1.  AQDS促进重金属生物转化的途径及强化解毒机制

重金属在环境中的迁移转化行为和生态毒性效应往往受到微生物活动和其他共存污染物的影响。在很多地区的土壤中硒往往与镉、铜、铬等重金属共存并能显著减轻其生物毒性，因此被认为是一种有效的重金属“解毒剂”，但人们对其协同解毒机制以及在复杂环境介质中的生物转化行为仍缺乏深入认识。我们以一株典型的异化金属还原菌希瓦氏菌为模式微生物，从分子水平揭示了其摄入和定向转化铜、硒生成金属纳米颗粒的协同解毒机制，并且发现了AQDS（一种腐殖质模式物）通过改变外膜蛋白活性中心配位环境和界面电荷分布进而实现铜-硒胞外协同解毒的调控新机制。该工作进一步深化了人们对复杂环境中重金属生物解毒过程和毒性效应的认识，提出了对腐殖质-金属-微生物相互作用的新见解，对重金属污染的治理、生态风险控制及资源化转化等都具有重要指导意义。成果发表在Environmental Science & Technology (2022, 56, 13786−13797)。

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2.  新型细菌-材料杂合体的快速构建及光-生物协同催化产氢应用

由细菌与半导电纳米材料组成的耦合体系可有效协同光催化材料优异的光吸收能力和菌体的污染物代谢能力和自我繁殖能力，从而同步利用太阳能和废水中的化学能驱动各种可再生能源与化学品的绿色合成。然而，现有生物-光催化材料复合体主要利用体外人工合成的半导体材料来构建，普遍存在光电子利用效率低、抑制细胞活性和难以再生循环利用等问题，从而限制了其实际应用。针对这一挑战，我们提出了利用细胞自组装合成的金属纳米材料原位构建可再生细胞-材料复合体的新策略，以大肠杆菌为模式菌在无氧条件下高效胞内合成了硒化镉量子点（合成速率比常规好氧生物合成体系提高了两个数量级），进而自发形成了高活性的菌-量子点复合体，其在可见光下的光催化产氢量子效率高大28.7%，优于现有的所有菌-材料复合体。另外，证实了该复合体应用于实际废水处理和同步光催化产氢的可行性。该研究成果对于推动纳米材料生物合成技术的发展和指导细菌-材料复合体系的优化构建及在能源、环境等领域的应用具有重要意义。成果发表在Nanoscale (2022,14, 8409-8417)。

3. 新型基因编辑工具的开发及微生物胞外还原铀的分子机制解析

地杆菌是一类具有独特胞外电子传递能力的“电活性”环境微生物，在自然界多种元素的生物地球化学循环、环境生物修复以及绿色能源生产等过程都发挥重要作用。然而，当前人们对于这类菌复杂的电子传递网络仍知之甚少并且相关研究依然存在巨大争议，因此亟须开发更有效的分析研究方法。我们针对硫还原地杆菌的特点开发了一套简单、高效、可精准编辑胞外电子传递相关基因的胞嘧啶碱基编辑技术(pYYDT-BE)。该系统融合了胞嘧啶脱氨酶、Cas9 切口酶和尿嘧啶糖基化酶抑制剂，具有 100% 的单基因编辑效率，并且可用于精准编辑多种地杆菌全基因组中87.7%-93.4%基因；利用这一新的技术手段对地杆菌的胞外电子传递网络进行了深入解析，从生物分子水平阐明了其导电菌毛和外膜细胞色素C在长距离胞外电子传递过程中的共同作用机制，并揭示了其分别参与铀和亚硒酸盐还原过程的电子传递关键蛋白。该工作进一步深化了人们对地杆菌胞外电子传递与污染物转化过程的认识，对指导电活性菌工程改造和推动其在环境治理、资源循环和绿色能源生产等领域的实际应用具有重要意义。成果发表在Environmental Science & Technology2022 56 (17):12247-12256。

4. 增塑剂促进抗生素抗性基因水平转移

邻苯二甲酸酯作为增塑剂被广泛用于塑料制品的制造和加工过程中。然而，邻苯二甲酸酯很容易从塑料中释放并在水生和陆地环境中逐渐积累。值得注意的是，水生、土壤环境和动物肠道也含有丰富的微生物，其将不可避免地受到共存的增塑剂的影响，并且可能带来未知的环境和健康后果。尽管塑料和微生物之间的直接相互作用已经得到了深入研究，但到目前为止，塑料通过释放的增塑剂可能产生的间接生物影响仍不清晰。我们深入研究了增塑剂对环境微生物中抗生素耐药基因（ARGs）传播的影响。研究发现环境相关浓度的邻苯二甲酸二甲酯（一种模式增塑剂）显著提高了质粒介导的抗生素抗性基因在废水微生物群落中的水平转移。邻苯二甲酸酯直接与膜脂质相互作用并间接刺激ROS生成诱导细菌氧化应激和SOS反应。这些变化共同导致膜通透性增加和接合转移相关基因表达上调，最终加速质粒携带的多重耐药基因的水平转移。这项研究提供了邻苯二甲酸酯-细菌相互作用的基础知识，拓宽了我们对塑料的环境和生态风险的理解并为控制抗生素抗性基因的环境传播提供了理论依据。成果发表在Environmental Science & Technology 2023, 57, 17, 6876–6887。