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高效降解烟草秸秆的印度不动杆菌LXX12全基因组解析及其多酶协同降解机制
《Scientific Reports》:Degradation capability of Acinetobacter indicus LXX12 on tobacco straw and its whole genome analysis
【字体: 大 中 小 】 时间:2025年04月13日 来源:Scientific Reports 3.8
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本期推荐:研究人员针对烟草秸秆传统处理效率低、污染严重的问题,从贵州烟草种植土壤中分离出高效降解菌株Acinetobacter indicus LXX12。该菌株通过GH3/GH5家族内切葡聚糖酶、AA4/AA6家族氧化还原酶等65个CAZy酶基因形成"骨架解聚-侧链修饰-氧化驱动"协同网络,实现35天内65.7%秸秆失重率,FTIR和SEM证实其同步降解纤维素/半纤维素/木质素能力,为农业废弃物资源化提供新型微生物工具。
烟草秸秆作为烟草种植的副产物,含有35-45%纤维素、15-25%半纤维素和10-20%木质素,传统焚烧或堆肥处理不仅造成资源浪费,还会引发环境污染。虽然已有部分微生物被报道具有降解能力,但兼具高效性、环境适应性和尼古丁耐受性的菌株仍属稀缺。贵州大学烟草学院的研究团队从贵州安顺烟草种植土壤中分离到一株革兰氏阴性菌Acinetobacter indicus LXX12,通过生理生化测试、降解实验和全基因组测序,系统解析了其降解机制,相关成果发表在《Scientific Reports》。
研究采用的主要技术包括:从烟草种植土壤中富集分离菌株,通过CMC-Na培养基初筛和DNS法测定CMCase活性;利用16S rDNA测序和生理生化特征进行菌种鉴定;设置烟草秸秆降解实验(35天周期)并采用SEM观察微观结构变化;通过FTIR分析官能团变化;采用PacBio SMRT技术完成全基因组测序,并运用GO、CAZy和KEGG数据库进行功能注释。
菌株鉴定结果显示,LXX12与A. indicus CIP 110367株A648的16S rDNA相似度达99.78%,但表现出显著表型差异:可在pH6-11、10%盐度、15-44°C条件下生长,且能利用苯甲酸、乙醇等碳源。在烟草秸秆固体培养基上24小时形成1.4cm菌落,显示强尼古丁耐受性。CMCase活性测定显示24小时酶活达65.25 U/mL,显著高于已报道的Bacillus subtilis YC-2(38.65 U/mL)。
降解性能方面,接种LXX12处理35天后烟草秸秆失重率达65.7%,SEM图像显示秸秆表面出现明显塌陷和孔洞结构。FTIR光谱分析揭示1109 cm-1处Si-O键振动峰增强,表明硅化层破坏;1652 cm-1处C振动峰强化证实木质素芳香环氧化断裂,3100-3254 cm-1宽峰提示羟基化衍生物生成。
全基因组分析显示该菌株具有3,372,068 bp环形基因组(GC含量45.35%),预测到3,235个编码基因。CAZy注释发现65个碳水化合物活性酶基因:11个GH家族酶(GH3/GH5内切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶)负责纤维素降解;6个AA家族氧化还原酶(AA3/AA4/AA6家族香草醇氧化酶和1,4-苯醌还原酶)参与木质素修饰;CE3家族乙酰木聚糖酯酶和CBM50底物结合模块。这些酶构成"骨架解聚-侧链修饰-氧化驱动"协同网络,其中AA3家族纤维二糖脱氢酶产生的H2O2可激活过氧化物酶活性。
KEGG通路分析显示,菌株通过苯甲酸降解、糖酵解和TCA循环将木质素衍生物转化为碳源。特别在芳香化合物降解通路中发现22个基因,支持其将复杂有机物分解为TCA循环中间体的能力。
该研究首次报道了具有木质纤维素协同降解能力的Acinetobacter indicus菌株,其耐盐碱(10% NaCl,pH11)和尼古丁耐受特性显著优于传统芽孢杆菌。基因组注释揭示的CAZy酶系统为定向酶工程提供了分子蓝图,特别是AA-GH-CE-CBM多酶协同机制为设计高效降解菌剂提供了新思路。未来研究可聚焦于酶系热稳定性改造或与固氮菌构建合成菌群,以进一步提升农业废弃物工业化处理效率。该成果不仅拓展了不动杆菌属的功能认知,更为生物质资源化提供了兼具理论价值和应用潜力的微生物工具。
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