發表期刊：Environment International
影響因子：7.297
發表時間：2019年
合作單位：福建農林大學
百趣代謝組學文獻分享，該文章是BIOTREE協助客戶2019年發表在Environment International上的關于微生物回收重金屬機制研究的一篇文章。由BIOTREE技術支持部的小伙伴Frieda為大家詳細解讀。
1.代謝組學分享—研究背景
百趣代謝組學文獻分享，微生物電化學系統作為一種潛在的環境修復技術, 能通過在電極表面富集微生物形成生物膜, 利用外電路把生物給出的電子傳遞給重金屬離子進行還原, 達到回收金屬的目的?；蛘咄ㄟ^細胞膜表面的細胞色素c 和分泌的氧化還原介體來還原金屬離子。
SgZ-5T（陰溝腸桿菌）作為一種典型的異化金屬還原菌,具有顯著的電化學活性。到目前為止，尚未有研究闡明細胞表面貴金屬Pd（II）外部還原的機制，且微生物如何調節其代謝以及它們是否分泌更多類型的介質
2.代謝組學分享—研究方法
實驗分組：對照組（ Pd(II)-free ）、實驗組（Pd(II)-present）
策略：整合代謝組學、轉錄組學、光譜學和電化學方法闡明Pd（II）還原成Pd（0）的生物回收機制
材料與方法：代謝組學平行樣：6個，轉錄組學平行樣：3個
樣本： 細胞/培養基
檢測平臺： LC/ESI-MS、GC-TOF-MS， Illumina HiSeqTM 2500
數據分析：SIMCA14.1 software package，KOBAS software，R package.
3.代謝組學分享—SgZ-5T特異性還原Pd(II)
Fig. 1.（A）用SgZ-5T培養之前（虛線）和之后（實線）的不同金屬離子的紫外 - 可見光譜; （B）EDS和SEM表征合成Pd顆粒; 還原Pd（II）離子（C）之前和之后（D）的菌的AFM圖像。
前人的研究結果表明，腸桿菌種可以特異生物還原銀離子。因此作者也檢測了SgZ-5T是否可以還原其他金屬離子。SgZ-5T培養后Pd(II)吸光度急劇下降，Au(III)和Ag(I)的吸光度略有下降，其他金屬離子無明顯變化，說明SgZ-5T可以特異還原Pd(II)（圖1A）。SEM成像顯示懸浮Pd顆粒呈桿狀結構，細胞表面未見Pd納米棒，表明Pd(II)在細胞外被還原并與細胞分離（圖1B）。與還原前相比，細胞表面更光滑，表明細胞代謝在暴露于Pd(II)時發生了變化（圖1C-D）。
4.代謝組學分享—光譜學和電化學方法表征
Fig.2.市售的Pd / C和生物合成的Pd，Pd 3d核外電子層（A，B），C 1s核外電子層（C）和O 1s核外電子層（D）的XPS光譜。
采用XPS（X-ray photoelectron spectromete，X射線光電子能譜儀）合成的Pd。 商業合成的Pd觀察到Pd / C為342.1,340.6,336.9和335.4eV峰,表示化學鍵Pd-（OH）X（3d 3/2），Pd（0）（3d 3/2），Pd-（OH）X（3d 5/2）和Pd（0）（3d 5/2）（圖2A）。這些峰的出現是由于通過空氣氧化Pd（0）得到的。生物合成的Pd納米棒具有兩個峰，在340.4和335.2eV（圖2B），證實Pd（II）是由SGZ-5T還原成Pd（0）。生物合成的Pd納米棒的C 1s譜可以分裂成三個峰值分別為285.6,284.6和283.2 eV，可能是Pb表面結合了C=C,C-O-C和C-H功能團，這些可能來源于微生物的分泌物：自肽聚糖和其他物質。這些XPS結果表明生物合成的Pd納米棒的表面有豐富的各種功能團，SgZ-5T可以特異性地將Pd（II）還原為Pd（0）。
這就是提出了關于SgZ-5T如何將電子轉移到Pd（II）離子上的問題。
圖3.（A）差分脈沖檢測；（B）在還原Pd（II）離子之前和之后干燥的SgZ-5T細胞的FTIR光譜
