沈阳生态所在共轭二烯烃厌氧微生物转化研究中取得进展

　　1,3-丁二烯（1,3-Butadiene， BD），作为最简单的共轭二烯烃，被广泛用于橡胶、热塑性树脂及尼龙等合成，其年产量仅在美国就高达10-50亿磅。汽车尾气、烟草烟雾、塑料或橡胶设施附近污染的空气和水是人类接触BD的主要来源。毒理学研究表明长期暴露BD污染环境会出现眼痛、视力模糊、咳嗽以及嗜睡等表现，同时也增加白血病的发病率。国际癌症研究机构（IARC）已将BD列入人类疑似致癌物I类清单。因此，理清BD微生物转化机制有助于正确评估BD全球通量、环境归趋及环境风险。

　　基于此，中国科学院沈阳生态研究所团队成员以河流底泥为接种源，建立了BD厌氧生物转化微宇宙体系。研究发现在产乙酸的条件下，BD发生氢化反应，被快速转化为1-丁烯。细菌16S rRNA 基因的扩增子测序表明产乙酸菌Acetobacterium 随着富集培养代数的增加，其丰度也显著提高（图1和图2）。团队成员利用宏基因测序和生信分析等手段，成功拼装出完成度为94%的Acetobacterium基因组草图。比较基因组及进化分析表明该菌株为威尔氏醋酸杆菌属（Acetobacterium wieringae）下的一株新型菌株，将其命名为菌株N（图3）。菌株N基因组中含有多个编码黄素蛋白氧化还原酶和短链脱氢/还原酶的基因，可能涉及参与BD的厌氧生物氢化；同时该类特殊氢化酶对共轭二烯烃底物具有立体选择性，如仅催化共轭二烯烃中某个双键。本研究首次揭示产乙酸菌Acetobacterium在BD转化中所发挥的潜在重要地位，丰富了我们对Acetobacterium生态功能多样性的认识，且相关氢化酶的基因挖掘也对未来开发高效选择性生物催化剂用于BD到1-丁烯的工业转化提供了重要资源（如替代高成本的非贵金属（Cu、Ni、Co）催化剂）。 

　　以上研究成果以“Biohydrogenation of 1,3-Butadiene to 1？Butene under Acetogenic Conditions by Acetobacterium wieringae”为题，于2023年1月18日发表于Environmental Science & Technology。中国科学院沈阳生态研究所杨毅研究员为第一作者，严俊和杨毅研究员为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中国科学院前沿科学重点研究计划项目及中国科学院沈阳生态所“双碳”重大项目等项目支持。

图1 BD可被底泥和不同代际菌群厌氧转化

图2 不同代际菌群的微生物群落结构对比

图3 菌株N与Acetobacterium属代表性菌株的16S rRNA基因发育进化树