應用案例

Picarro G2201-i(“碳同位素”攜手“多組學技術”助力微生物代謝礦化有機污染物新途徑的研究）

發(fā)表時間：2024-04-17

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六溴環(huán)十二烷（HBCD）是一種典型的溴化阻燃劑，具有持久性、長遷移性、生物積累性和毒性，2013年就被《斯德哥爾摩公約》列為持久性有機污染物，只能在嚴格的監(jiān)管條件下使用。但其在空氣、水、沉積物、土壤和生物體中仍舊經(jīng)常被廣泛地檢測到。因此，HBCD殘留物已引起了公眾的廣泛關注，其在環(huán)境中的去除與修復也變得迫切和必要。

“生物降解”在去除HBCD的過程中起著重要的作用，獲得高效的HBCD降解細菌及其作用機制研究尤為重要。一方面以往的研究雖已經(jīng)證實了HBCD在活性污泥和土壤中的去除效率和降解途徑，且已經(jīng)從環(huán)境中分離出幾種能降解HBCD的純培養(yǎng)物，但迄今為止報道的HBCD降解細菌尚未被證明能完全礦化HBCD（即降解產(chǎn)物為自身生物體和CO₂）。另一方面，雖然當前已知參與HBCD轉(zhuǎn)化的幾種酶（如LinA、LinB、DhaA等），但其他的用于HBCD去除的酶分支仍然缺乏。

近日，中山大學仇榮亮教授、彭星星副教授，在Journal of Hazardous Materials發(fā)表了題為“Citrobacter sp. Y3 harbouring novel gene HBCD-hd-1 mineralizes hexabromocyclododecane via new metabolic pathways according to multi-omics characterization”的研究論文。在之前證實了C. sp.Y3可利用檸檬酸鈉作為額外的碳源來轉(zhuǎn)化HBCD的基礎上，系統(tǒng)的研究了菌株Y3的降解效率和礦化過程。使用穩(wěn)定同位素標記[¹³C]HBCD（α-、β-和γ-HBCD）作為研究基質(zhì)，采用高通量測序?qū)闥3進行了詳細的基因組和蛋白質(zhì)組表征，通過超高效液相色譜-四極桿飛行時間質(zhì)譜(UHPLC-Q-TOF-MS)鑒定中間體，使用組學注釋功能基因和蛋白質(zhì)表達，重建了HBCD的降解途徑。研究結(jié)果對去除環(huán)境中的HBCD具有重要意義。

圖1. 實驗設置 (a)通過測定菌株Y3存在下¹³CO₂產(chǎn)量，評估[¹³C]HBCD礦化情況；(b)關鍵基因的功能驗證；(c)用含有HBCD-hd-1的重組E. coli BL21在不同時間點（0、1、2、3、4天）降解HBCD及其中間產(chǎn)物4-BBA，每個實驗進行了三次重復。

¹³CO₂穩(wěn)定同位素分析使用了Picarro G2201-i分析儀，采用其CO²同位素測量模式，對實驗過程中產(chǎn)生的¹³CO₂、¹²CO₂進行精準測定。結(jié)果顯示C. sp.Y3可以使用[13C] HBCD作為唯一碳源，并將其降解甚至礦化為¹³CO₂，大約14天內(nèi)最大轉(zhuǎn)化率為100%?；蚪M學和蛋白質(zhì)組學分析表明，C. sp.Y3中含有6種與HBCD降解相關的脫溴酶，包括鹵代烷脫鹵酶(DhaA)、鹵酸脫鹵酶(HAD)等，還發(fā)現(xiàn)一種名為HBCD-hd-1的編碼HAD的功能基因在HBCD降解過程中上調(diào)，并在大腸桿菌中異源表達。帶有HBCD-hd-1基因的重組大腸桿菌可將典型的中間體4-溴丁酸轉(zhuǎn)化為4-羥基丁酸且在HBCD降解過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的降解性能，伴有近100%的溴(Br)離子生成。HBCD-hd-1在Y3中的表達加速了HBCD的生物降解，該酶的鑒定可能為研究從環(huán)境中去除HBCD提供了新的思路。

關鍵指標碳同位素分析儀介紹

Picarro G2201-i是一款原位同步測量CO₂ 和CH₄碳同位素的分析儀，研究人員只需一臺儀器便可追蹤系統(tǒng)、全面的碳轉(zhuǎn)移和分解過程。該雙組分分析儀不但給研究工作帶來了易用性和快捷性，專利的CRDS技術中小腔室的設計，更為生態(tài)學、微生物學、環(huán)境學領域的專家，提供了培養(yǎng)實驗結(jié)果獲取的高準確性。小型化與耐用性令其更容易運輸?shù)揭巴獠⑻峁┘磿r的結(jié)果，以便研究者根據(jù)實地情況更改實驗設置，在有限的野外作業(yè)時間內(nèi)取得最優(yōu)的成果。

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