全球土壤中共有120亿吨真菌 (以碳计)，该生物量几乎是细菌的两倍。与原核生物相比，真菌具有较强的抗逆能力和适应极端环境的特性。在近十亿年的进化中，真菌已具备降解有机质、获取磷养分和共生等诸多生物功能。然而，自地球系统进入人类世以来，人工合成有机污染物急剧增加；研究者对真菌降解环境有机污染物及其缓解环境胁迫的机制尚缺乏深入理解。
近日，天津大学余光辉教授课题组与南京农业大学、德国图宾根大学、英国邓迪大学、上海光源和加拿大光源的研究人员合作，探究了真菌-矿物相互作用对有机污染物降解效率、界面过程和调控机制的影响。通过构建模型真菌(木霉)-铁矿物共培养体系，发现纳米生物杂化将双酚A降解效率提升了1倍左右(图1)。基于界面过程表征和原位观察等手段，证实了纳米生物杂化改变了矿物表面晶格氧和氧空位的分子权衡关系、影响了活性氧自由基的形成、进而驱动了有机污染物的降解。利用超薄切片技术结合纳米离子探针(NanoSIMS)高分辨图谱研究了菌-矿的空间分布特征，发现纳米生物杂化体系中真菌通过生物矿化将纳米颗粒镶嵌在菌丝表面的胞外聚合物中，形成了一层100-600nm厚、类似金属-有机框架(MOF)的外壳。该外壳不仅具有强的催化活性，也可能对菌体起到物理保护作用。同步辐射扫描透射软X射线显微成像(STXM)进一步揭示了真菌外壳中铁矿物含量高达5%-10%(图1)。
通过合成不同晶态铁矿物纳米颗粒，发现真菌-矿物相互作用降低了高活性水铁矿的类酶催化活性，却增加了低活性赤铁矿的类酶催化活性，揭示了环境中真菌具有灵活的调控环境胁迫能力。X射线光电子能谱(XPS)揭示，真菌-矿物相互作用降低了水铁矿表面的氧空位比例，而增加了赤铁矿表面的氧空位比例。这些氧空位被矿物表面的羟基占据。此外，赤铁矿类酶催化活性的80%由(001)晶面贡献，而(012)晶面则贡献较少。进一步发现氧空位比例与矿物类酶催化活性呈显著正相关关系，证实了晶格氧和氧空位的分子权衡关系驱动了矿物纳米颗粒的类酶催化活性(图2)。最后，研究团队提出了真菌-矿物协同降解环境中有机污染物的新机制(图3)。
图1. 真菌生物矿化体系中双酚A的降解效率及纳米生物杂化外壳特征
图2. 矿物纳米颗粒表面氧空位决定了其类过氧化物酶催化活性
图3. 提出的真菌-矿物协同降解有机污染物新机制
研究结果不仅对环境中真菌缓解有机污染物胁迫机制具有重要参考价值，也为深入理解场地土壤中真菌介导的有机污染物迁移转化过程提供了新观点和新认识。上述2篇研究成果均发表在环境领域权威期刊《Environmental Science & Technology》。地科院余光辉教授为通讯作者，滕辉教授参与指导了部分研究工作。研究成果得到了国家重点研发计划课题（2020YFC1806803）、国家自然科学基金（41977271和41830859）、上海光源BL08U1、BL02B01、BL014W1线站和加拿大光源10ID-1线站的支持。
文章信息：
1. Zhi-Lai Chi, Guang-Hui Yu*, Andreas Kappler, Cong-Qiang Liu, Geoffrey Michael Gadd. Fungal-mineral interactions modulating intrinsic peroxidase-like activity of iron nanoparticles: Implications for the biogeochemical cycles of nutrient elements and attenuation of contaminants. Environmental Science & Technology, 2022, 56(1): 672–680.
2. Zhi-Lai Chi, Guang-Hui Yu*, H. Henry Teng, Hai-Gang Liu, Jian Wang, Cong-Qiang Liu, Qi-Rong Shen, Geoffrey Michael Gadd. Molecular trade-offs between lattice oxygen and oxygen vacancy drive organic pollutant degradation in fungal biomineralized exoskeletons. Environmental Science & Technology, 2022, 56: 10.1021/acs.est.2c01388.
全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.2c01388和https://doi.org/10.1021/acs.est.1c06596
