基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)在微生物降解PAHs中的應(yīng)用

孔德康 王紅旗 許潔 劉自力 吳梟雄

（北京師范大學(xué)水科學(xué)學(xué)院，北京 100875）

綜述與專論

基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)在微生物降解PAHs中的應(yīng)用

孔德康 王紅旗 許潔 劉自力 吳梟雄

（北京師范大學(xué)水科學(xué)學(xué)院，北京 100875）

基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分，是近年來發(fā)展出來的新興學(xué)科。隨著生命科學(xué)的研究進(jìn)入了多組學(xué)時代，基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)得到了迅猛發(fā)展，被廣泛應(yīng)用在環(huán)境微生物學(xué)的各個研究領(lǐng)域，并成為研究PAHs微生物降解中不可或缺的重要手段。主要闡述了3大組學(xué)在微生物降解PAHs內(nèi)在機(jī)理及代謝通路中的最新研究進(jìn)展，并展望了3大組學(xué)在多環(huán)芳烴微生物降解機(jī)制中的應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)。

多環(huán)芳烴；微生物；基因組學(xué)；蛋白質(zhì)組學(xué)；代謝組學(xué)

1 基因組學(xué)

基因組學(xué)是研究生物基因組以及如何利用基因的一門學(xué)問，涉及了基因作圖、測序和整個基因組功能的分析，它是其他組學(xué)的基礎(chǔ)［8-9］。常用的微生物基因組學(xué)技術(shù)有土壤微生物總DNA提取、PCRDGGE技術(shù)、宏基因組學(xué)、基因芯片等，而穩(wěn)定性同位素標(biāo)記（SIP）技術(shù)往往與這些技術(shù)結(jié)合［10］。

通過對于PAHs污染土壤中微生物基因組學(xué)的研究，能夠?qū)到饩M(jìn)行鑒定，同時對和PAHs降解有關(guān)的編碼基因和質(zhì)粒進(jìn)行鑒定。Song等［11］利用DNA-SIP和T-RLFP技術(shù)對森林土壤中能夠降解蒽、菲和熒蒽的細(xì)菌進(jìn)行分析，結(jié)果認(rèn)為菲降解菌屬于鞘氨醇單胞菌，蒽降解菌為Rhodanobacter屬，而熒蒽降解菌屬酸桿菌門。同時，Jones等［12］也通過PLFA-SIP技術(shù)發(fā)現(xiàn)鞘脂單胞菌與土壤中菲的降解有關(guān)。Gutierrez 等［13］通過結(jié)合SIP技術(shù)與培養(yǎng)方式的改變來鑒定深海PAHs的降解菌。在13C富集的細(xì)菌DNA文庫中最主要的序列被鑒定為解環(huán)菌屬，同時，他們從瓜伊馬斯流域沉積物中分離鑒定了Halomonas、Thalassospira和Lutibacterium sp.等具有PAHs降解能力的菌屬。Pathak等［14］對紅球菌M213進(jìn)行了全基因組測序及注釋，共得到8 680個編碼基因，其中G+C含量為66.72%。通過生物信息學(xué)分析、代謝分析等方法，鑒定了一些可能通過特殊途徑參與菲降解的質(zhì)粒與編碼基因。

