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为探究细菌对多氯联苯（PCB）和联苯的适应性代谢过程，研究人员以布鲁氏菌 Anthropi MAPB-9 为对象开展代谢组学研究。结果发现其能适应联苯毒性环境并降解联苯，该研究有助于理解细菌生物修复机制，为治理有机污染物提供理论依据。
在环境科学的大舞台上，多氯联苯（PCB）和联苯这两位 “不速之客” 可谓臭名昭著。它们作为持久性有机污染物，广泛存在于工业生产中，肆意破坏着生态环境，还对人类健康构成严重威胁。传统的物理、化学治理方法，要么成本高昂，要么效果欠佳，难以彻底解决问题。而微生物降解法，凭借其绿色环保、成本低廉的优势，成为了研究的焦点。然而，细菌在应对 PCB 和联苯时，其代谢过程犹如一团迷雾，亟待揭开。
在此背景下，印度 Birla Institute of Technology and Science Pilani 的研究人员挺身而出，以布鲁氏菌 Anthropi MAPB-9 为研究对象，开展了一场深入的代谢组学研究。他们试图弄清楚在联苯的 “攻击” 下，MAPB-9 的代谢究竟发生了怎样的变化，以及它是如何在这场 “战斗” 中生存并发挥降解作用的。这项研究成果发表在《Scientific Reports》上，为我们认识微生物与污染物之间的相互作用打开了新的窗口。
为了开展研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，利用气相色谱 - 质谱联用（GC-MS/MS）和高分辨率质谱（HR-MS）技术，对 MAPB-9 在联苯作用下产生的代谢产物进行分析，以此确定联苯的降解途径和中间代谢产物；其次，借助场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察联苯对 MAPB-9 细胞形态的影响；最后，通过代谢物集富集分析，明确相关代谢途径的变化情况。
研究结果如下：
- 细胞形态变化：通过 FESEM 分析发现，在富含营养的 LB 培养基中，MAPB-9 细胞呈现正常形态，排列紧密。而当在添加联苯的 MM 培养基中生长时，细胞尺寸明显减小，平均细胞大小从 LB 培养基中的 1.748±0.01μm 降至 1.563 ± 0.02μm。同时，细胞还出现了胞外多糖层（EPS）分泌增加和膜泡样结构形成的现象，这表明联苯对细胞造成了压力，而细胞正在积极应对。
- 代谢组学分析：
- 联苯和苯甲酸降解代谢产物的鉴定：经 GC-MS/MS 和 HR-MS 分析，确定了 MAPB-9 降解联苯过程中的多种代谢产物，包括顺式 - 2,3 - 二氢 - 2,3 - 二羟基联苯（cis-2,3-dihydro-2,3-dihydroxy biphenyl）、2,3 - 二羟基联苯（2,3-dihydroxy biphenyl）、4 - 二羟基 - 2 - 氧代戊酸（4-dihydroxy2-oxo-valerate）、苯甲酸（benzoic acid）和 2,3 - 二羟基苯甲酸（2,3-dihydroxy benzoic acid）等。这些代谢产物的发现，证实了联苯降解途径的存在，并且揭示了联苯和苯甲酸降解途径之间的紧密联系。
- 其他代谢途径相关代谢产物：由于联苯是一种非天然碳源，研究人员进一步分析了细菌提取物中的其他代谢产物和代谢途径。结果发现，在联苯培养条件下，MAPB-9 产生了多种不同类型的代谢产物，涵盖有机酸、脂肪酸、糖和氨基酸等。这些代谢产物参与了三羧酸循环（TCA cycle）、乙醛酸循环（glyoxylate cycle）、丙酮酸代谢、丙酸代谢、氨基酸生物合成和脂肪酸代谢等多个重要的代谢过程。
- 代谢途径变化：
- TCA、乙醛酸和二羧酸代谢：GC-MS/MS 分析显示，与对照组相比，在添加联苯的培养基中生长的 MAPB-9，其细胞内代谢产物发生了显著变化。参与 TCA 循环的代谢产物如柠檬酸、异柠檬酸、顺乌头酸等，以及乙醛酸循环中的代谢产物如乙醛酸、琥珀酸等均被检测到。其中，顺乌头酸在联苯存在下显著上调，同时草酸和乙醇酸也明显上调，这表明乙醛酸途径可能是 MAPB-9 应对联苯应激的一种重要反应。
- 水杨酸生物合成：研究发现 MAPB-9 的提取物中含有水杨酸（SA）的衍生物，水杨酸不仅是植物防御激素，在细菌中也参与多种生理过程，并且被报道能够诱导 PCB 降解，这暗示了水杨酸在 MAPB-9 降解联苯过程中可能发挥着重要作用。
- EPS 中的糖部分和单糖代谢产物：FESEM 观察到 EPS 在细胞表面积累，GC-MS/MS 分析在 MAPB-9 提取物中鉴定出了多种糖部分和分子，如岩藻吡喃糖、纤维二糖、蜜二糖、乳糖等。这些物质与生物膜的形成和稳定有关，同时也表明细菌在应激条件下会产生 EPS，有助于降解联苯和 PCBs。
- 发酵产物：在联苯补充培养基中生长的 MAPB-9 提取物中，检测到了多种发酵产物，如乳酸、丙二酸、2,3 - 丁二醇、乙偶姻和丁二酸等。这表明在实验条件下，MAPB-9 可能经历了发酵过程，这也是其应对联苯应激的一种代谢策略。
- 氨基酸代谢：在联苯暴露的细胞中，谷氨酰胺显著上调。谷氨酰胺在氮代谢和应激耐受中起着关键作用，其上调可能是细菌应对联苯应激的一种保护机制。
- 脂肪酸代谢：联苯诱导的应激导致 MAPB-9 总脂质中饱和脂肪酸增加，不饱和脂肪酸减少。主成分分析（PCA）显示，与对照组相比，联苯处理组中饱和脂肪酸的相对丰度更高。这表明细菌通过改变膜脂肪酸组成来适应联苯应激，增强细胞膜的稳定性。
- 代谢物集富集分析：基于 KEGG 数据库的代谢物富集分析表明，在联苯应激条件下，MAPB-9 中乙醛酸和二羧酸代谢以及脂肪酸代谢这两条代谢途径显著富集。这意味着 MAPB-9 在面对联苯应激时，主要通过这两条代谢途径来应对营养应激，维持细胞的正常功能。
综上所述，该研究通过对布鲁氏菌 Anthropi MAPB-9 的细胞形态、代谢组学和代谢途径的深入分析，揭示了其在联苯诱导应激条件下的适应性机制。MAPB-9 能够通过诱导联苯降解酶的合成，将联苯逐步代谢为中间产物，并最终进入 TCA 循环实现完全矿化。同时，乙醛酸和脂肪酸生物合成等代谢途径的上调，也帮助细胞更好地应对联苯带来的营养应激。这项研究为深入理解微生物对有机污染物的代谢响应机制提供了重要依据，有望为土壤中持久性有机污染物的生物修复提供新的策略和方法，对环境科学和生物技术领域的发展具有重要的推动作用。