觀察到細胞的氧化還原形成的電位在還原Pd（II）后，發生正向移位（圖3A），這些現象可能是Pd（II）誘導下細胞氧化還原能力發生了的變化。1657和1536 cm-1，這與蛋白質的酰胺I和酰胺II振動相關，1400和1241 cm-1處，-與νs（-OCO）和ν（C-O）分別在蛋白質中細胞色素c的拉伸振動有關，兩個細胞之間的唯一區別是，在Pd（II）離子減少后，SgZ-5T的中心區域以1400 cm-1為中心被分成兩個帶（1412和1384 cm-1）（圖3B中的頂部插圖））。 這兩條帶在1412和1384cm-1處出現，這些都歸因于質子化羧基的νs（-OCO）伸展振動。 這一發現符合上述DPV結果。Pd(II)誘導下細胞代謝發生改變。這些顯著差異均證實了SgZ-5T通過調節代謝和外膜蛋白來降低Pd(II)的結論。
5.代謝組學分享—雙介質的發現
圖4.（A）空白SgZ-5T和SgZ-5T-Pd上清液中的裸GC電極的DPV;（B）加3.33μM HQ的DPV比較圖; （C）SgZ-5T上清液和HQ標準品的GC-TOF / MS;（D）加3.33μM RF后的DPV比較圖; （E）SgZ-5T-Pd上清液和核黃素標準品（100nM）的LC色譜圖
SgZ-5T-Pd上清液的氧化還原的電流是明顯高于SgZ-5T上清液的（圖4A）。當3.33μM氫醌(HQ)添加到SgZ-5T上層清液,氧化還原峰電位0.16/0.056 V的電流密度顯著增加，表明HQ 由菌株分泌（圖4B）。 而SgZ- 5T-Pd上清液中未檢出HQ，預測HQ可能被吸附到生物合成物Pd表面（圖4C）。當3.33μM核黃素（RF）加入SgZ-5T-Pd上層清液，大幅增加氧化還原電位?0.39/0.60V的電流密度，而SgZ-5T上層清液添加時無明顯變化,結果表明在SgZ-5T-Pd上清液中存在RF,在Pd(II)誘導下細菌可以分泌RF（圖4D-E）。
圖5. 無介質，單介質和雙介質作用下的紫外吸光度
在3.33 μM HQ, 3.33 μM RF及混合液中Pd(II)的吸光度未發生明顯變化，表明HQ和/或RF與Pd (II)在水中沒有化學反應。細胞存在下， Pd (II)吸光度發生變化，最終降至0.54，添加3.33 μM HQ, 3.33 μM 及混合液后后吸光度減少，表明高濃度的Pd (II)減少， HQ和RF可以提高Pd(II)的還原速率。
6.代謝組學分享—代謝組學
圖6. 差異代謝物的pathway顯著性分析（A）；機制簡化示意圖（B）
Pd(II)誘導SgZ-5T后，包括丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝在內的10個代謝通路變化最為顯著，大部分氨基酸及其衍生物的濃度較高，導致其他代謝和生物合成途徑的變化（圖6A）。
厭氧條件下6-磷酸葡萄糖酸、核酮糖-5-磷酸、核糖體-5-磷酸、果糖-6-磷酸和RF的豐度顯著增加，表明Pd(II)誘導對RF合成的影響顯著（圖6B）。
7.代謝組學分享—轉錄組學
圖7. 差異基因的KEGG顯著性分析（A）；機制簡化示意圖（B）
差異基因富集的通路主要涉及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝等，與代謝分析中相應的氨基酸含量升高結果相一致（圖7A）。
編碼谷胱甘肽- HQ還原酶合酶的基因yqiG表達未見明顯變化，說明該生物還原過程對HQ合成酶的影響不大。而編碼核黃素合酶的ribE表達則被上調，再次表明Pd(II)誘導對RF合成的影響顯著（圖7B）。
8.代謝組學分享—結論
SgZ-5T可以在細胞外空間將Pd (II)還原為Pd納米棒。根據DPVs和原位FTIR光譜結果，SgZ-5T采用不同的外膜氧化還原體系降低Pd(II)。
當暴露于Pd（II）時，細菌分泌的雙介質HQ和核黃素（RF）有利于Pd的生物回收。對于理解金屬生物恢復過程和天然生物地球化學過程具有重要意義。
參考文獻：Le-Xing You, Dan-Mei Pan, Nian-Jia Chen,et al.Extracellular electron transfer of Enterobacter cloacae SgZ-5T via bimediators for the biorecovery of palladium as nanorods[J]. Environment International,2019(1-9).