根據(jù)每種細(xì)菌特定基因豐度的變化，基因組學(xué)能夠?qū)ν寥牢⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)的改變進(jìn)行檢測，同時通過一些特定的檢測來鑒定PAHs降解有關(guān)的酶。Li等［15］利用DNA-SIP首次發(fā)現(xiàn) Kouleothrix 和Sandaracinobacter直接與土壤中的菲降解有關(guān)，同時參與菲代謝過程的PAHs雙加氧酶基因在13C重分餾中被檢測出來，通過對其PCR分析及其代謝產(chǎn)物、其它酶的分析，認(rèn)為這兩種細(xì)菌主要是通過β-ketoadipate途徑對菲進(jìn)行代謝降解。Zafra等［16］通過宏基因組學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)通過接種PAHs降解菌，污染土壤的微生物多樣性有明顯的變化，功能宏基因組的結(jié)果顯示基因豐度向更加利于PAHs礦化的方向進(jìn)行改變。Fang等［17］通過DGGE的方法研究鹽度對微生物生物多樣性和兩種萘雙加氧酶基因的影響。隨著鹽度從0.1%逐漸增加到20%，生物降解菲的效率越來越差，生物多樣性越來越差，但是雙加氧酶在不同濃度的降解中始終占據(jù)主導(dǎo)作用。在Zhao等［18］的研究中，通過使用PCR-DGGE以及基因芯片的應(yīng)用，對加入一定濃度菲的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)改變進(jìn)行了探究發(fā)現(xiàn)，在28 d培育后，Phenylobacterium成為低濃度菲土壤中的優(yōu)勢菌，Sphingomonas是中濃度菲土壤中的優(yōu)勢菌，而在高濃度菲的土壤中，發(fā)現(xiàn)Burkholderia為優(yōu)勢菌種。在菲污染脅迫下新出現(xiàn)的優(yōu)勢土壤細(xì)菌群落，可能對菲降解有重要作用。

2 蛋白質(zhì)組學(xué)

蛋白質(zhì)組學(xué)是對所有表達(dá)蛋白功能的研究［19］，是生命科學(xué)研究的一個熱點問題。比較蛋白質(zhì)組學(xué)是檢測在不同的條件下差異表達(dá)蛋白的豐度，通過比較表達(dá)上調(diào)或表達(dá)下調(diào)的蛋白來分析生物的調(diào)節(jié)機(jī)制與代謝途徑［20-21］。認(rèn)識蛋白質(zhì)水平的微觀過程和機(jī)理，可以更好地理解多環(huán)芳烴生物修復(fù)的理論支持和實踐指導(dǎo)。

雙向電泳技術(shù)（Two-dimensional electrophoresis，2-DE）是等電聚焦電泳和SDS-PAGE的組合，根據(jù)pI和分子大小的不同先后進(jìn)行等電聚焦電泳與SDSPAGE，經(jīng)染色得到二維分布的蛋白質(zhì)圖［22］。通過比較不同條件蛋白質(zhì)圖的變化，找到相關(guān)的蛋白點，最后通過對相關(guān)蛋白的鑒定與功能分析，來對微生物的降解過程進(jìn)行分析。Lee 等［23］利用2-DE技術(shù)研究了鞘氨醇單胞菌DJ77暴露在菲、萘和聯(lián)苯時表達(dá)蛋白的變化。分別暴露于這3種物質(zhì)時，表達(dá)量均有改變的蛋白點共10個，在上調(diào)的蛋白中，雙加氧酶、脫氫酶及水解酶都參與了多環(huán)芳烴降解的過程。Wei 等［24］使用2-DE技術(shù)對短芽孢桿菌暴露于菲的蛋白質(zhì)進(jìn)行了分析，13種蛋白的表達(dá)增加，而有10種蛋白的表達(dá)下降。對這些差異表達(dá)的蛋白質(zhì)進(jìn)行鑒定，結(jié)果表明它們參與了多種生物過程，包括能量代謝、生物合成、跨膜轉(zhuǎn)運和氧化應(yīng)激。Lee等［25］利用1-D PAGE、2-DE及nano-LC-MS/MS技術(shù)發(fā)現(xiàn)，分枝桿菌JS14降解熒蒽過程中的25個表達(dá)增加的相關(guān)蛋白，并且根據(jù)蛋白質(zhì)組學(xué)所研究識別的酶提出這種細(xì)菌的熒蒽降解途徑。Liu等［26］研究了鞘氨醇單胞菌GY2B在有無表面活性劑吐溫80的情況下降解菲時蛋白的差異表達(dá)，結(jié)果表明吐溫80可以調(diào)節(jié)細(xì)胞膜上的離子運輸（如H+），為菲跨膜運輸提供驅(qū)動力（ATP），從而提高菲的吸收和生物降解。此外，吐溫80還可以促進(jìn)GY2B的生長，從而促進(jìn)菲的生物降解。這項研究有助于更好地了解調(diào)節(jié)表面活性劑增強(qiáng)多環(huán)芳烴生物降解的機(jī)制。

