乳酸菌降解亞硝酸鹽和反硝化細菌亞硝酸鹽還原酶結構研究進展

唐闊，王衛，吉莉莉，張利，韓煦，趙志平,*

(1.四川輕化工大學 化學工程學院，四川 自貢 643000；2.成都大學肉類加工四川省重點實驗室，成都 610106)

1 概述

亞硝酸鹽是常見的食品添加劑，其主要功能是抑制食物中病原菌的繁殖，如腸道沙門氏菌、鼠傷寒沙門氏菌、李斯特菌屬和肉毒桿菌，增強抗氧化性，改善肉制品的顏色和風味[1]。但是，過量使用會導致血紅蛋白(二價鐵)不可逆地轉化為血流中的高鐵血紅蛋白(三價鐵)，導致血紅蛋白交換氧的能力受到嚴重損害，從而干擾體內的氧運輸系統，對孕婦和嬰兒的危害尤其嚴重[2]。更為嚴重的是，亞硝酸鹽還可以與胃中的仲胺和酰胺亞硝化反應生成可致癌的N-亞硝胺[3]。目前，降解亞硝酸鹽的方法有物理降解法、化學降解法和微生物降解法。微生物降解法比物理降解法和化學降解法更為高效、健康。

2 乳酸菌降解亞硝酸鹽

乳酸菌與反硝化細菌一樣，也能產亞硝酸鹽還原酶，對亞硝酸鹽具有較強的降解作用。Paik等[4]發現泡菜中的短乳桿菌KGR3111、彎曲乳桿菌KGR2103、植物乳桿菌KGR5105和清酒乳桿菌KGR4108均能產生亞硝酸還原酶，具有耐受和降解亞硝酸鹽的能力。食品中最有效降解亞硝酸鹽的微生物是乳酸菌，主要包括植物乳桿菌、短乳桿菌、腸膜明串球菌、啤酒片球菌、乳酸糞鏈球菌等[5]。同時，乳酸菌可以產乳酸，能抑制亞硝酸鹽還原菌的生長，從而抑制亞硝酸鹽再生。Liu等[6]發現用產細菌素Y31的屎腸球菌(Enterococcusfaecium)Y31發酵白菜比自然發酵白菜的速度更快，乳酸菌群數量更多，細菌素Y31產量更高，雜菌數量更少，且能降低發酵液中亞硝酸根含量。Xia等[7]從傳統泡菜中分離得到一株高效降解亞硝酸鹽的短乳桿菌AR123，在6%鹽濃度下，短乳桿菌AR123迅速降低了泡菜的pH值，72 h后泡菜中亞硝酸鹽的殘留量僅為0.83 mg/kg。陳曦等[8]研究發現，貴州自然發酵的酸肉中分離出的植物乳桿菌CMRC3、戊糖片球菌CMRC7和植物乳桿菌CMRC19菌株，在模擬肉類發酵的條件下，發酵120 h后分別降解了65.7%～86.3%的亞硝酸鹽，且具有較好耐受硝酸鹽和亞硝酸鹽的能力。

