尼古丁降解菌（Pseudomonas sp.）耐受尼古丁胁迫的代谢机理研究

本项目拟用代谢组学方法研究假单胞菌内源性代谢过程对尼古丁胁迫的动态应答。代谢组学虽已广泛应用于环境毒理学研究，但针对微生物的毒理学研究还鲜见报道。尼古丁是环境中普遍存在的一种氧化压力因子，现已分离到多种尼古丁降解菌，其中假单胞菌HF-1降解尼古丁的能力尤为显著。该菌株是如何抵御尼古丁的氧化伤害而实现对尼古丁的降解？据报道抗氧化酶起到了消除氧化伤害的作用，但对细菌响应环境变化起着重要调节作用的内源性小分子代谢物是否在消除尼古丁伤害方面发挥作用仍不甚清楚。为此我们拟将高灵敏度核磁共振波谱法检测和多变量模式识别分析相结合，采用假单胞菌和大肠杆菌模型，比较研究尼古丁降解菌和非降解菌在不同浓度尼古丁胁迫下其内源性代谢组的变化差异，及其代谢轨迹随时间的变化规律，旨在揭示尼古丁降解菌在受到尼古丁胁迫时有别于非降解菌的特殊响应机制。研究结果将为高效利用尼古丁降解菌消除尼古丁污染、维护生态安全提供理论依据。

尼古丁是环境中普遍存在的一种氧化压力因子，假单胞菌HF-1能高效降解尼古丁。本项目对降解菌（假单胞菌HF-1）和非降解菌（大肠杆菌HB101）在抵御尼古丁胁迫的代谢机理方面作了比较研究。结果表明，对E. coli而言，尼古丁一方面可促进糖酵解和混合酸发酵，同时抑制三羧酸循环活性；另一方面改变了胆碱代谢，降低了甜菜碱的合成，同时提高了二甲胺的产量。此外，尼古丁还引起氨基酸水平下降和核苷酸的合成变化。正是这些代谢变化最终导致了尼古丁处理后的E. coli细胞密度下降。但是对可降解尼古丁的Pseudomonas sp. HF-1而言，该菌表现出复杂的渗透调节能力和多种抗氧化策略来响应尼古丁的氧化压力，尼古丁处理的结果反而增强了胞内核苷酸的生物合成，与此同时葡萄糖的分解代谢降低，琥珀酸的累积增加。而琥珀酸作为HF-1菌株降解尼古丁的代谢产物之一累积在细胞中。因此，通过上述结果可以看出，Pseudomonas sp. HF-1之所以能抵御尼古丁的氧化压力，主要是由于菌体内存在能成功抗氧化和渗透适应的代谢防御机制，不仅维持了胞内的渗透平衡，而且消除了负氧阴离子自由基，使得胞内没有出现缺氧和受氧化压力损伤的现象。此外，外源海藻糖能显著提高胞内腐胺和谷氨酸水平，同时可降低海藻糖、麦芽糖和琥珀酸的累积，降低抗氧化酶对尼古丁胁迫的敏感性。外源海藻糖显著缓解了尼古丁对HF-1菌株代谢的干扰。本项目研究结果揭示了细菌在响应尼古丁胁迫时的代谢反应以及尼古丁降解菌有别于非降解菌的特殊代谢响应机制。