一種通過酶引導策略篩選降解三氯卡班的微生物的富有洞察力的方法：Diaphorobacter polyhydroxybutyrativorans的解毒調控與能量代謝
《Journal of Hazardous Materials》：Insightful approach for screening triclocarban-degrading microbes via enzyme-guided strategy: detoxification regulation and energy metabolism by
Diaphorobacter polyhydroxybutyrativorans
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時間：2026年03月03日
來源：Journal of Hazardous Materials 11.3
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三氯生（TCC）生物降解研究通過酶引導的篩選策略從5000余菌株中選出Diaphorobacter polyhydroxybutyrativorans (DP)，其48小時內降解26.0% TCC并同步降解毒性中間產物，通過LPS修飾、外排泵及酶催化等多機制解毒，能量代謝轉向丙酸代謝和三羧酸循環，適應營養限制與低濃度TCC脅迫。
李崇樹|王長來|盧啟英|張潔|嚴龍|葉金紹
中國廣東省濟南市濟南大學環境與氣候學院，廣東省廣州市510632，廣東省環境暴露與健康重點實驗室
摘要
生物降解對于清除受污染環境中的三氯卡班（TCC）至關重要。然而，目前僅分離出少數能夠降解TCC的純培養菌株，且降解過程中涉及的細胞毒性和解毒機制仍不甚明了。基于富集培養的傳統篩選方法效率低下。本研究利用現有的功能性酶信息、生物信息學數據庫、微生物集合及生物信息學工具，探索了高通量篩選潛在降解TCC的功能細菌的可行性，并系統研究了TCC引起的細胞毒性和解毒反應。從超過5000株候選菌株中篩選出8株代表性菌株，其中Diaphorobacter polyhydroxybutyrativorans（DP）在48小時內可降解1 mg/L TCC及其水解產物3,4-二氯苯胺（3,4-DCA）和4-氯苯胺（4-CA）的26.0 ± 0.70%。在TCC脅迫下，DP保持了膜完整性和存活率（TCC處理組分別為7.42% ± 1.36%和94.28% ± 0.53%，而對照組分別為4.75% ± 0.28%和95.15% ± 0.97%），盡管活性氧（ROS）水平升高。TCC暴露增強了丙酸代謝、TCA循環和電子傳遞鏈活性，使能量分配從生物合成轉向應激反應和生存。DP采用了多種解毒機制，包括脂多糖（LPS）修飾、膜通透性改變、外排泵作用和酶催化。關鍵能量代謝物（如果糖-1,6-二磷酸、乙酰輔酶A和α-酮戊二酸）的濃度在TCC脅迫下降低。DP通過丙酸代謝途徑補充了琥珀酸和丙酮酸。本研究為篩選降解有機污染物的新細菌提供了新的視角，并揭示了TCC脅迫下代謝網絡的調控機制。
引言
三氯卡班（TCC）是一種廣泛用于個人護理和家用產品中的廣譜合成抗菌劑，因其具有內分泌干擾作用、環境持久性和生態毒性而備受關注[1]。據估計，中國每年TCC和另一種抗菌劑三氯生（triclosan）的總消耗量約為1200噸[2]。由于其親脂性和生物累積潛力，TCC可能發生長距離傳輸[3]，并在各種環境樣本、植物、動物甚至人體樣本中被檢測到[1]。中國中部城市污水中的TCC濃度范圍為60–760 μg/L[4]。生態風險評估表明，TCC對亞洲海洋生物的威脅比歐洲或北美更大[5]。這些負面影響凸顯了迫切需要有效的可持續修復策略來清除受污染環境中的TCC。
雖然光解可以減輕TCC的毒性，但在渾濁的廢水中效果不佳[1]。生物降解是一種更有前景且環境友好的去除方法；然而，目前分離出的降解TCC的細菌較少，包括
屬（YL-JM2C, LY-I）[6]、[7]、屬（MC22, TCC-2, TCC-1）[8]、[9]、[10]、 BX2[11]和 MC46[12]、[13]。值得注意的是，這些研究使用的TCC濃度（4–20 mg/L）遠高于環境中的實際濃度。例如， TCC2在24小時內可水解10 mg/L TCC的96.88%，但同時產生了有毒的3,4-DCA和4-CA[10]，這些物質可能造成二次污染。因此，這些水解產物的進一步降解往往是完全解毒的限制因素[11]，這凸顯了在實際環境基質中實現高效生物降解的必要性。由于外膜的屏障作用，革蘭氏陰性細菌能夠抵御TCC的侵害。