2.1 乳酸菌降解亞硝酸鹽機理

科研工作者對乳酸菌降解亞硝酸鹽的機制做了大量的研究，普遍認為乳酸菌降解亞硝酸鹽主要依靠亞硝酸還原酶和酸性環境(pH<4.0)。乳酸菌在發酵過程中會產生亞硝酸鹽還原酶，使其具備降解亞硝酸鹽的能力。1990年，Wolf等[9]對乳酸菌中亞硝酸鹽還原的機制做了大量研究，通過研究70株乳酸菌的亞硝酸還原酶活性，發現有兩種類型參與此活動。I型存在于植物乳桿菌、戊糖乳桿菌和戊糖片球菌中，其活性依賴血紅素，氨是唯一的產物；II型機制與血紅素無關，可將亞硝酸鹽還原為NO和N2O。2014年，Liu等[10]用電子捕獲-氣相色譜(EC-GC)法和靛酚藍染色研究干酪乳桿菌鼠李糖亞種(Lactobacilluscaseisubsp.rhamnosus)6013的亞硝酸鹽降解途徑，發現亞硝酸鹽降解產物含有N2O，但沒有NH4+，周質空間中NiR的酶活性是細胞質中的2.5倍，其研究證明了LCR 6013可以通過NiR有效降解酸洗發酵系統和MRS培養基中的亞硝酸鹽。亞硝酸鹽被LCR 6013菌株降解，可能通過反硝化路徑NO2-→NO→N2O→N2進行降解，而不是銨形成途徑(異化硝酸鹽還原為銨，DNRA)，因為降解產物含有N2O，但不含NH4+。Zeng等[11]用iTRAQ蛋白質組學對在100,300,500 mg/L亞硝酸鈉濃度下培養的發酵乳桿菌RC4進行了分析，鑒定出31，87，190個差異表達的蛋白質(DEPs)，其中24,57,109個表達上調，730，81個表達下調。基因本體和KEGG分析表明，adhE和lpdA參與碳水化合物代謝，cysK與氨基酸代謝相關，nirB與氮代謝有關；fabI和accD與脂質代謝相關，并且參與核苷酸代謝的gsK顯著差異表達。作者推斷發酵乳桿菌RC4可能涉及亞硝酸鹽降解的各種機制，包括碳水化合物、氨基酸、脂質、核苷酸和氮代謝途徑。大量研究均顯示乳酸菌含有亞硝酸鹽還原酶，這也最能解釋乳酸菌能降解亞硝酸鹽。但乳酸菌亞硝酸鹽還原酶降解亞硝酸鹽確切機制還需進一步研究。

在發酵后期，由于乳酸菌代謝產生大量的酸使發酵體系的pH<4.0，亞硝酸鹽還原酶的活性受到抑制，亞硝酸鹽的降解就由酶降解轉為酸降解。與其他很多細菌一樣，乳酸菌為了能夠抵抗脅迫環境進化出調控系統，全局調控因子對胞內基因進行調控，形成一個龐大的代謝調控網絡。韋文喆[12]以植物乳桿菌FQR為研究對象，初步探討了降解亞硝酸鹽關鍵酶基因(NiRs)與全局調控因子LuxS、HK4、RR4、HK5、RR5、HK6、RR6在不同pH條件下的相關性，從全局調控因子層面分析了乳酸菌降解亞硝酸鹽機制。結果表明，酸脅迫NiR和全局調控因子之間相關性酸脅迫下，隨著pH值上升，FQR的亞硝酸鹽降解率逐漸上升，NiRs酶活呈先上升后下降的趨勢，NiR與全局調控因子基因表達量均出現不同程度的上升。LuxS、HK6、RR6相對表達量極顯著大于空白actin組(p<0.01)，HK4、RR4、HK5、RR5基因的相對表達量均顯著大于空白actin組(p<0.05)，NiR與其他基因無顯著性關系(p>0.05)；NiR酶活在pH 4～6范圍內呈先上升后下降的趨勢。王一茜等[13]通過對幾種常見乳酸菌降解亞硝酸鹽機理進行探討，發現Lactobacillusplantarum具有NiR基因，能在環境有NO2-的誘導下產生NiR。當環境pH>4.5時，主要是在NiR作用下分解亞硝酸鹽，但L.plantarum屬于同型乳酸發酵，產酸能力較強，能快速使環境pH<4.5，從而迅速進入NO2-被H+降解的階段。此外，作者還發現L.rhamnosus不含NiR基因，但其卻能降解亞硝酸鹽，作者推導其原因為L.rhamnosus產酸能力較強，其降解NO2-機理，可能主要是酸降解。酸降解亞硝酸鹽的原因可能是酸性發酵環境抑制了雜菌的生長繁殖和硝酸還原酶的活力，且H+與亞硝酸鹽發生非酶歧化反應。楊晶等[14]以從泡菜中篩選出的1株亞硝酸鹽降解能力較高的植物乳桿菌5-7-3，對其在發酵過程中產生的各種有機酸含量與亞硝酸鹽含量進行相關性分析。結果顯示，發酵產生的有機酸對亞硝酸鹽有降解作用，作用大小依次為：蘋果酸>乳酸>琥珀酸>草酸>酒石酸>檸檬酸。乳酸菌利用產酸性能降解亞硝酸鹽得到了大量研究的證實，但是目前關于酸降解的過程是依靠生物代謝途徑還是依靠酸性環境引起的化學反應還未見報道，還需進一步探索。

