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文献解读|ONT宏基因组+细菌基因组初步揭秘安赛蜜的生物降解过程

 



安赛蜜(ACE)作为一种人工甜味剂,由于其成本效益和比食糖更高的增甜能力,被广泛应用于食品、制药和化妆品行业。ACE不在人体内代谢,主要以原形通过尿液排出体外,ACE的大量消耗也导致其在全球水生环境中无处不在,被视为一种新兴污染物,并且存在促进抗生素抗性基因传播的潜在风险。越来越多的证据已经证明了ACE的可降解性,然而关于降解ACE的细菌及其生物转化产物的动力学、基因组特征的信息还很有限。

 

 

文章标题:Acesulfame aerobic biodegradation by enriched consortia and Chelatococcus spp.: Kinetics, transformation products, and genomic characterization

标题译名:富集菌群和螯合球菌对安赛蜜的好氧生物降解:动力学、转化产物和基因组特征

发表期刊:Water Research(IF:11.236)

发表时间:2021.07.17

 

技术路线:

 

 

主要研究结果

 

1、富集ACE降解菌群

如图1a所示,6个反应堆的流出物中的TOC浓度高于在富集开始时流入物中观察到的浓度,表明接种物生物量的衰减。30天后,流出物TOC随着孵育的进行而下降(图1b),表明ACE降解菌群的有效富集。到第80天,所有反应堆的ACE降解率都超过了95%。90天至188天后,ACE降解率范围持续增加(图1c),意味这增加的降解ACE的丰富菌群的容量。

 

图1. ACE-degrading consortia的表现

 

2、MAGs重建及分类学结果

从6个富集的菌群中共获得了239个非冗余的MAGs。45个优势MAGs(丰度>3%)占宏基因组reads的大部分,其中41个MAGs是接近完整的MAGs,11个MAGs包含少于5个重叠群。主要的MAGs分为8个门(图2)。Proteobacteria包含的MAGs数量最多(16 MAG),其次是Planctomycetes、拟杆菌、Armatimonadetes和Chloroflexi。放线菌、Gemmatimonadetes和Nitrospirae,仅包含一个MAG。

 

 

图2. 45个优势MAGs的系统发育树和相对丰度

 

这些由6个富集群共享的物种可能是ACE降解的原因。在科层面,螯合球菌科(PRO4~PRO6)、黄杆菌科(PRO7~PRO9)和藻科(PLA1~PLA12)被6个富集群落共享。在物种水平上,只有PRO4、PRO6、PRO9和GEM1被6个富集群共享,显示出较高丰度。此外,PRO4~PRO9归为一组,隶属于同一目Hyphomicrobiales,表明这些物种可能在ACE生物降解中起重要作用。

 

3、ACE降解菌株基因组的鉴定和特性分析

从沙田富集群中分离出两种ACE降解菌株(YT9和HY11)。两种菌株都可以完全矿化250mg/L的ACE。系统发育分析表明,这两个分离株与两个新发现的可降解ACE的螯合球菌属(sp.1g-2和1g-11)归为一个单系姐妹群。它们都被鉴定为螯合球菌属,并且与Chelatococcus asaccharovorans DSM6462密切相关(3a)。然而,Chelatococcus asaccharovorans DSM 6462和Chelatococcus composti DSM 101465在培养实验中没有表现出ACE降解能力。表明螯合球菌属的不同物种之间不共享ACE降解能力。

 

如图3b所示,ANI和AAI的成对比较表明YT9和MAG PRO5之间具有很高的相似性。分离株HY11和两种MAG(PRO4和PRO6)可根据其高ANI/AAI(>98%)值归为同一物种。因此,基于与ACE降解物HY11和YT9的高度相似性,隶属于螯合球菌的PRO6、PRO4和PRO5可能是6个富集微生物群落中ACE的主要降解物。

 

图3. YT9和HY11的基因组特征

 

4、分离株YT9降解ACE的实验研究

选择菌株YT9进行进一步的降解实验,ACE在48小时内被YT9完全降解。然而,只有27.7%的TOC被去除(图4a),这表明YT9从母体化合物(ACE)中产生了一些TPs。与第一次相比,第二次中ACE的降解速率更快,并且达到了 91.1%的TOC去除率(图4b)。

 

通过UPLC-QTOF-MS分析检测到三个TPs(转化产物),即TP96、TP180B和TP182B。TP96被鉴定为氨基磺酸,TP180B和TP182B是形成的其他生物转化TPs。由于缺乏真实的标准和结构证据,现阶段无法确定TP180B是否为新结构。为TP182B 提出了一种新结构,其分子式为[C4H8NO5S],它可能是TP180B的还原产物。尽管在本研究中形成了3个TPs,但导致ACE形成氨基磺酸的生物降解途径仍不清楚,因为TPs仅在滤液中检测到,而未在细胞裂解液中检测到。

 

图4. 分离株YT9对ACE的降解

 

图5显示了在YT9的恒定生物量下,环境相关浓度下ACE降解率与Michaelis-Menten方程的最佳拟合。在低初始ACE浓度下,ACE降解速率随ACE浓度而增加。在高ACE浓度下,恒定ACE降解率表明ACE分子之间竞争YT9中的酶活性位点。这意味着在高ACE浓度下,ACE降解细菌的生物活性受到抑制。

 

图5. ACE的降解率与培养基中ACE浓度的函数关系

 

全文总结

 

研究结果进一步支持了最近观察到的螯合球菌属生物降解ACE。此外,比较基因组分析表明,与食糖螯合球菌密切相关的潜在新物种可能是污水处理厂中ACE生物降解的原因。ACE降解基因编码的功能性酶属于仅YT9和HY11共有的812种候选酶。ACE降解菌株(YT9)将ACE降解为氨基磺酸,并在生物降解过程中生成TP180B和TP182B。本研究的局限性在于缺乏对生物降解途径和功能酶的完整实验研究。

 

参考文献

Huang Y , Deng Y , et al. Acesulfame aerobic biodegradation by enriched consortia and Chelatococcus spp.: kinetics, transformation products, and genomic characterization.Water Research,2021. 

https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117454

 

 

 

 

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