同位素標(biāo)記相對和絕對定量（Isobaric tags for relative and absolute quantitation，iTRAQ）技術(shù)，是一種新的、功能強(qiáng)大的可同時對8種樣品進(jìn)行絕對和相對定量研究的方法，這種方法是建立在iTRAQ試劑的基礎(chǔ)上。相比于2-DE技術(shù)，iTRAQ技術(shù)能夠發(fā)現(xiàn)更多數(shù)量和種類的差異蛋白，同時操作上不需要凝膠，因而更加方便與精確。Yun等［27］結(jié)合1DE-MudPIT和iTRAQ技術(shù)發(fā)現(xiàn)，惡臭假單胞菌KT2440降解苯甲酸過程中的107個差異蛋白。52個上調(diào)蛋白與苯甲酸降解酶、趨化作用和ABC轉(zhuǎn)運有關(guān)，而55個下調(diào)蛋白與氮代謝和丙酮酸鹽代謝有關(guān)。Liu等［28］利用iTRAQ技術(shù)發(fā)現(xiàn)假單胞菌SJTD-1降解正十八烷的過程中，為了適應(yīng)正十八烷的條件，SJTD-1的物質(zhì)運輸、代謝能力與能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換功能發(fā)生了巨大的變化。Carvalho和Lettieri［29］研究了硅藻暴露于苯并芘（BaP）后蛋白質(zhì)的表達(dá)量變化，iTRAQ的數(shù)據(jù)顯示脂質(zhì)代謝和硅化過程參與了BaP的降解過程，同時也推斷出了硅藻降解BaP的其他代謝通路，如DNA甲基化和光合作用。

除了2-DE和iTRAQ技術(shù)，蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)還有Label-free、穩(wěn)定同位素標(biāo)記以及基于DIGE的蛋白質(zhì)分析方法等，它們在PAHs降解菌蛋白變化的檢測方面也有很好的應(yīng)用，如Herbst等［30］利用34S穩(wěn)定同位素定量標(biāo)記氨基酸（SULAQ34）的方法來研究在熒光假單胞菌ATCC17483萘降解相關(guān)的蛋白質(zhì)的變化，同時也發(fā)現(xiàn)了一種特殊的氧化應(yīng)激反應(yīng)。

3 代謝組學(xué)

代謝組學(xué)是對生物體內(nèi)所有代謝物進(jìn)行定量分析，是關(guān)于生物體系內(nèi)源代謝物質(zhì)種類、數(shù)量及其變化規(guī)律的科學(xué)，能夠為人們進(jìn)一步了解相關(guān)代謝途徑及其變化提供關(guān)鍵的信息。代謝組直接反映了細(xì)胞的生理狀態(tài)，它是細(xì)胞變化和表型之間相互聯(lián)系的核心，研究生物內(nèi)源性代謝物質(zhì)及其與內(nèi)在或外在因素的互作，并尋找代謝物與生理變化的相對關(guān)系，是系統(tǒng)生物學(xué)的組成部分［31-32］。

微生物代謝組學(xué)的研究往往要經(jīng)過樣品制備，代謝物的檢測、分析及鑒定，數(shù)據(jù)處理及分析等過程。其中最重要的過程是代謝物的檢測分析與鑒定，方法有質(zhì)譜和核磁共振（Nuclear magnetic resonance，NMR）。由于NMR的靈敏度很難同時檢測到微生物體系中濃度差異較大的代謝物，因此人們常用的方法是通過各種手段的質(zhì)譜來進(jìn)行代謝物監(jiān)測分析［33］。

