重组阿塞拜疆希旺氏菌（Shewanella azerbaijanica）中铀生物修复功能的提升

铀生物修复中重组与原生Shewanella azerbaijanica的效能对比研究。通过携带关键电子传递基因mtrC的重组菌株与原生菌株对比，发现重组菌株在维持较低活菌数的情况下展现出21%更高的铀去除效率，其机制与代谢负荷及重组蛋白表达增强电子传递相关。XRD和UV-Vis光谱证实铀还原过程，表明重组菌株在重金属生物修复中更具潜力。

埃尔哈姆·拉斯特卡（Elham Rastkhah）、帕尔瓦内·马加米（Parvaneh Maghami）、拉齐耶·加塞米（Razieh Ghasemi）、法埃泽·法蒂米（Faezeh Fatemi） 伊朗德黑兰伊斯兰自由大学科学与研究分部生物系

摘要：

生物修复是一种可持续的生物策略，通过生物体从受污染区域去除有害物质。Shewanella azerbaijanica是一种在金属生物修复中表现出极高效率的细菌。本研究对比了重组（RSh）和野生型（NSh）Shewanella azerbaijanica细菌的生物修复过程。重组菌株保留了mtrC基因，该基因是细胞外电子转移（EET）途径中的关键基因。通过细胞计数和ICP分析评估了这两种菌株的铀生物修复效果。尽管重组菌株的存活细胞数量较少，但其铀去除效率比野生型菌株高出21%，这可能是由于质粒维持和重组蛋白表达增强了电子转移能力，从而促进了铀的还原。XRD和UV-Vis光谱实验进一步证实了重组菌株的铀还原作用。因此，重组菌株被认为是一种有潜力的基因工程菌株，适用于未来的金属生物修复研究。

引言

生物修复是一种经济高效且环保的核废水处理方法（Zaheri, Moheb等，2010）。细菌生物修复被认为是消除受污染环境中各种有害物质（如重金属）的有效手段（Anderson和Lovley，2002；Kulshrestha, Massey等，2014；Pei, Lu等，2022）。Shewanella属在生物技术应用中具有巨大潜力，从废水处理到抗肿瘤分子的生产都有相关研究。随着对细菌生物修复机制认识的深入，Shewanella的应用范围不断扩大。多项研究表明，Shewanella能够在极端环境中利用多种末端电子受体（如重金属）产生能量（Ghasemi, Rastkhah等，2022）。 Shewanella oneidensis MR-1是金属还原研究中的模式菌株（Beliaev, Saffarini等，2001；Singh, Mishra等，2011）。这种兼性厌氧革兰氏阴性菌的外膜能够实现细胞外电子转移（EET），将电子传递给外部电子受体并获取能量（Shi, Chen等，2006；Edwards, White等，2020；Yang, Ju等，2023）。当前研究的野生型菌株Shewanella azerbaijanica（原名Shewanella RCRI7）与Shewanella oneidensis MR-1在16srRNA序列上的相似度为99.1%，由Tarhriz博士在伊朗西北部阿塞拜疆省的Kurugöl季节性湖泊中分离得到（Tarhriz, Mohammadzadeh等，2011；Nouioui, Tarhriz等，2022）。 许多研究表明，Mtr途径是Shewanella电子生成过程中的主要途径（Rastkhah, Fatemi等，2024；Zarei, Ghasemi等，2025）。EET主要包括三种策略：通过Mtr呼吸途径直接传递电子、通过电子穿梭蛋白间接传递电子，以及通过细菌纳米线长距离传递电子（Raya, Militello等，2023）。直接电子转移主要通过细菌细胞表面的外膜多血红素C-Cytochromes与外部受体/供体发生物理接触实现（Kappler, Bryce等，2021）。间接电子转移则通过内源性或外源性电子穿梭蛋白促进细菌与外部电子受体/供体之间的电子传递（Wu, Zhu等，2023；Zhao, Li等，2023）。纳米线被视为帮助电子长距离传递的细胞表面附着物（Munoz-Cupa和Bassi，2024）。 由于电子传递途径的复杂性，关于外膜细胞色素（OMC）的确切作用存在争议，因为这些蛋白质在复杂的电子传递网络中可能具有多种功能（Yu, Lan等，2024）。EET还原酶主要位于Shewanella细菌的周质或外膜中。MtrA和MtrD位于周质中，而MtrB和MtrE则锚定在外膜上。此外，MtrC、MtrF和OmcA也是Mtr呼吸途径中的末端电子受体（Lockwood, Nash等，2024）。Mtr途径包括周质电子转运蛋白（MtrA和MtrD）、膜锚定蛋白（如MtrB和MtrE）以及末端还原酶（MtrC或其同源物OmcA或MtrF）（Hao, Qian等，2024）。 大多数细菌生物修复研究均认为mtrC基因是金属还原途径中的关键基因（Saffarini, Brockman等，2015；Shukla, Hariharan等，2020）。先前的研究中，通过SDM（定点突变）方法将mtrC基因插入napD/B基因之间，以干扰硝酸盐还原途径。通过合成、插入、转化、克隆和蛋白质表达验证了基因改造的效果。此外，还使用了SDS-PAGE、Western blotting、亲和层析、CD和ATR-FTIR等技术验证了重组菌株中mtrC蛋白的表达和结构（Rastkhah, Fatemi等，2024；Ghasemi, Fatemi等，2025）。本研究通过细胞计数和ICP分析评估了重组菌株和野生型菌株在厌氧条件下铀生物修复中的功能表现，并通过XRD和UV-Vis光谱确认了铀的还原过程。这项研究为将重组Shewanella azerbaijanica认定为高效重金属生物修复菌株奠定了基础。

