发表期刊：Environment International
影响因子：7.297
发表时间：2019年
合作单位：福建农林大学
百趣代谢组学文献分享，该文章是BIOTREE协助客户2019年发表在Environment International上的关于微生物回收重金属机制研究的一篇文章。由BIOTREE技术支持部的小伙伴Frieda为大家详细解读。
1.代谢组学分享—研究背景
百趣代谢组学文献分享，微生物电化学系统作为一种潜在的环境修复技术, 能通过在电极表面富集微生物形成生物膜, 利用外电路把生物给出的电子传递给重金属离子进行还原, 达到回收金属的目的。或者通过细胞膜表面的细胞色素c 和分泌的氧化还原介体来还原金属离子。
SgZ-5T（阴沟肠杆菌）作为一种典型的异化金属还原菌,具有显著的电化学活性。到目前为止，尚未有研究阐明细胞表面贵金属Pd（II）外部还原的机制，且微生物如何调节其代谢以及它们是否分泌更多类型的介质以完成Pd（II）的生物还原的机制仍然未知。本研究的目的是从参与的介质和微生物代谢途径中阐明Pd（II）到Pd（0）的生物回收机制。
2.代谢组学分享—研究方法
实验分组：对照组（ Pd(II)-free ）、实验组（Pd(II)-present）
策略：整合代谢组学、转录组学、光谱学和电化学方法阐明Pd（II）还原成Pd（0）的生物回收机制
材料与方法：代谢组学平行样：6个，转录组学平行样：3个
样本： 细胞/培养基
检测平台： LC/ESI-MS、GC-TOF-MS， Illumina HiSeqTM 2500
数据分析：SIMCA14.1 software package，KOBAS software，R package.
3.代谢组学分享—SgZ-5T特异性还原Pd(II)
Fig. 1.（A）用SgZ-5T培养之前（虚线）和之后（实线）的不同金属离子的紫外 – 可见光谱; （B）EDS和SEM表征合成Pd颗粒; 还原Pd（II）离子（C）之前和之后（D）的菌的AFM图像。
前人的研究结果表明，肠杆菌种可以特异生物还原银离子。因此作者也检测了SgZ-5T是否可以还原其他金属离子。SgZ-5T培养后Pd(II)吸光度急剧下降，Au(III)和Ag(I)的吸光度略有下降，其他金属离子无明显变化，说明SgZ-5T可以特异还原Pd(II)（图1A）。SEM成像显示悬浮Pd颗粒呈杆状结构，细胞表面未见Pd纳米棒，表明Pd(II)在细胞外被还原并与细胞分离（图1B）。与还原前相比，细胞表面更光滑，表明细胞代谢在暴露于Pd(II)时发生了变化（图1C-D）。
4.代谢组学分享—光谱学和电化学方法表征
Fig.2.市售的Pd / C和生物合成的Pd，Pd 3d核外电子层（A，B），C 1s核外电子层（C）和O 1s核外电子层（D）的XPS光谱。
采用XPS（X-ray photoelectron spectromete，X射线光电子能谱仪）合成的Pd。 商业合成的Pd观察到Pd / C为342.1,340.6,336.9和335.4eV峰,表示化学键Pd-（OH）X（3d 3/2），Pd（0）（3d 3/2），Pd-（OH）X（3d 5/2）和Pd（0）（3d 5/2）（图2A）。这些峰的出现是由于通过空气氧化Pd（0）得到的。生物合成的Pd纳米棒具有两个峰，在340.4和335.2eV（图2B），证实Pd（II）是由SGZ-5T还原成Pd（0）。生物合成的Pd纳米棒的C 1s谱可以分裂成三个峰值分别为285.6,284.6和283.2 eV，可能是Pb表面结合了C=C,C-O-C和C-H功能团，这些可能来源于微生物的分泌物：自肽聚糖和其他物质。这些XPS结果表明生物合成的Pd纳米棒的表面有丰富的各种功能团，SgZ-5T可以特异性地将Pd（II）还原为Pd（0）。
这就是提出了关于SgZ-5T如何将电子转移到Pd（II）离子上的问题。
图3.（A）差分脉冲检测；（B）在还原Pd（II）离子之前和之后干燥的SgZ-5T细胞的FTIR光谱
