两株高效降解菌在典型溴代阻燃剂降解过程中的若干分子机理研究

发布时间：2020-10-01 15:02

　　 四溴双酚A(TBBPA)作为目前市场上使用量最大的溴代阻燃剂(BFRs),被广泛应用于电子/电器、运输包装、建材、家具和纺织品等领域。由于TBBPA在生产、使用和废弃过程中都可以进入到环境中,而且目前已在不同的环境介质如水体、沉积物、活性污泥、土壤、室内灰尘、水生生物体甚至人体血清中均有检出,并且对环境及生物体存在潜在危害,因此受到世界各国政府和科学家的广泛关注。目前国内外研究者在利用微生物降解BFRs方面做了大量的工作,主要包括对高效降解菌株分离、鉴定,溴代阻燃剂的脱溴和降解动力学和降解机理等的研究,但对微生物降解BFRs的生化和分子遗传机制及其关键酶基因的克隆分析和应用研究、基因工程菌的构建等方面却几乎未见报道。本论文分别以能降解TBBPA和三溴苯酚(TBP)的菌种苍白杆菌(Ochrobactrum sp.T)和芽孢杆菌(Bacillus sp.GZT)为研究对象,通过全基因组测序获得两株菌株的全基因组序列,并通过克隆和表达分别对能够降解TBBPA和TBP的脱卤酶及其编码基因进行了考察。此外,利用超滤、盐析、离子交换和凝胶层析等纯化策略,也对野生菌株的脱卤酶进行了纯化研究和酶学性质的考察,最后对脱卤酶分别降解TBBPA和TBP过程中生成的中间产物进行了分析,提出和阐明了TBBPA和TBP生物降解的分子途径和机理。主要的研究结果如下:(1)获得了Ochrobactrum sp.T全基因组序列,并找到24个可能与卤代化合物降解或者代谢相关的基因。进一步对这些基因进行克隆和表达筛选到了一个含有编码TBBPA降解酶的基因的重组菌,将该基因命名为tbbpa,并发现该重组酶的氨基酸序列与卤代酸脱卤酶的序列相似性达到了100%。利用重组菌降解TBBPA的结果表明,其在最佳条件培养温度30 ~oC和pH值为7.0下降解TBBPA 96 h时降解率和矿化率分别能达到100%和37.8%,均要高于同样条件下野生菌对TBBPA的降解率和矿化率。同时,降解基因tbbpa能被底物TBBPA诱导表达。重组菌暴露在TBBPA 72 h后,tbbpa基因的表达水平升高了10倍。在TBBPA生物降解体系中,加入含溴共代谢底物TBP对重组菌降解TBBPA前期有一定的促进作用,而内分泌干扰素双酚A(BPA)的加入则抑制了重组菌对TBBPA降解。(2)通过对具有TBBPA降解功能的重组菌所表达的脱卤酶进行镍离子亲和层析,获得了一个纯化了10.2倍,比酶活力从0.3增加到3.06 units/mg蛋白,经过SDS-PAGE和MALDI-TOF-MS分析确定该酶为溴酚脱卤酶,分子量为117kDa。其酶学性质为:最适温度为30°C,pH值为6.5,K_m和V_(max)分别为26.6μM和0.133μM/min/mg。NADPH和甲基紫精的存在可以加速该脱卤酶对TBBPA的降解,但Cu~(2+)、抗坏血酸、细胞色素C的加入对脱卤酶有明显的抑制作用。进一步研究表明该脱卤酶具有很宽的底物谱,能转化包括2,6-二溴苯酚(2,6-DBP)和TBP等一系列的溴代底物。最后根据所鉴定出的3个氧化中间产物提出了溴酚脱卤酶降解TBBPA的机理,即在氧气存在的条件下TBBPA首先被氧化形成4-丙烯基-2,6-二溴苯酚和2,6-DBP,随后经TBP转化成4-溴苯酚(4-BP),最后降解生成二苯醚。(3)通过硫酸铵沉淀、阴离子交换层析和凝胶过滤等一系列的步骤从具有高效TBP降解功能的Bacillus sp.GZT菌中分离获得了一个TBP的脱卤酶。整个纯化过程,回收率为28.6%,纯化倍数为47倍,比活力从0.4增加到18.9U/mg。经SDS-PAGE检测纯化酶已达电泳纯分子量约为63.4 KDa。MALDI-TOF/TOF鉴定显示该酶与寡肽ABC转运寡肽结合蛋白(oligopeptide ABC transporter oligopeptide-binding protein)和多肽ABC转运底物结合蛋白(peptide ABC transporter substrate-binding protein)具有很高的同源性。脱卤酶在pH值为6.5,温度为35 ~oC的最适条件下降解TBP 120 min后,降解率可达到80%;动力学考察结果表明该酶的K_m为78μM,V_(max)为0.65μM/min/mg,并对2-溴苯酚(2-BP),2,4-二溴苯酚(2,4-DBP)和2,6-DBP,3-溴苯酚(3-BP)和4-BP均有降解活性。将编码脱卤酶的基因克隆后在E.coli BL21(DE3)实现高效表达,获得了重组的TBP脱卤酶并验证了脱卤酶的基因。对脱卤酶降解TBP的机理进行研究发现,脱卤酶首先在TBP的邻位和对位上脱去一个溴原子分别生成2,4-DBP和2,6-DBP,紧接着二溴中间产物通过生成2-BP而被转化生成苯甲酸和苯乙酸。这一降解路径与Bacillus sp.GZT降解TBP的降解路径类似,表明该脱卤酶是细菌催化TBP降解主要的酶。(4)Bacillus sp.GZT全基因组测序结果表明,其基因组总长为5.18 Mb,约覆盖基因组208倍,共含有21个与卤代化合物或者酚类化合物的降解或者代谢相关的基因。将这些基因进行克隆和表达共鉴定了5株分别具有降解TBP、2,4-DBP、2-BP、苯酚和2,6-二溴-4-甲基酚功能的重组菌,并将相应的外源编码基因命名为tbpA、tbpB、tbpD、tbpE和tbpC,表达的相应的重组酶命名为tbpA、tbpB、tbpD、tbpE和tbpC。利用重组酶对TBP进行降解研究表明,TBP最初的降解是由tbpA酶催化的,降解率可以达到98.8%。RT-qPCR实验结果表明TBP降解过程中外源的降解基因tbpA、tbpB、tbpD、tbpE和tbpC能被底物诱导表达。同时根据鉴定出4个TBP降解中间产物以及外源基因在TBP降解过程中表达水平的变化,初步提出了TBP生物降解的分子机理可分为两个路径。首先tbpA可以催化TBP通过脱溴生成2,4-DBP(路径I),或者甲基化作用形成2,6-二溴-4-甲基酚(路径II)。随后2,4-DBP在tbpB催化下转化为2-BP。而2,6-二溴-4-甲基酚和2-BP进一步在tbpC和tbpD催化下脱溴会生成苯酚,最后苯酚在tbpC作用下生成CO_2和H_2O。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X592;X172
【部分图文】：