利用代謝組學(xué)的方法，可以對微生物代謝產(chǎn)物進(jìn)行鑒定，甚至根據(jù)代謝產(chǎn)物而對細(xì)菌進(jìn)行鑒別。Bean等［34］利用了全二維氣相色譜-飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC×GC-TOFMS）對銅綠假單胞菌PA14培養(yǎng)基頂空的揮發(fā)性代謝物圖譜進(jìn)行了鑒定，共發(fā)現(xiàn)了包括了醇類、醛類、酮類、功能性苯類及芳香分子等28 種新的揮發(fā)性物質(zhì)，使發(fā)現(xiàn)的PA14代謝過程產(chǎn)生的揮發(fā)物數(shù)量增加了1倍。Samelis等［35］采用傅立葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy）獲得了傳統(tǒng)希臘Graviera奶酪中乳酸菌胞外代謝物的紅外光譜圖，并結(jié)合16S rRNA 的限制性內(nèi)切酶片段長度多態(tài)性（Restriction fragment length polymorphism，RFLP）技術(shù)和單鏈構(gòu)象多態(tài)性（Single-strand conformation polymorphism，SSCP） 技術(shù)實現(xiàn)了對乳酸菌的鑒定。

根據(jù)代謝產(chǎn)物的變化，并結(jié)合一些相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，如KEGG、Metlin、BiGG Models、GMD等，能夠?qū)ξ⑸锝到釶AHs的代謝通路進(jìn)行研究分析。Ghosal 等［36］通過使用HPLC與GC-MS，第一次提出了不動桿菌AGAT-W降解苊、苊烯的完整代謝通路。Zhong等［37］的研究表明鞘氨醇單胞菌MP9-4對菲和1-甲基菲（1-MP）展現(xiàn)了良好的降解性能。MP9-4對1-MP的降解途徑與MP9-4對菲的降解途徑相同。此外，1-MP還可以通過甲基氧化來降解。這項研究擴(kuò)大了我們對烷基化多環(huán)芳烴代謝途徑的了解，同時也顯示了MP9-4對烷基化多環(huán)芳烴污染環(huán)境強(qiáng)大的生物修復(fù)潛力。

4 多組學(xué)聯(lián)用和其他相關(guān)技術(shù)

事實上，如今很多研究都是將不同組學(xué)的方法進(jìn)行聯(lián)用，旨在對微生物的降解過程有一個更加全面的認(rèn)識。Zhao等［38］利用高通量宏基因組學(xué)與GC-MS的方法確定了微生物群落動態(tài)和代謝中間體，提出了熒蒽降解共代謝網(wǎng)絡(luò)，并且計算出了各種微生物的降解貢獻(xiàn)率。分枝桿菌貢獻(xiàn)了多數(shù)環(huán)雙加氧酶和環(huán)裂解酶，而Diaphorobacter貢獻(xiàn)了絕大多數(shù)的脫氫酶。研究首次在復(fù)雜微生物群落中提出了共代謝網(wǎng)絡(luò)，為人們在復(fù)雜微生物群落中了解每一種微生物降解PAHs的能力及其在群落中的功能提供了寶貴的經(jīng)驗。同時，通過蛋白質(zhì)組學(xué)獲得的蛋白，往往會將蛋白的信息上傳到KEGG Pathway數(shù)據(jù)庫來對代謝過程進(jìn)行分析。Xu等［39］聯(lián)用iTRAQ和LCMS/MS技術(shù)研究惡臭假單胞菌SJTE-1降解雌激素17β-estradiol（多環(huán)芳烴屬于雌激素類似物）時蛋白的變化量，同時通過將蛋白數(shù)據(jù)上傳到COG數(shù)據(jù)庫進(jìn)行功能分析，GO富集分析以及Pathway代謝通路分析，對SJTE-1降解17β-estradiol的代謝過程有了更清楚的了解。

