第一作者：Jie Zhang

通讯作者：李艳红（桂林理工大学）

全文速览：

氧化铁@生物炭(FeO/C)促进细菌生长，促进电子转移，从而有效促进奈登希瓦氏菌MR-1 (S. oneidensis MR-1)对马拉硫磷的降解。本研究通过代谢组学和蛋白质组学的结合分析，阐明了FeO/ c增强S. oneidensis MR-1降解马拉硫磷的潜在机制。降解实验的动力学拟合结果表明，0.1 g/L FeO/C对马拉硫磷的降解效果最显著。扫描电镜和激光扫描共聚焦显微镜观察以及生理生化分析表明，FeO/C增强了马拉硫磷胁迫下S.oneidensis MR-1的生长和氧化反应。此外，代谢组学和蛋白质组学分析显示，某些与电子转移相关的代谢物(如辅酶)增加，蛋白质(包括辅酶A、sdhD和petC)上调。综上所述，光谱分析表明，FeO/C中Fe³⁺被S. oneidensis MR-1还原后的Fe²⁺促进了S. oneidensis MR-1中的电子转移，从而促进了马拉硫磷的降解。本研究为有效去除马拉硫磷污染物提供了增强策略。

研究亮点：

1. FeO/C的存在使得S.oneidensis MR-1对马拉硫磷的去除率提高了27%。

2. 在马拉硫磷胁迫下，FeO/C能促进S. oneidensis MR-1的生长，减轻其氧化损伤。

3. 本文阐明了FeO/C增强S. oneidensis MR-1对马拉硫磷清除能力的过程。

研究背景：

近年来，世界面临着日益严重的环境污染问题，其中农业废弃物污染尤为严重。马拉硫磷是一种剧毒有机磷杀虫剂，广泛应用于农业和公共卫生领域，用于控制蚊子、苍蝇和蚜虫等各种害虫，是造成这一问题的重要原因。长期或过量使用马拉硫磷离子会导致其过量残留在农业土壤、水和空气中。这种积累会破坏土壤微生物、水生生物和陆地生态系统的平衡，从而对生态系统产生不利影响。它还会污染生活用水。面对这种情况，传统的物理和化学技术已被用于去除硫离子污染物，但这些方法的不足点在于只是富集硫离子污染物，或者是需要复杂的材料制备工艺和高昂的成本。微生物降解利用微生物的独特特性来处理持久性有机污染物(POPs)，再加上马拉硫磷具有许多易感位点，使其成为处理马拉硫磷污染物的理想方法。例如，从深海湿热区沉积物中分离到的伪homiensis didiomarina菌株FG2和伪didiomarina sp.菌株CB1已被鉴定为马拉硫磷降解剂。藻类菌群在曝气或不曝气条件下都能将马拉硫磷污染物降解为无机磷物质，从而最大限度地减少对环境的危害。特别是，大肠杆菌不仅能够降解马拉硫磷，而且利用降解产物作为其唯一的碳源。因此，微生物降解可被认为是一种可行的处理马拉硫磷污染物的方法。

图文分析：

图1   有无FeO/ C降解马拉硫磷后S. oneidensis MR-1的残留浓度(a)、去除率(b)、伪一级(c)、伪二级(d)动力学拟

图2   SEM和LSCM观察图像:(a)和(d)表示S. oneidensis MR-1， (b)表示S. oneidensis MR-1 +FeO/C， (e)表示S. oneidensis MR-1 +马拉硫磷，(C)和(f)表示S. oneidensis MR-1 +FeO/C+马拉硫磷

图3 FeO/C和FeO/ C+S的FTIR (a)、XRD (b)、XPS光谱(c)和马拉硫磷降解前后的MR-1(d)

图4 细胞密度和总蛋白含量(a)、氧化物质(b)[包括ROS(10⁵)和MDA(10⁻¹ μmol/L)]、抗氧化酶(c)[包括SOD(10⁻¹ mgprot/mL)和CAT (U/mL)]和atp酶(d)[包括Na+/K+- atp酶和Ca²⁺/Mg²⁺- atp酶]在存在和不存在FeO/ C的情况下(p < 0.05)

图5 代谢物的主成分分析(a)、正交信号校正和偏最小二乘判别分析(b)、前20位代谢物的百分比堆叠图(c)和所起的生物学作用(d)

图6 无FeO/C (a)和有FeO/C (b)情况下，S. oneidensis MR-1的ORA富集分析和拓扑分析:横坐标为ORA分析p值，蓝色区域(虚线右侧)显著(p < 0.05);纵坐标为拓扑分析影响

图7 鉴定结果统计图(a)、差异蛋白火山图(b)、亚细胞结构定位图(a)和差异表达蛋白的结构域注释(b)

图8 差异表达蛋白的基因本体注释图(a)和功能分类图(b)

图9 马拉硫磷降解过程综述

结论：

实验结果表明，浓度为0.1 g/L的FeO/C显著增强了S. oneidensis MR-1对马拉硫磷的降解。SEM和LSCM观察表明，FeO/C为S. oneidensis MR-1的生长创造了最佳环境，同时也减轻了马拉硫磷对细胞膜的损伤。光谱分析表明，Fe²⁺在强化FeO/C中起关键作用。生理生化分析表明，FeO/C不仅促进了S. oneidensis MR-1的生长，而且提高了其对硫离子胁迫的抗逆性。代谢组学分析显示，添加FeO/C后，脂质、肽、维生素和辅酶代谢产物显著增加。此外，与氧化还原过程和氧化还原酶活性相关的代谢途径显着增强。蛋白质组学分析表明，在FeO/C的影响下，与生物膜形成和电子转移相关的蛋白质被上调。综上所述，FeO/C通过促进S. oneidensis MR-1的生长和S. oneidensis MR-1将Fe³⁺还原为Fe²⁺提高电子传递效率，从而增强了对马拉硫磷污染物的降解。该研究可为今后在代谢和蛋白表达水平上加强对马拉硫磷污染物的去除提供理论基础。

文章信息：

Zhang, J., et al. Combined metabolomics and proteomics to reveal the mechanism of S. oneidensis MR-1 degradation malathion enhanced by FeO/C

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.135162.