《Journal of Hand Therapy》：When Biosurfactants Compete with Pollutants: Rhamnolipid Production and Moisture-Dependent Performance in Hydrocarbon-Degrading Environments
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Marta Wo?niak-Karczewska、Wiktoria Wilms、Kamila Myszka、Piotr Lisiecki、Tomasz Ciesielski、Agnieszka Zgo?a-Grze?kowiak、Piotr Gajewski、Roman Mare
Marta Wo?niak-Karczewska、Wiktoria Wilms、Kamila Myszka、Piotr Lisiecki、Tomasz Ciesielski、Agnieszka Zgo?a-Grze?kowiak、Piotr Gajewski、Roman Marecik、András Táncsics、Tomas Cajthaml、Hermann J. Heipieper、?ukasz Chrzanowski
波兰波兹南工业大学化学技术系，60-965 波兹南
摘要
长期以来，人们一直在研究鼠李糖脂在生物修复受碳氢化合物污染土壤方面的潜力。虽然一些研究报道其在 presence 下能促进碳氢化合物的生物降解，但其他研究则观察到了有限或没有效果。为了解释这些差异背后的原因并评估鼠李糖脂的有效性，我们使用20种最常被研究的鼠李糖脂产生菌株 Pseudomonas aeruginosa 进行了实验。所有菌株在以亲水性碳源培养时，其鼠李糖脂的产生量都显著高于以疏水性柴油油为碳源的情况。在氮限制性条件下，合成速率也更高。这些发现挑战了鼠李糖脂主要作用是促进碳氢化合物吸收的假设。为了研究其效率，我们将鼠李糖脂外源添加到沙子微生物群落中。只有在低水分条件下（PWP），它们才能加速碳氢化合物的降解。当有足够的水分时，鼠李糖脂的效果会减弱，因为它们被微生物群落作为可利用的碳源消耗掉了。社区分析也支持了这一结果，在低水分条件下观察到了最大的鼠李糖脂驱动的转变。这些发现强调了鼠李糖脂在土壤中的复杂行为以及在评估其碳氢化合物降解作用时水分可用性的重要性。它们在干旱环境中的持久性和功能性表明了其特殊价值。这项工作强调了更好地了解鼠李糖脂在何时何地最有效的必要性。
引言
随着人们对传统表面活性剂环境问题的关注日益增加，科学研究逐渐将焦点转向天然来源的表面活性剂及其产生菌[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。作为最著名的阴离子生物表面活性剂之一，鼠李糖脂至今仍是众多研究的主题[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。这些物质因其较低的毒性、较短的生物降解半衰期和较高的生物相容性而被认为比合成表面活性剂更环保[4]。然而，关于微生物为何产生鼠李糖脂的问题仍缺乏明确的答案，因为其产生与多种因素有关，至今尚未有简单的解释[13]、[14]。
许多研究者认为，鼠李糖脂的生物合成与微生物对疏水性物质的吸收有关[9]、[10]、[15]。因此，它们被视为生物修复策略中的潜在工具，尤其是在受碳氢化合物污染的土壤中[16]、[17]、[18]、[19]。然而，已有研究表明，微生物几乎可以在任何碳源存在的情况下合成鼠李糖脂，包括亲水性底物（如葡萄糖）以及各种疏水性底物（如碳氢化合物、脂肪酸和油脂[20]。因此，这些生物表面活性剂的主要功能不一定是促进碳氢化合物的降解，因为产生它们的微生物可以很容易地在可溶性底物上培养[20]。实际上，有人提出鼠李糖脂的主要作用是使微生物能够在各种环境中发挥作用；因此，它们在碳氢化合物降解中的作用并非优先考虑的重点[13]。
Pseudomonas aeruginosa 被认为是鼠李糖脂的主要产生菌，也是用于理解这些化合物生物合成的模式菌株[13]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。这些细菌中的鼠李糖脂产生受到 群体感应 的调控，这是一种细菌之间的通信方式，同时也负责调节微生物生物膜中各种毒力因子的合成[20]、[28]。支持这一观点的研究表明，在相同的实验条件下，无毒菌株不产生鼠李糖脂，而有毒菌株则会产生[29]。然而，在 Burkholderia glumae 的情况下，群体感应 对鼠李糖脂产生的调控仅在营养受限条件下发生，而在营养充足的环境中，这些化合物的合成独立于该机制[30]。这进一步表明，微生物产生鼠李糖脂是为了在不利条件下生存，而不仅仅是为了促进碳氢化合物的降解。