對于某些特定基因的驗證，往往會使用實時定量基因擴(kuò)增熒光檢測（RT-qPCR）進(jìn)行實驗。.Han等［40］認(rèn)為農(nóng)業(yè)廢棄物的添加顯著提高了PAHs降解基因（pdo1和NaH）的豐度。Vandera等［20］利用RT-qPCR對編碼環(huán)加氧酶終端亞基（Asphe3_40070）的基因rhd1αh以及編碼苯丙酸雙加氧酶小亞基的基因rhd1β進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)在只有菲為碳源的情況下，這兩個基因的表達(dá)比在葡萄糖的情況下高出40倍。Khara 等［41］檢驗了鞘氨醇單胞菌PNB的6種環(huán)烴基化酶基因在菲、聯(lián)苯、琥珀酸條件下的表達(dá)差異，相比于琥珀酸條件，PNB在菲條件下的nahD、ahdC和xylE基因被發(fā)現(xiàn)過表達(dá)，而在聯(lián)苯條件下只有catA過表達(dá)。利用RT-qPCR技術(shù)揭示芳香基因在PNB中的過表達(dá)，為人們探究降解基因復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制提供了一個直觀的方法。

5 結(jié)語

基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)經(jīng)過接近30年的高速發(fā)展，已經(jīng)在生命科學(xué)的多個領(lǐng)域取得了輝煌的成就。這些組學(xué)的單獨應(yīng)用和聯(lián)合運用促進(jìn)了人們對生命現(xiàn)象的理解。對于PAHs微生物修復(fù)而言，這3大組學(xué)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，并取得了一些突破性的成果。當(dāng)然，目前3大組學(xué)在微生物降解PAHs污染土壤的應(yīng)用研究還處在較為初級的階段。一方面，所研究的PAHs僅是一些低環(huán)的容易降解的多環(huán)芳烴，對于高環(huán)的難降解的PAHs的研究還較少；另一方面，基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和的代謝組學(xué)的應(yīng)用還較為簡單，對于降解PAHs微生物的基因、蛋白質(zhì)、代謝物的探究只是冰山一角，對于更深層次的內(nèi)在機(jī)理與它們之間的聯(lián)系尚不明確。

轉(zhuǎn)錄組學(xué)是從RNA水平研究基因表達(dá)的情況，即一個活細(xì)胞所能轉(zhuǎn)錄出來的所有RNA的總和，是研究細(xì)胞表型和功能的一個重要手段。對PAHs降解菌的應(yīng)用，目前僅停留在建庫的目的上，而對于微生物在轉(zhuǎn)錄水平和蛋白質(zhì)水平上的差異以及它們之間的關(guān)聯(lián)分析的研究還比較少，今后的研究可以在轉(zhuǎn)錄組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)的相互關(guān)系上有所著重。蛋白結(jié)構(gòu)的突變、基因-蛋白之間的相互作用以及蛋白-蛋白之間的相互作用，與微生物的許多功能、生理狀態(tài)有關(guān)，更是解決相關(guān)科學(xué)問題的最終鑰匙。蛋白質(zhì)交互作用主宰了活體細(xì)胞內(nèi)幾乎所有的生化反應(yīng)，廣泛參與了生物化學(xué)、量子化學(xué)、分子動力學(xué)、訊息傳遞等代謝或遺傳活動。關(guān)于PAHs降解過程中特定蛋白質(zhì)交互作用的研究同樣可以是今后研究的一個方向。作為環(huán)境工作者，應(yīng)當(dāng)努力拓寬眼界，將各種組學(xué)技術(shù)尤其是蛋白相關(guān)技術(shù)合理地運用到相關(guān)的科學(xué)問題中來，以便更好地促進(jìn)環(huán)境保護(hù)工作的發(fā)展。

［1］Dubrovskaya E, Pozdnyakova N, Golubev S, et al. Peroxidases from root exudates of Medicago sativa and Sorghum bicolor：Catalytic properties and involvement in PAH degradation［J］. Chemosphere,2017, 169：224-232.

