高效铬还原菌Bacillus cereus SJ1和Lysinibacillus fusiformis ZC1的铬还原特性和全基因组序列分析

摘要

铬及其化合物广泛应用于电镀、制革、纺织、防腐等工业生产,随后工业废水废渣的肆意排放造成了环境的严重污染。利用具有铬抗性及还原性的微生物把高毒的铬(Ⅵ)转化为低毒的铬(Ⅲ)为铬解毒及生物降解提供了一个经济有效的污染治理手段。然而目前高效的铬(Ⅵ)还原菌很少,而且关于微生物铬抗性及还原性相关基因功能的认识也很有限。
　　 我们从电镀废水中分离了两株铬(Ⅵ)高抗还原菌,Bacillus cereus SJ1和Lysinibacillus fusiormis ZC1,并对其进行了铬(Ⅵ)还原特性的研究。SJ1和ZC1菌的铬(Ⅵ)最小抑制浓度(MIC)分别为30 mM和60 mM。SJ1的铬(Ⅵ)抗性为诱导性表达,而ZC1菌的铬(Ⅵ)抗性为组成型表达。1 mM的K2CrO4被B.cereus SJ1还原需57小时,而被L.fusiformis ZC1还原只需12小时。
　　 对SJ1全基因组分析发现,B.cereus SJ1中含有一个铬转运操纵子chrIA1,两个铬转运相关基因chrA。除此之外,一个编码偶氮还原酶(azoreductase)的基因azoR和四个编码硝基还原酶(nitroreductase)的基因nitR也在其基因组中,这些基因都.可能与铬还原相关。通过RT-PCR发现,相邻的两个基因chrIA1的表达都受到铬(Ⅵ)的诱导,而另外两个chrA则为组成型表达。铬还原相关基因无论是从基因水平还是从表型上都是组成型表达。chrIA1基因上游出现的编码解离酶(resolvase)的基因,下游的砷抗性相关操纵子以及编码Tn7类的转运蛋白ABBCCCD预示了B.cereusSJ1基因水平转移的发生。这种基因水平转移可能有利于菌体对铬污染环境的适应。本研究发现chrA1有一个受到铬(Ⅵ)调控的蛋白基因chrI。通过与基因文库中多种类似的且与铬转运基因chrA形成一个操纵子的调控子ChrI进行比对发现,两种氨基酸,赖氨酸(K)和精氨酸(R),在所有比对的序列中高度保守。这两种氨基酸生理学条件下带正电荷,很有可能是带负电荷的CrO42-基团识别和结合的位点。虽然ChrI的功能没有得到证实,但ChrI是首次提出的与铬(Ⅵ)还原调控相关的潜在调控子。
　　 L.fusiformis ZC1是至今为止已经报道的铬(Ⅵ)还原效率最高的细菌。L.fusiformis ZC1的铬(Ⅵ)还原效率受到乙酸钠和NADH促进。ZC1还具有多种重(类)金属抗性。全基因组分析发现,ZC1菌含有多种预定的铬抗性基因、铬还原基因和(类)金属抗性基因。无论是从表型上还是从基因水平L.fusiformis ZC1的铬抗性都是组成型表达。此外,可能与铬还原相关的两个基因nitR和yieF也为组成型表达。其高效的铬还原效率很有可能归因于大量NADH依赖性的铬还原酶通过组成型表达的解毒作用,从而使得该菌能在如此恶劣的环境下代谢并存活。
　　 本论文的研究结果在铬(Ⅵ)抗性及还原性细菌资源的开发、细菌铬(Ⅵ)原性特性、细菌铬(Ⅵ)抗性调控和环境适应性的分子基础等方面都具有一定的理论价值和创新性。