。
具体而言，Shewanella oneidensis MR-1对马拉硫磷的降解不依赖于特定的酶促水解，而是将其作为碳源和能量来源[5],[6]，这一过程通过细菌强大的氧化还原代谢网络实现还原解毒[7]。相比之下，Cr(VI)的还原属于典型的异化还原过程，同样依赖细胞外电子传递途径或将NAD(P)H依赖的还原酶介导[8]。由于两种污染物的同时存在，菌株的代谢过程陷入激烈的资源竞争和应激抑制，Cr(VI)还原和马拉硫磷降解都需要电子运输链和细胞内还原剂NAD(P)H，导致资源分配失衡。此外，Cr(VI)还原还会产生活性氧（ROS），损害与电子运输链相关的蛋白质结构和功能，进一步降低马拉硫磷的降解效率[9],[10],[11]。这种双重限制使得Shewanella oneidensis MR-1无法同时满足两种污染物的代谢需求，从而显著降低修复效果。
为了解决这些瓶颈，将微生物与功能性材料（如铁-生物炭复合材料）结合构建混合系统成为有效的增强策略[12],[13],[14]。目前大多数研究关注材料本身的物理化学性质（如吸附能力和导电性）如何直接提升特定功能（如提高电子转移效率、提供反应位点），这本质上属于性能提升的研究范式[15],[16],[17]。尽管先前研究表明负载氧化铁（FeO/C）的生物炭可以增强Shewanella oneidensis MR-1对马拉硫磷的降解[18]，但从微生物角度出发，一个更根本的机制问题尚未得到解答：FeO/C是否以及如何作为调节信号，系统性地重编程菌株的全球代谢网络和蛋白质组，从而优化其在应对Cr(VI)和马拉硫磷共污染时的资源分配策略和生理状态。换句话说，Shewanella oneidensis MR-1在混合系统中为适应FeO/C的存在而发生的深层适应性变化仍大部分未被探索。
因此，本文假设FeO/C作为生化调节剂，帮助Shewanella oneidensis MR-1克服共污染的瓶颈。为此，采用代谢组学和蛋白质组学相结合的综合分析方法，比较了添加（组MB）和未添加（组B）FeO/C的Shewanella oneidensis MR-1在同步去除Cr(VI)和马拉硫磷过程中的响应。这项研究旨在超越传统的吸附解释，从新的视角探讨功能性材料作为微生物生理调节中心的作用。
材料与试剂
S. oneidensis MR-1（菌株MCCC1A00012）来源于中国海洋微生物菌种库（MCCC）。Cr(VI)储备液通过将分析级重铬酸钾溶解在超纯水中制备。马拉硫磷工作溶液（30 mg/L）通过依次稀释制备：首先用HPLC级甲醇配制100 mg/L的储备液，然后用超纯水稀释。取0.3 mL的100 mg/L溶液用于实验。
微生物活性主导的污染物协同去除
为明确FeO/C对Shewanella oneidensis MR-1同时去除Cr(VI)和马拉硫磷的调节作用，首先验证了复合系统的去除效果。结果显示，FeO/C@S. oneidensis MR-1系统在72小时内分别实现了65.95%的Cr(VI)和94.43%的马拉硫磷去除率，去除过程主要集中在前48小时内，Cr(VI)去除率从38.28%增加到54.22%，马拉硫磷去除率从54.72%增加到
结论
本研究证明，FeO/C显著增强了Shewanella oneidensis MR-1对Cr(VI)和马拉硫磷的协同去除效果，72小时内分别实现了65.95%和94.43%的去除率。FeO/C并非作为吸附剂发挥作用，而是作为生物调节剂，系统性地重编程微生物的生理状态。它促使代谢途径向芳香氨基酸生物合成方向转变，上调了参与电子传递（sdhA、ccoO）和抗氧化防御（sodB、ahpC）的蛋白质表达，从而
资金来源说明
本研究得到了广西研究生教育创新项目（项目编号YCBZ2025176）、广西科技计划（Guike AD25069074）、国家自然科学基金（项目编号52070050）以及广西自然科学基金（项目编号2020GXNSFAA159017）的支持。
作者贡献声明
Jie Zhang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿。Qiaodong Pan：验证。Weiyuan Cao：监督。Shen Tang：软件开发、实验设计。Yanhong Li：资源获取、方法学研究、资金申请。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了桂林理工大学现代工业生态与环境保护学院（中国桂林541006）和桂林理工大学喀斯特地区水污染控制与水安全协同创新中心（中国桂林541006）的支持。
披露声明
作者未报告任何潜在的利益冲突。