［2］Liu SH, Zeng GM, Niu QY, et al. Bioremediation mechanisms of combined pollution of PAHs and heavy metals by bacteria and fungi：A mini review［J］. Bioresour Technol, 2017, 224：25-33.

［3］Tian W, Zhao J, Zhou Y, et al. Effects of root exudates on gel-beads/reeds combination remediation of high molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbons［J］. Ecotoxicol Environ Saf, 2017, 135 ：158-164.

［4］Zhao OY, Zhang XN, Feng SD, et al. Starch-enhanced degradation of HMW PAHs by Fusarium sp. in an aged polluted soil from a coal mining area［J］. Chemosphere, 2017, 174 ：774-780.

［5］Jiang J, Liu H, Li Q, et al. Combined remediation of Cdphenanthrene co-contaminated soil by Pleurotus cornucopiae and Bacillus thuringiensis FQ1 and the antioxidant responses in Pleurotus cornucopiae［J］. Ecotoxicol Environ Saf, 2015, 120 ：386-393.

［6］Lee H, Jang Y, Lee YM, et al. Enhanced removal of PAHs by Peniophora incarnata and ascertainment of its novel ligninolytic enzyme genes［J］. J Environ Manage, 2015, 164 ：10-18.

［7］方翔, 曾偉偉, 王慶, 等. 基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)在水產(chǎn)科學(xué)中的應(yīng)用［J］. 動物醫(yī)學(xué)進(jìn)展, 2015,36（7）：108-112.

［8］Marin AJ. Sequecing your genome：What does it mean？［J］.Methodist Debakey Cardiovasc J, 2014, 10（1）：3-6.

［9］Barbosa EG, Aburjaile FF, Ramos RT, et al. Value of a newly sequenced bacterial genome［J］. World J Biol Chem, 2014, 5（2）：161-168.

［10］劉娟, 高彥征. 第六屆全國環(huán)境化學(xué)大會暨環(huán)境科學(xué)儀器與分析儀器展覽會摘要集［C］. 上海：土壤化學(xué), 2011.

［11］Song M, Jiang L, Zhang D, et al. Bacteria capable of degrading anthracene, phenanthrene, and fluoranthene as revealed by DNA based stable-isotope probing in a forest soil［J］. J Hazard Mater,2016, 308：50, 57.

［12］Jones MD, Crandell DW, Singleton DR, et al. Stable-isotope probing of the polycyclic aromatic hydrocarbon-degrading bacterial guild in a contaminated soil［J］. Environ Microbiol, 2011, 13（10）：2623-2632.

［13］Gutierrez T, Biddle JF, Teske A, et al. Cultivation-dependent and cultivation-independent characterization of hydrocarbon-degrading bacteria in Guaymas Basin sediments［J］. Front Microbiol, 2015,6：695.

［14］Pathak A, Chauhan A, Blom J, et al. Comparative genomics and metabolic analysis reveals peculiar characteristics of Rhodococcus opacus strain M213 particularly for naphthalene degradation［J］.PLoS One, 2016, 11（8）：e0161032.

［15］Li J, Luo C, Song M, et al. Biodegradation of phenanthrene in polycyclic aromatic hydrocarbon-contaminated wastewater revealed by coupling cultivation-dependent and -independent approaches［J］. Environ Sci Technol, 2017, 51（6）：3391-3401.

［16］Zafra G, Taylor TD, Absalon AE, et al. Comparative metagenomic analysis of PAH degradation in soil by a mixed microbial consortium［J］. J Hazard Mater, 2016, 318：702-710.

［17］Fang T, Pan R, Jiang J, et al. Effect of salinity on community structure and naphthalene dioxygenase gene diversity of a halophilic bacterial consortium［J］. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2016, 10（6）：16.

［18］Zhao H, Zhang Y, Xiao X, et al. Different phenanthrene-degrading bacteria cultured by in situ soil substrate membrane system and traditional cultivation［J］. International Biodeterioration &Biodegradation, 2017, 117：269-277.