样品制备

本研究调查了重组和野生型Shewanella azerbaijanica细菌在铀生物修复过程中的功能特性。样品制备方法参考了以往的相关研究（Zaheri Abdehvand, Keshtkar等，2017；Zarei, Fatemi等，2023）。如图1所示，本研究中的铀去除过程包括以下步骤：
• 1. 准备样品并使其处于厌氧状态

结果与讨论

微生物用于清除环境中的有害污染物是生物技术领域的一项创新方法（Kim, Ainala等，2016）。Shewanella细菌的呼吸多样性使其能够在多种环境中生存（Hau和Gralnick，2007；Coursolle和Gralnick，2012）。许多厌氧呼吸微生物在氧化有机物质时会产生多余电子，这些电子被传递到细菌细胞表面并用于能量生成。

结论

本研究介绍了一种新型重组Shewanella azerbaijanica菌株，该菌株被改造以携带mtrC基因，该基因在细胞外电子转移途径中起关键作用，并对硝酸盐还原过程进行了优化。比较重组（RSh）和野生型（NSh）菌株后发现，重组菌株在厌氧条件下的铀去除效率显著提高，高出约21%。这一改进表明重组菌株在生物修复方面具有明显优势。

CRediT作者贡献声明

法埃泽·法蒂米（Faezeh Fatemi）：撰写、审稿与编辑、数据可视化、软件使用、资源管理、实验设计、概念构思。 埃尔哈姆·拉斯特卡（Elham Rastkhah）：项目管理、实验方法设计、数据分析。 帕尔瓦内·马加米（Parvaneh Maghami）：实验监督、初稿撰写、结果验证、方法指导、数据管理。 拉齐耶·加塞米（Razieh Ghasemi）：撰写、审稿与编辑、数据验证、实验设计、数据分析。

未引用的参考文献

Alessi等，2014；Anderson等，2003；Beliaev等，2001；Belli等，2015；Bentley等，1990；Carmona-Martínez等，2013；Chen等，2024；Coursolle等，2010；Dong等，2017；Edwards等，2020；Falandysz等，2001；Fredrickson等，2008；Fu等，2018；Ghasemi等，2025；Ghasemi等，2022；Ghasemi等，2023；Gorby等，2006；Hao等，2024；Icenhower等，2010；Kappler等，2021；Khijniak等，2005；Kim等，2016；Kim等，2002。

知情同意

“本研究已获得所有参与者的知情同意。”

利益冲突声明

作者1声明没有利益冲突。 作者2声明没有利益冲突。 作者3声明没有利益冲突。 作者4声明没有利益冲突。

伦理声明

本文未涉及任何作者进行的涉及人类参与者或动物的实验。

数据可用性声明

本研究生成和/或分析的数据集可在[NCBI]数据库中获取（[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene?Db=gene&Cmd=DetailsSearch&Term=1169554]）。

资金支持

本研究未获得任何资助机构的资助。