ATCC 10536對TCC的最小抑制濃度超過5 μg/mL，且未觀察到膜損傷[14]。 PD1222無法降解TCC，在50 μg/L TCC濃度下完全抑制了反硝化作用[15]。我們之前的研究表明，盡管 ATCC 8739不能水解TCC，但在含有0.4 g/L葡萄糖的M9培養基中暴露于0.1 μM TCC 12小時后，會誘導出可逆的適應性反應，包括外排泵激活、細胞分化和LPS合成[16]。因此，有效的TCC降解菌可能依賴于主動的解毒機制（如酶促降解或外排作用），而不僅僅是外膜屏障功能。值得注意的是，在無葡萄糖條件下（0.36 g/L），TCC的降解效率更高[10]，這可能是由于碳代謝產物的抑制作用。然而，目前尚不清楚功能細菌如何在低TCC濃度下調節能量代謝以維持解毒和細胞活性。傳統上，功能性微生物的篩選主要依賴于經典培養方法[17]，這些方法耗時且結果不確定性較大。基于酶的篩選方法可能為解決這些問題提供新的思路。例如， TCC2中的酰胺酶TccA負責TCC的初始水解[10]， BX2中的同源蛋白TccS也具有相同功能[11]。鑒于同源蛋白在不同物種間通常具有保守的功能，我們假設TccA/TccS的同源序列可以作為分子標記，快速從微生物數據庫和菌株集合中識別潛在的TCC降解菌株，從而克服基于培養方法的局限性。分子生物學和多組學技術的進步，以及UniProt和NCBI等數據庫中日益豐富的微生物基因組和蛋白質數據，為基于同源性的高通量篩選功能微生物奠定了基礎。
本研究通過基于酶的生物信息學篩選方法發現了潛在的TCC降解菌。在候選菌株中，兼性需氧菌（DP）在M9培養基中48小時內表現出最高的TCC降解能力，并在四種測試條件下均保持穩定的降解性能，因此被選為進一步研究對象。本研究旨在（1）評估基于酶的篩選方法識別功能性降解菌的可行性；（2）通過流式細胞術和轉錄組分析闡明TCC誘導的防御和解毒反應；（3）通過結合轉錄組學和代謝組學，揭示營養限制條件下支持TCC降解的能量代謝適應性。
章節片段
挖掘潛在的TCC降解微生物
已證實酰胺酶TccA（GenBank: ANB41810.1，Text S1）負責TCC的水解[10]，[15]，我們利用它作為參考來識別可能具有TCC水解能力的同源蛋白。首先從UniProt或NCBI數據庫中檢索TccA的氨基酸序列，然后使用基本局部比對工具（BLAST，v2.15.0）進行序列比對，以搜索蛋白質數據庫中的同源蛋白。
潛在TCC降解菌的TCC生物降解
如圖1A所示，所有8株菌株均能在M9培養基中48小時內降解1 mg/L的TCC，降解效率分別為：O.sp 19.7±0.8%、DP 26.0±0.7%、SV 17.41±1.0%、SC 10.7±0.9%、PC 16.6±1.6%、PP 20.1±2.4%、RR 23.2±2.1%和RE 12.9±0.9%。O.sp和RR的降解結果與之前關于 TCC-2[10]和 BX2[11]的報告一致。這些結果驗證了我們篩選策略的有效性。
結論
本研究驗證了基于酶的生物信息學策略在挖掘能夠降解合成抗菌劑（如TCC）的功能細菌方面的有效性。作為選定的8株菌株之一，DP同時表現出對TCC及其有毒中間體的水解能力，顯示出其在TCC污染環境中的生物修復潛力。同時，1 mg/L TCC的暴露會導致DP中ROS的顯著積累，從而導致DNA損傷。
環境影響
三氯卡班（TCC）是一種新興污染物，對生態系統和人類健康構成潛在風險。為克服傳統功能性微生物篩選方法（如周期長和效率低）的局限性，本研究開發了一種高通量篩選策略來識別潛在的TCC降解微生物。
CRediT作者貢獻聲明
葉金紹：撰寫、審稿與編輯、資金獲取、概念構思。嚴龍：撰寫、審稿與編輯、監督。王長來：數據可視化、驗證、實驗研究。李崇樹：原始稿撰寫、數據可視化、實驗研究。張潔：數據可視化、實驗研究。盧啟英：軟件應用、數據管理。
利益沖突聲明
作者聲明以下可能被視為潛在利益沖突的財務利益/個人關系：葉金紹表示得到了濟南大學的財務支持。如果還有其他作者，他們聲明沒有已知的可能影響本文工作的財務利益或個人關系。
致謝
作者感謝國家自然科學基金（項目編號22576080）的財政支持。
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