病原细菌的毒力因素之一是它们的移动性。由于已证明鼠李糖脂的存在可以增加多种细菌菌株的移动性，因此它们的产生可能会影响许多微生物的环境表现[31]。事实证明，P. aeruginosa 和 B. glumae 的群集运动能力需要鼠李糖脂的存在[20]、[30]。因此，这些生物表面活性剂不仅有助于有效的表面定殖，还有助于抵抗环境压力[24]、[28]、[31]、[32]、[33]。此外，鼠李糖脂能够破坏其他微生物细胞的表面完整性，从而使病原微生物更容易进入细胞内部[24]。
鉴于这些问题，以及考虑到在碳氢化合物降解土壤中应用鼠李糖脂时常得到不一致的结果，本研究调查了在何种条件下鼠李糖脂能增强污染物去除效果，或在另一些条件下迅速被降解作为替代碳源。尽管鼠李糖脂被广泛描述为碳氢化合物降解的促进剂，但尚不清楚在何种环境条件下它们能持续存在足够长时间以发挥这种效果。特别是，土壤湿度在调控鼠李糖脂持久性和生物降解之间的平衡方面尚未得到系统评估。首先，我们验证了将 P. aeruginosa 产生鼠李糖脂的能力与其利用疏水性底物作为碳源和能量来源的能力联系起来的常见假设。具体来说，我们确定了培养条件（碳源的疏水性和氮的可用性）对20种环境病原菌株产生鼠李糖脂的质量和数量的影响。其次，分析了土壤湿度对鼠李糖脂环境表现的影响，包括在低、最佳和高水分含量下的碳氢化合物降解情况，以及相关的微生物群落结构变化。我们的结果提供了实验证据，表明鼠李糖脂在土壤中的功能强烈依赖于湿度。在低湿度条件下，鼠李糖脂持续时间更长，并显著促进碳氢化合物的降解；而在高湿度条件下，它们可能主要作为易于生物降解的碳源，而不是长期的污染物去除促进剂。
部分摘录
鼠李糖脂产生效率与培养条件
材料： 商用柴油燃料 EN 590:2004 从加油站（PKN Orlen，波兰）获取。使用前，通过过滤（Millex，孔径 0.2mm；Millipore）对燃料进行了灭菌。另一种碳源是葡萄糖（≥99.0%，Merck，德国）。含有25% 鼠李糖脂的水溶液 JBR-425 从 Jeneil Biosurfactant Company（美国威斯康星州索克斯维尔）购买，用于 LC-MS/MS 分析。流动相添加剂包括 MS 级丙腈和醋酸铵
鼠李糖脂产生效率与培养条件
鼠李糖脂的生物合成通常与其在促进碳氢化合物降解中的作用相关。我们决定通过使用亲水性（葡萄糖）和疏水性（柴油油）碳源，在培养基中加入高和低水平的氮（实验详细说明见第2.1节）来测试这一假设。这些病原菌株是从鸟类的呼吸道中分离出来的，而不是从其他地点分离的
结论
在过去四十年中，微生物产生的鼠李糖脂常常与碳氢化合物降解联系在一起。然而，来自20种病原 P. aeruginosa 菌株的结果挑战了这一观点。我们的研究结果表明，在测试条件下，鼠李糖脂的产生并非主要由碳氢化合物的存在触发。这一发现扩展了当前对鼠李糖脂功能的理解，并强调了与其大规模应用相关的潜在生物安全问题
环境影响
鼠李糖脂常被宣传为环保的碳氢化合物生物修复剂，但它们的有效性因环境条件而异。本研究表明，鼠李糖脂并非通用解决方案；在湿润条件下，它们会迅速生物降解，可能作为替代碳源发挥作用。相比之下，在干燥条件下，它们持续时间更长，并通过提高生物可利用性显著促进碳氢化合物的降解
CRediT 作者贡献声明
Roman Marecik： 写作 – 审稿与编辑。András Táncsics： 写作 – 审稿与编辑、方法学、调查、数据管理。Agnieszka Zgo?a-Grze?kowiak： 写作 – 审稿与编辑、方法学、数据分析。Piotr Gajewski： 写作 – 审稿与编辑、数据分析。?ukasz Chrzanowski： 写作 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金争取、概念构思。Marta Wo?niak-Karczewska： 初始草稿撰写、可视化、验证
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了 ChatGPT/OpenAI 来提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明以下可能的利益冲突/个人关系：?ukasz Chrzanowski 表示得到了波兹南工业大学的资金支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文的报告。
致谢
这项研究由波兰国家科学中心资助的 OPUS 21 项目支持，项目编号为 DEC-2021/41/B/NZ9/03981。项目名称为“土壤中微/纳米塑料 (MNPs) 的存在与水量及可用性以及模型异生物质吸附之间的多级关系，以及这如何影响生物降解动力学和土壤微生物群落”。作者感谢 Aleksandra Sochal 和 ?ukasz ?awniczak 的帮助