［19］Tyers M, Mann M. From genomics to proteomics［J］. Nature,2003, 422（6928）：193-197.

［20］Vandera E, Samiotaki M, Parapouli M, et al. Comparative proteomic analysis of Arthrobacter phenanthrenivorans Sphe3 on phenanthrene, phthalate and glucose［J］. J Proteomics, 2015,113：73-89.

［21］Kim SJ, Kweon O, Cerniglia CE. Proteomic applications to elucidate bacterial aromatic hydrocarbon metabolic pathways［J］. Curr Opin Microbiol, 2009, 12（3）：301-309.

［22］Jain A, Singh A, Singh S, et al. Comparative proteomic analysis in pea treated with microbial consortia of beneficial microbes reveals changes in the protein network to enhance resistance against Sclerotinia sclerotiorum［J］. J Plant Physiol, 2015, 182：79-94.

［23］Lee SY, Sekhon SS, Ban YH, et al. Proteomic analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons（PAHs）degradation and detoxification in Sphingobium chungbukense DJ77［J］. J Microbiol Biotechnol,2016, 26（11）：1943-1950.

［24］Wei K, Yin H, Peng H, et al. Characteristics and proteomic analysis of pyrene degradation by Brevibacillus brevis in liquid medium［J］. Chemosphere, 2017, 178：80-87.

［25］Lee SE, Seo JS, Keum YS, et al. Fluoranthene metabolism and associated proteins in Mycobacterium sp. JS14［J］. Proteomics,2007, 7（12）：2059-2069.

［26］Liu S, Guo C, Dang Z, et al. Comparative proteomics reveal the mechanism of Tween80 enhanced phenanthrene biodegradation by Sphingomonas sp. GY2B［J］. Ecotoxicol Environ Saf, 2017,137：256-264.

［27］Yun SH, Park GW, Kim JY, et al. Proteomic characterization of the Pseudomonas putida KT2440 global response to a monocyclic aromatic compound by iTRAQ analysis and 1DE-MudPIT［J］. J Proteomics, 2011, 74（5）：620-628.

［28］Liu H, Sun WB, Liang RB, et al. iTRAQ-based quantitative proteomic analysis of Pseudomonas aeruginosa SJTD-1：A global response to n-octadecane induced stress［J］. J Proteomics, 2015,123：14-28.

［29］Carvalho RN, Lettieri T. Proteomic analysis of the marine diatom Thalassiosira pseudonana upon exposure to benzo（a）pyrene［J］. BMC Genomics, 2011, 12：159.

［30］Herbst FA, Taubert M, Jehmlich N, et al. Sulfur-34S stable isotope labeling of amino acids for quantification（SULAQ34）of proteomic changes in Pseudomonas fluorescens during naphthalene degradation［J］. Molecular & Cellular Proteomics, 2013, 12（10）：2060-2069.

［31］Léonie MR, Bas T, David B, et al. A functional genomics strategy that uses metabolome data to reveal the phenotype of silent mutations［J］. Nature Biotechnology, 2001, 19（1）：45-50.

［32］Palsson B. Metabolic systems biology［J］. FEBS Lett, 2009, 583（24）：3900-3904.

［33］席曉敏, 張和平. 微生物代謝組學(xué)研究及應(yīng)用進(jìn)展［J］. 食品科學(xué), 2016, 37（11）：：283-289.

［34］Bean HD, Dimandja JM, Hill JE. Bacterial volatile discovery using solid phase microextraction and comprehensive two-dimensional gas chromatography-time-of-flight mass spectrometry［J］. J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci, 2012, 901：41-46.

［35］Samelis J, Bleicher A, Delbès-Paus C, et al. FTIR-based polyphasic identification of lactic acid bacteria isolated from traditional Greek Graviera cheese［J］. Food Microbiology, 2011, 28（1）：76-83.