2.2 乳酸菌亞硝酸鹽還原酶酶學性質

酶是影響反應效率的關鍵因素，科研工作者對亞硝酸鹽還原酶的酶學性質做了大量的研究。應碧等[15]發現，植物L.plantarumWU14亞硝酸鹽還原酶(nitrite reductase，NiRs)編碼的蛋白質是一種以α-螺旋和無規則卷曲為主，不存在信號肽和跨膜結構的親水蛋白。多數亞硝酸還原酶是胞間酶，其活性受溫度、pH、金屬離子的影響。劉玉等[16]從傳統腌制巴浪魚干中篩選出3株羅伊氏乳桿菌(L.reuteri)，并發現此菌株在最佳條件：接種量1.0%、發酵溫度30 ℃、發酵時間30 h下發酵魚糜，對亞硝酸鹽的降解率為65.33%。凌潔玉等[17]對一株從泡菜中分離的植物乳桿菌的相關研究發現，該菌的亞硝酸鹽還原酶可能為細胞色素cdI型，分子量大小約為123.2 kDa；其最適反應溫度為35 ℃，最適pH值為6.5，Km值為30.0 mmol/L；Cu2+和Mn2+為該酶的激活劑，而Zn2+、K+、EDTA為該酶的抑制劑。李春等[18]研究發現鼠李糖乳桿菌降解亞硝酸鹽的最適pH值是5.0～6.0，最適溫度是40 ℃；添加Fe2+、Fe3+、Cu2+的亞硝酸鹽降解效果明顯。楊晶等[19]研究發現，植物乳桿菌L.plantarum5-7-3降解亞硝酸鹽率受溫度、pH、接種量、接種齡的影響，且顯示最佳培養條件為：溫度37 ℃，pH 6.0，接種齡21 h，接種量8%下L.plantarum5-7-3對亞硝酸鹽的降解率為88.94%。乳酸菌降解亞硝酸鹽與呼吸鏈電子傳遞具有一定的關系，電子供體對亞硝酸鹽還原酶活性具有很大的影響。陳浩[20]研究發現電子供體LCR 6013ElD、細胞色素C分別協同干酪乳桿菌鼠李糖亞種LCR 6013 NiR能在48 h內將75.00 mg/L的亞硝酸鈉完全降解，LCR 6013 NiR降解亞硝酸鹽的最適溫度為37 ℃，最適pH為7.0，最適底物濃度為100 mg/mL，最適電子供體濃度為20 mg/mL。酶的機制通常是通過結構相關的點突變和測量它們對酶性質的影響來驗證機制假說。Leferink等[21]通過定點突變位于距離催化位點-2銅(T2Cu)12 ?的表面暴露的苯丙氨酸殘基(Phe306)，提高了亞硝酸銅還原酶活性位點口袋的可及性，對分子內電子轉移、底物結合和催化活性有深遠的影響，表明遠離活性位點的遠距離殘基可以通過相對較小的結構擾動驅動機械變化而對酶催化具有顯著影響。目前關于對乳酸菌亞硝酸鹽還原酶性質的研究文獻比較多，也總結出一些影響酶催化效率的因素，如溫度、pH、金屬離子、底物濃度，但仍不夠深入。未來應著重從脅迫條件所引起的全局調控因子的變化，蛋白質晶體結構的變化以及所涉及的電子傳遞等方面來闡釋乳酸菌亞硝酸鹽還原酶的性質，為今后提高酶活性提供理論依據。

