镍和铜这两种常见环境共污染物的协同毒性的分子基础

《Applied and Environmental Microbiology》：The molecular basis of the synergistic toxicity of nickel and copper, common environmental co-contaminants

　　镍和铜协同抑制大肠杆菌生长，通过干扰铁硫簇代谢，导致硫代谢途径上调和三羧酸循环改变，揭示了混合重金属毒性机制及对微生物生态系统的潜在威胁。

　　重金属在环境中普遍存在，其来源既包括自然过程，也包括人类活动。镍（Ni）和铜（Cu）是两种常见的共存重金属，常出现在受污染的生态系统中，尤其是在工业废水排放、采矿活动和农业径流影响的区域。尽管许多研究已经探讨了单个重金属对微生物的毒性效应，但在大多数受污染环境中，重金属通常以混合形式存在，而非单独作用。因此，理解重金属混合物对微生物的影响对于评估其对生态系统功能的潜在威胁至关重要。

本研究利用环境相关的浓度，对大肠杆菌（*Escherichia coli*）进行了Ni和Cu的联合毒性分析。结果表明，虽然单个金属对大肠杆菌的生长抑制作用较弱，但它们的组合却表现出协同毒性。通过转录组学和代谢组学分析，我们发现Ni和Cu共同作用时对基因表达和代谢物丰度产生了独特的改变。这些变化主要集中在硫代谢、半胱氨酸合成和三羧酸循环（TCA cycle）等关键代谢通路。值得注意的是，这些反应似乎与铁硫（Fe-S）簇代谢的紊乱密切相关。我们的实验发现，只有在Ni和Cu共同处理的情况下，编码Fe-S簇组装机器的基因才会显著上调。此外，通过生长实验和基因敲除突变体的测试，我们确认了Fe-S簇组装机制在联合金属压力下对细菌存活的重要性。

在联合金属处理中，我们还观察到了硫饥饿反应的激活，这可能与Fe-S簇生物合成过程中对硫的需求增加有关。具体而言，编码半胱氨酸合成酶的*cysK*基因在联合金属处理中表现出显著的表达变化。这一发现表明，硫代谢的扰动可能是Ni和Cu协同毒性的重要机制之一。由于Fe-S簇在微生物界中普遍存在，并且对多种代谢过程至关重要，因此Ni和Cu的常见共存可能构成对广泛微生物群落的潜在威胁，进而影响其维持的生态系统功能。

研究结果揭示了金属混合物对微生物可能产生复杂且不可预测的生理影响。在许多环境中，重金属污染往往不是单一金属的独立作用，而是多种金属的共同影响。因此，进一步研究金属混合物的效应对于准确预测微生物对金属污染的响应具有重要意义。此外，本研究中发现的协同毒性机制，可能为理解其他重金属混合物对微生物的影响提供理论基础。

在研究方法上，我们使用了多种实验手段，包括转录组学分析、代谢组学分析以及突变体生长实验。为了确保实验的准确性，我们使用了标准化的实验设计，涵盖了多种金属处理条件，并在不同时间点对细菌的生长状态进行了监测。我们还通过补充特定的氨基酸或硫源，评估了这些补充物对细菌生长的恢复作用。例如，补充硫胺（cystine）或硫酸盐（sulfate）能够显著改善联合金属处理对细菌生长的抑制效应，而补充谷胱甘肽（glutathione）则在一定程度上促进了细菌的生长。

我们的研究进一步揭示了Fe-S簇在金属毒性中的核心作用。Fe-S簇不仅参与电子传递，还在细胞代谢和基因调控中发挥重要作用。在Ni和Cu共同作用的情况下，Fe-S簇的破坏可能通过两种机制实现：一种是直接损伤已有的Fe-S簇，另一种是抑制新Fe-S簇的合成。这两种机制共同作用，导致Fe-S簇代谢的紊乱，从而影响细胞的正常功能。这一发现为理解重金属对微生物的毒性机制提供了新的视角，尤其是在复杂环境中，金属之间的相互作用可能引发更广泛的生理应激反应。

此外，我们还发现，联合金属处理对TCA循环和甘油酸分流（glyoxylate shunt）的调控产生了显著影响。这些代谢通路的改变可能与细胞在应对重金属压力时的代谢适应有关。例如，某些TCA循环相关基因在联合金属处理下表现出上调或下调，而甘油酸分流的某些关键酶则在特定条件下被激活。这些变化可能反映了细胞在应对重金属压力时的代谢重组，以维持其生存能力。

在对Fe-S簇代谢的影响方面，我们还探讨了某些关键基因的表达变化。例如，IscS、IscU和IscA等基因在联合金属处理下显著上调，而Suf系统相关的基因则没有明显的表达变化。这一现象可能表明，在联合金属压力下，细菌更依赖于ISC系统来维持Fe-S簇的合成。同时，某些基因如*erpA*（负责将Fe-S簇转移至靶蛋白）在联合金属处理下也表现出上调趋势，这进一步支持了Fe-S簇代谢紊乱的假设。

本研究的结果具有重要的环境意义。Ni和Cu的协同毒性不仅影响了大肠杆菌的生长，还可能对更广泛的微生物群落产生影响。由于Fe-S簇在微生物代谢中的普遍性和关键性，Ni和Cu的共同存在可能对多种微生物构成潜在威胁。这提示我们在评估重金属污染对生态系统的影响时，应考虑金属之间的相互作用，而不仅仅是单一金属的毒性效应。

为了验证我们的假设，我们还对一些突变体进行了生长实验。例如，*ΔiscS*、*ΔiscU*和*ΔiscA*等基因的缺失显著影响了细菌在联合金属处理下的生长能力。这些突变体的生长缺陷表明，Fe-S簇的合成和运输对于细菌在联合金属压力下的存活至关重要。此外，我们还发现，某些与Fe-S簇相关的基因，如*iscS*和*iscU*，在单独的Cu处理下也表现出一定的表达变化，这可能意味着Cu在某些情况下也能影响Fe-S簇的稳定性。

综上所述，本研究揭示了Ni和Cu在环境中的协同毒性效应，其机制可能涉及Fe-S簇代谢的紊乱。这一发现不仅深化了我们对重金属对微生物影响的理解，也为评估和预测微生物在复杂金属污染环境中的行为提供了新的思路。未来的研究需要进一步探索金属混合物对其他微生物的影响，以及这些混合物在不同环境条件下的具体作用机制。此外，开发针对重金属污染的更有效的生物修复策略，也应考虑金属之间的相互作用，以提高修复效果并减少对生态系统的影响。