观察到细胞的氧化还原形成的电位在还原Pd（II）后，发生正向移位（图3A），这些现象可能是Pd（II）诱导下细胞氧化还原能力发生了的变化。1657和1536 cm-1，这与蛋白质的酰胺I和酰胺II振动相关，1400和1241 cm-1处，-与νs（-OCO）和ν（C-O）分别在蛋白质中细胞色素c的拉伸振动有关，两个细胞之间的唯一区别是，在Pd（II）离子减少后，SgZ-5T的中心区域以1400 cm-1为中心被分成两个带（1412和1384 cm-1）（图3B中的顶部插图））。 这两条带在1412和1384cm-1处出现，这些都归因于质子化羧基的νs（-OCO）伸展振动。 这一发现符合上述DPV结果。Pd(II)诱导下细胞代谢发生改变。这些显著差异均证实了SgZ-5T通过调节代谢和外膜蛋白来降低Pd(II)的结论。
5.代谢组学分享—双介质的发现
图4.（A）空白SgZ-5T和SgZ-5T-Pd上清液中的裸GC电极的DPV;（B）加3.33μM HQ的DPV比较图; （C）SgZ-5T上清液和HQ标准品的GC-TOF / MS;（D）加3.33μM RF后的DPV比较图; （E）SgZ-5T-Pd上清液和核黄素标准品（100nM）的LC色谱图
SgZ-5T-Pd上清液的氧化还原的电流是明显高于SgZ-5T上清液的（图4A）。当3.33μM氢醌(HQ)添加到SgZ-5T上层清液,氧化还原峰电位0.16/0.056 V的电流密度显著增加，表明HQ 由菌株分泌（图4B）。 而SgZ- 5T-Pd上清液中未检出HQ，预测HQ可能被吸附到生物合成物Pd表面（图4C）。当3.33μM核黄素（RF）加入SgZ-5T-Pd上层清液，大幅增加氧化还原电位−0.39/0.60V的电流密度，而SgZ-5T上层清液添加时无明显变化,结果表明在SgZ-5T-Pd上清液中存在RF,在Pd(II)诱导下细菌可以分泌RF（图4D-E）。
图5. 无介质，单介质和双介质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)的吸光度未发生明显变化，表明HQ和/或RF与Pd (II)在水中没有化学反应。细胞存在下， Pd (II)吸光度发生变化，最终降至0.54，添加3.33 μM HQ, 3.33 μM 及混合液后后吸光度减少，表明高浓度的Pd (II)减少， HQ和RF可以提高Pd(II)的还原速率。
6.代谢组学分享—代谢组学
图6. 差异代谢物的pathway显著性分析（A）；机制简化示意图（B）
Pd(II)诱导SgZ-5T后，包括丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢在内的10个代谢通路变化最为显著，大部分氨基酸及其衍生物的浓度较高，导致其他代谢和生物合成途径的变化（图6A）。
厌氧条件下6-磷酸葡萄糖酸、核酮糖-5-磷酸、核糖体-5-磷酸、果糖-6-磷酸和RF的丰度显著增加，表明Pd(II)诱导对RF合成的影响显著（图6B）。
7.代谢组学分享—转录组学
图7. 差异基因的KEGG显著性分析（A）；机制简化示意图（B）
差异基因富集的通路主要涉及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢等，与代谢分析中相应的氨基酸含量升高结果相一致（图7A）。
编码谷胱甘肽- HQ还原酶合酶的基因yqiG表达未见明显变化，说明该生物还原过程对HQ合成酶的影响不大。而编码核黄素合酶的ribE表达则被上调，再次表明Pd(II)诱导对RF合成的影响显著（图7B）。
8.代谢组学分享—结论
SgZ-5T可以在细胞外空间将Pd (II)还原为Pd纳米棒。根据DPVs和原位FTIR光谱结果，SgZ-5T采用不同的外膜氧化还原体系降低Pd(II)。
当暴露于Pd（II）时，细菌分泌的双介质HQ和核黄素（RF）有利于Pd的生物回收。对于理解金属生物恢复过程和天然生物地球化学过程具有重要意义。
参考文献：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).