新型Lysinibacillus capsici FPHNCRA4-48菌株的分离鉴定及其胞外聚合物在高浓度铬污染水体中的高效修复机制与蛋白组学解析

《Microorganisms》：Characterization and Proteomic Analyses of the High Cr Resistance and Removability of a Novel Lysinibacillus capsici FPHNCRA4-48 Isolated from Highly Cr-Polluted Water Dongmei Pan, Yinyan Chen, Zhijia Fang, Zhanghan Mo, Lukman Iddrisu, Mei Qiu, Qi Deng, Lijun Sun and Ravi Gooneratne

本文聚焦于从湖南常德高浓度铬污染水体中分离得到一株具有高铬耐受性（Cr(VI)浓度高达1000 μmol/L时去除率超过99%）及高效铬清除性能的新型菌株Lysinibacillus capsici FPHNCRA4-48。通过多种光谱表征（FTIR、3D-EEM、XPS）及蛋白组学（DIA）分析，系统研究了其铬去除性能与分子机制。研究发现，菌株分泌的胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）是去除铬的关键，其含有的-OH、-NH2、-CO-NH2等官能团是主要的结合位点。尤其值得注意的是，在Cr(VI)胁迫下，EPS中的蛋白质含量显著提升了1.32倍。进一步的蛋白组学分析表明，与翻译（rpmA、rpmI、rpmC、rplI、rpmD）、碳水化合物代谢（deoB、deoC）以及氨基酸生物合成（pyk、icd、rpiB、eno）相关的基因显著上调，KEGG通路分析也显示了核糖体通路的富集，这表明Cr(VI)暴露激活了菌株内与蛋白质合成密切相关的代谢通路。本研究不仅为铬污染水体的生物修复提供了理论基础与技术支撑，也凸显了微生物EPS在环境生物修复中的重要作用。

　　

引言

铬（Chromium, Cr）是一种常见的有毒重金属污染物，对环境和人类健康构成严重威胁。其中，六价铬（Cr(VI)）因其强致突变性和致癌性，即使在低浓度下也对人体具有显著危害。微生物吸附作为一种环境友好的生物修复方法，是治理重金属污染的有效替代途径。微生物及其分泌的胞外聚合物（EPS）是重金属吸附的关键参与者，但其对Cr(VI)去除的分子机制仍有待深入探索。本研究旨在从污染水样中筛选高效Cr(VI)去除菌株，并利用多组学技术深入研究其作用机制，为Cr(VI)污染的控制提供理论依据。

材料与方法

本研究采用BPR-Cr(VI)平板覆盖法，从湖南常德矿区水样中筛选对Cr(VI)具有高耐受性和强螯合能力的菌株，并通过16S rRNA基因测序进行鉴定。通过点板实验和连续培养监测菌株在不同Cr(VI)浓度下的生长敏感性和耐受性。利用扫描电镜-能谱仪（SEM-EDS）观察细胞形态变化及表面元素。评估菌株对Cr(VI)的去除性能。通过乙醇沉淀结合透析法提取EPS，并分析其多糖、蛋白质和DNA组成。采用准一级、准二级和Elovich动力学模型，以及Langmuir和Freundlich等温吸附模型，评估EPS对Cr(VI)的吸附行为。最后，利用数据非依赖性采集蛋白组学（DIA）技术，对菌株在Cr(VI)胁迫下的全蛋白质组进行定量分析，以探究其分子响应机制。

结果

从样品中成功分离得到一株优异的Cr(VI)耐受和去除菌株，经鉴定为Lysinibacillus capsici，命名为FPHNCRA4-48。该菌株在初始浓度为1000 μmol/L的Cr(VI)溶液中，去除效率超过99%。SEM-EDS结果显示，在2000 μmol/L Cr(VI)胁迫下，细胞表面结构发生变化，并能检测到Cr元素的存在。EPS组分分析显示，Cr(VI)暴露后，EPS中的蛋白质含量显著增加（1.32倍）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）、三维荧光光谱（3D-EEM）和X射线光电子能谱（XPS）分析表明，EPS中的羟基（-OH）、氨基（-NH₂）和酰胺基（-CO-NH₂）是结合Cr(VI)的主要官能团。蛋白组学分析揭示，在Cr(VI)胁迫下，与核糖体蛋白合成（rpmA, rpmI, rpmC, rplI, rpmD）、碳水化合物代谢（deoB, deoC）以及氨基酸生物合成（pyk, icd, rpiB, eno）相关的蛋白表达量均显著上调。KEGG通路富集分析进一步表明，核糖体通路被显著激活。EPS对Cr(VI)的吸附过程更符合准二级动力学模型，其吸附等温线可用Langmuir模型很好地拟合。

讨论

本研究的结果表明，菌株FPHNCRA4-48能有效适应高浓度的Cr(VI)环境，其高效的Cr(VI)去除能力与EPS的作用密不可分。EPS通过其富含的多种官能团对Cr(VI)进行吸附和整合。值得注意的是，在Cr(VI)胁迫下，EPS的蛋白质含量显著增加，蛋白组学数据也证实了与蛋白质合成相关通路的全面激活，这可能是细菌为增强其EPS的防御和修复功能而作出的主动适应性响应。菌株通过上调相关代谢通路，增强了胞内蛋白质的合成能力，从而促进了富含蛋白质的EPS分泌，最终提高了对Cr(VI)的固定和解毒能力。这些发现为理解微生物抵抗重金属胁迫的分子机制提供了新的见解，并为利用微生物EPS进行环境修复提供了新的策略。

结论

本研究发现并鉴定了一株具有高效Cr(VI)去除能力的新型菌株Lysinibacillus capsici FPHNCRA4-48，其EPS是去除Cr(VI)的关键组分。在Cr(VI)胁迫下，EPS的蛋白质合成通路被激活，导致EPS组分变化，从而增强了菌株对Cr(VI)的去除能力。这阐明了该菌株应对Cr(VI)毒性的重要分子适应机制，强调了EPS在重金属生物修复中的核心作用，为开发基于微生物的铬污染治理技术奠定了坚实的理论基础。