第 1章 引言（C-X）的断裂，卤化物被降解，而卤元素还原需要的电子可以通过临近和末端的 FeS 簇传递给 Co。目前文献报道还原脱卤酶主要通过以下三种路径将卤化物进行消除，1）通过路径 A 形成一个钴胺素加合物；2）在路径 B 中，CoI起到电子供体的作用，将电子转移给卤代化合物 2）形成卤素-钴胺素键（路径 C）（如图 1.2 所示）。

2 图 1.2 还原脱卤酶脱卤的机理形成一个钴胺素加合物；路径 B，单电子转移； 路径 C，形成一个卤素-钴胺素键(Jugder et al., 2015)posed reaction mechanisms of reductive dehalogenases. The three main schemes featuring an organocobalt adduct (PathA), a single-elect(Path B), and a halogen-cobalt bond (Path C) are depicted

两株高效降解菌在典型溴代阻燃剂降解过程中的若干分子机理研究(2) 利用一系列的纯化方法对 Bacillus sp. GZT 降解 TBP 的酶进行了纯化研究，并对酶学性质进行了考察，并通过对编码脱卤酶的基因进行克隆和表达对实验结果进行了验证。具体思路见图 1.4。(3) 对脱卤酶分别降解 TBBPA 和 TBP 过程中生成的中间产物进行了分析，提出和阐明了 TBBPA 和 TBP 生物降解的分子途径和机理。

本文编号：2831595