期刊名：Microorganisms

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/microorganisms

文章标题：Paenibacillus terrisolis sp. nov.: A Novel Strain Isolated from Heavy Metal Polluted Soil

文章链接：https://www.mdpi.com/2076-2607/14/5/1044

背景

随着工业生产和日常生活对金属资源需求的持续增长，重金属污染问题日益突出。铅、锌、镉、锑、锡等重金属在土壤中积累后，不仅会破坏生态系统稳定性，还可能通过食物链迁移，对人类健康造成潜在威胁。传统物理化学修复方法虽能在一定程度上降低污染风险，但往往存在成本较高、操作复杂及二次污染隐患等问题。相比之下，微生物修复因具有低成本、环境友好和可持续等优势，逐渐成为重金属污染治理领域的重要研究方向。

近日，中国地质大学 (北京) 刘兴宇教授、中国科学院微生物研究所姜成英研究员团队在Microorganisms 期刊发表研究论文“Paenibacillus terrisolis sp. nov.: A Novel Strain Isolated from Heavy Metal Polluted Soil”。研究团队从广西某重金属冶炼工业场地土壤中分离获得一株新的兼性厌氧菌株 LXY-3^T，并通过形态学、生理生化、化学分类学及基因组学等多维度分析，确认其代表类芽孢杆菌属的一个新物种。

研究过程与结果

研究团队采集的土壤样品来自长期受重金属污染的工业场地，样品中铅、锌、锑、镉和锡含量均处于较高水平。研究人员将土壤样品经稀释涂布后，在 R2A 培养基上进行分离培养，最终获得菌株 LXY-3T。该菌株在 R2A 固体培养基上培养3天后形成白色、不透明、圆形、表面湿润且边缘较整齐的菌落 (图1)。

图1. 菌株 LXY-3^T的菌落形态、细胞形态及极性脂组成。

显微观察结果显示，LXY-3^T 细胞呈纺锤形，区别于其近缘种 Paenibacillus anaericanus MH21^T 的杆状细胞形态；扫描电镜结果还观察到其鞭毛结构，提示该菌株具有运动能力。极性脂分析表明，该菌株主要含有二磷脂酰甘油、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰甘油等成分，并含有多种未鉴定磷脂和脂类组分 (图1)。

在生理特征方面，LXY-3^T 可在 22–50 °C 范围内生长，最适生长温度为 30 °C；可耐受 pH 5.0–11.0，最适 pH 为 9.0。该菌株对 NaCl 不耐受，显示出其对特定土壤环境的适应特征。通过 Biolog GEN III、API ZYM 和 API 20 NE 等系统分析，研究发现 LXY-3^T 可利用多种碳源，并具有酯酶、半乳糖苷酶、β-葡萄糖苷酶和细胞色素氧化酶等酶活性。

药敏实验显示，LXY-3^T 对部分 β-内酰胺类抗生素表现出抗性，包括头孢唑啉、头孢呋辛钠、头孢他啶和头孢曲松等；对庆大霉素、链霉素等氨基糖苷类抗生素则表现为中等敏感。这些表型特征不仅为菌株分类鉴定提供了补充依据，也可能反映其在污染环境中的适应能力 (图2)。

图2. 菌株 LXY-3^T的抗生素敏感性特征。

系统发育分析进一步支持该菌株的新物种地位。基于 16S rRNA 基因序列的分析显示，LXY-3^T 属于 Paenibacillus 属，其最近缘物种为 Paenibacillus anaericanus MH21^T，相似性为 97.03%，低于常用于物种划分的参考阈值 (图3)。

图3. 基于 16S rRNA 基因序列构建的系统发育树

系统发育树显示，LXY-3^T 与多个 Paenibacillus 属模式菌株聚类，但形成相对独立的分支，说明其在系统发育上具有明确区分度。基因组测序结果显示，LXY-3^T 基因组大小约为5.36 Mb，G+C 含量为51.23 mol%。与近缘模式菌株相比，其平均核苷酸一致性 ANI 最高仅为 75.38%，数字 DNA-DNA 杂交 dDDH 值也显著低于 70% 的物种划分阈值。这些结果从基因组水平充分证明，LXY-3^T 代表 Paenibacillus 属中的一个新物种 (图4)。

图4. 基于全基因组构建的系统发育树。

全基因组系统发育分析进一步确认 LXY-3^T 位于 Paenibacillus 属内，并与已知近缘种形成清晰分化。基因组注释发现 LXY-3^T 含有完整的固氮相关基因簇，包括 nifB、nifE、nifK、nifN、nifV、nifX、nifD 和 nifH 等。进一步将该菌株接种于无氮 Ashby 固体培养基上，观察到菌落周围形成透明圈，表明其能够通过代谢活动参与生物固氮过程 (图5)。

图5. 菌株 LXY-3^T 的固氮基因和细胞运动相关基因。

该菌株不仅携带 nifDKH 等固氮核心基因，还含有与鞭毛装配和运动相关的基因，为其在复杂土壤微环境中的迁移、定殖和生态适应提供了遗传基础。此外，LXY-3^T 基因组中还注释到多种与重金属抗性相关的基因，包括 arsA、arsB、arsC、arsR、katE、ZntA 和 ZntR 等。这些基因可能参与砷、锌等重金属胁迫下的解毒、外排或抗氧化防御过程。重金属抗性与固氮能力的共存，使该菌株在受污染土壤生态系统中具有潜在应用价值。

ANI 分析显示，LXY-3^T 与近缘菌株间的 ANI 值均远低于 95% 的物种界定阈值，为新物种命名提供了关键基因组证据 (图6)。

图6. 菌株 LXY-3T 与近缘菌株的 ANI 热图。

研究总结

本研究通过多相分类学方法确认，分离自广西重金属污染土壤的菌株 LXY-3^T 代表 Paenibacillus 属的一个新物种，并命名为 Paenibacillus terrisolis sp. nov.，模式菌株为 LXY-3^T(= CGMCC 1.64949^T = JCM 37600^T)。

该菌株兼具重金属抗性、运动能力及生物固氮潜力，体现了微生物在极端或受污染环境中的适应策略。其固氮能力可能有助于改善污染土壤中氮素不足的问题，而重金属抗性相关基因则为其在高金属胁迫环境中的存活提供了保障。未来，围绕 LXY-3^T 的金属耐受机制、固氮调控网络及其与植物互作关系开展深入研究，将有助于开发面向重金属污染土壤修复和生态恢复的微生物资源。

通讯作者介绍：

姓名：刘兴宇；姜成英

机构：中国地质大学 (北京)；中国科学院微生物研究所

研究方向：环境微生物、重金属污染土壤微生物适应机制及生态修复等

Microorganisms期刊介绍

主编：Prof. Dr. Nico Jehmlich, UFZ-Helmholtz Centre for Environmental Research, Germany

期刊主题涵盖微生物学的各个研究领域，主要发表环境、植物、食品、肠道、医药、技术等微生物相关领域的学术文章。现已被SCIE (Web of Science)、PubMed (NLM)、Scopus等重要数据库收录。

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