［36］Ghosal D, Dutta A, Chakraborty J, et al. Characterization of the metabolic pathway involved in assimilation of acenaphthene in Acinetobacter sp. strain AGAT-W［J］. Res Microbiol, 2013, 164（2）：155-163.

［37］ Zhong J, Luo L, Chen B, et al. Degradation pathways of 1-methylphenanthrene in bacterial Sphingobium sp. MP9-4 isolated from petroleum-contaminated soil［J］. Mar Pollut Bull, 2017, 114（2）：926-933.

［38］Zhao JK, Li XM, Ai GM, et al. Reconstruction of metabolic networks in a fluoranthene-degrading enrichments from polycyclic aromatic hydrocarbon polluted soil［J］. J Hazard Mater, 2016,318：90-98.

［39］Xu J, Zhang L, Hou J, et al. iTRAQ-based quantitative proteomic analysis of the global response to 17β-estradiol in estrogendegradation strain Pseudomonas putida SJTE-1［J］. Scientific Reports, 2017, 7：41682.

［40］Han X, Hu H, Shi X, et al. Effects of different agricultural wastes on the dissipation of PAHs and the PAH-degrading genes in a PAH-contaminated soil［J］. Chemosphere, 2017, 172 ：286-293.

［41］Khara P, Roy M, Chakraborty J, et al. Functional characterization of diverse ring-hydroxylating oxygenases and induction of complex aromatic catabolic gene clusters in Sphingobium sp. PNB［J］.FEBS Open Bio, 2014, 4：290-300.

Applications of Genomics，Proteomics and Metabolomics in Microbial Degradation of PAHs

KONG De-kang WANG Hong-qi XU Jie LIU Zi-li WU Xiao-xiong
（College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875）

Genomics，proteomics and metabolomics are important components of systemic biology，which are the emerging disciplines developed in recent years. With the development of life sciences，genomics，proteomics and metabolomics have been developing rapidly，and widely used in various fields of environmental microbiology，and become an indispensable part of studying polycyclic aromatic hydrocarbons（PAHs）microbial degradation. In this paper，the latest research progresses on the mechanisms of microbial degradation of PAHs and the metabolic pathways in three disciplines are reviewed，and the application prospects and challenges of the three disciplines in the PAHs biodegradation are discussed.

PAHs；microorganism；genomics；proteomics；metabolomics

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017-0368

多 環(huán) 芳 烴（Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）在我們的環(huán)境中無處不在，對生物具有致畸、致癌、致突變的危害。由于PAHs的溶解度低，疏水性強(qiáng)和難降解性，它們在環(huán)境中能夠累計到很高的濃度［1］。近年來，通過細(xì)菌和真菌修復(fù)PAHs污染土壤的技術(shù)已被廣泛開發(fā)［2］。惡臭假單胞菌、鮑曼不動桿菌、鐮刀菌、蘇云金桿菌及真菌P.incarnata等在修復(fù)PAHs污染土壤中都表現(xiàn)出了很好的修復(fù)能力［3-6］。然而，我們對微生物降解PAHs的內(nèi)在機(jī)理，包括控制PAHs降解相關(guān)的基因，一些關(guān)鍵蛋白的表達(dá)變化，PAHs降解的代謝通路等仍一知半解。隨著生命科學(xué)的研究進(jìn)入了多組學(xué)時代，基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)的相關(guān)技術(shù)有了迅猛的發(fā)展［7］。這些技術(shù)為我們探究微生物降解PAHs的內(nèi)在機(jī)理提供了很好的工具與方法，幫助我們更好的利用微生物來對污染土壤進(jìn)行治理。

2017-05-08

國家自然科學(xué)基金項目（41372232）

孔德康，男，碩士研究生，研究方向：多環(huán)芳烴污染土壤修復(fù)；E-mail：505682192@qq.com

王紅旗，男，博士，研究方向：地下水污染治理，環(huán)境科學(xué)；E-mail：whongqi@126.com

（責(zé)任編輯 狄艷紅）