3 反硝化細菌降解亞硝酸鹽

反硝化細菌含有亞硝酸鹽還原酶，通過好氧或厭氧反硝化過程將亞硝酸鹽轉化成一氧化二氮或氮氣，是去除環境中對生物有毒害作用亞硝酸鹽的重要微生物，在工業生活污水處理、水產養殖及景觀水體凈化等領域，反硝化細菌都得到了較為廣泛應用[22]。Li等[23]從制革廢水中分離出異養硝化細菌Klebsiellasp.TN-10，TN-10菌株具有良好的去除亞硝酸鹽的特性，去除率為99.87%，參與反硝化作用的亞硝酸還原酶(NiR)活性為0.0815 U/mg蛋白質。王會聰[24]通過常規分離和顯色篩選，從養殖污泥中分離得到一株具有良好亞硝酸鹽降解效果的鮑氏不動桿菌AQ-3，發現該菌同時含有nirS、nirK和norB基因，其對亞硝酸鹽的去除率高達99.47%。致病性、耐藥性和毒性實驗結果顯示，菌株AQ-3不具有aerA、hlyA、ahpA、alt、ast5種重要致病基因，受體血液指標正常，未發現死亡或其他發病等不正常癥狀，表現出較高的生物安全性。其中還存在一些能適應某些極端環境如低溫、高鹽度、低pH、無氧、高氧，并表現出良好的降解亞硝酸鹽性能的反硝化細菌。Yi等[25]研究發現適冷性菌株PseudomonasputidaY-9在15 ℃下具有良好的脫氮能力，能夠有效去除亞硝酸鹽，平均去除率為1.83 mg/(NL·h)。Yao等[26]新分離出一種嗜冷營養異養硝化好氧反硝化細菌Acinetobactersp. HA2，該菌株具有良好的低溫耐受性，最佳溫度為20 ℃，活性溫度為4 ℃，10 ℃時對亞硝酸鹽的平均去除率高達2.51 mg/(NL·h)。Yang等[27]發現從松花江中分離出來的一種新型耐低溫異養硝化-好氧反硝化細菌Janthinobacteriumsp.M-11在有氧條件下能除去89%的亞硝酸鹽，在厭氧條件下，能除去93%的亞硝酸鹽。Yang等[28]發現AcinetobacterjuniiYB具有高效的異養硝化和好氧反硝化能力，最大亞硝酸鹽去除率為8.45 mg/(NL·h)。作者成功擴增了nirs基因，正交試驗表明，溶解氧是亞硝酸鹽去除最重要的決定因素，最佳條件為C/N 15，pH 7.0，37 ℃和200 r/min。Huang等[29]從海水養殖水中分離出能夠好氧反硝化的新型嗜鹽細菌BacilluslitoralisN31，在初始氮約為20 mg/L的唯一氮源培養基中培養48 h后，N31對亞硝酸鹽的去除率為89.3%。這些菌株如果能用到食品領域，將會為降解各種環境條件(如低溫、厭氧、好氧、高鹽、低pH等)下食物中亞硝酸鹽提供便利，也將極大豐富降解亞硝酸鹽的食品級菌株的多樣性。

4 反硝化細菌亞硝酸鹽還原酶結構特點

自然界的氮循環有8條途徑，其中6條由微生物完成，在這6條途徑中，2條是在亞硝酸還原酶的作用下分解亞硝酸鹽，分別是反硝化作用和亞硝酸氨化作用[30]。反硝化作用通過4種重要的金屬酶，即硝酸鹽還原酶、亞硝酸鹽還原酶、一氧化氮還原酶和一氧化二氮還原酶將有機硝酸鹽轉變為氮氣[31]。這4種反硝化途徑的金屬酶參與同化(合成生物分子)和異化(呼吸途徑)反硝化。異化亞硝酸還原酶由nirK基因編碼，有助于將亞硝酸鹽轉化為一氧化氮，這是反硝化過程中最關鍵的一步，其催化反應為：NO2-+e-+ 2H+→ NO+H2O[32]。亞硝酸鹽還原酶主要有兩種類型，一種含有cd1血紅素(cd1NIR)，另一種含有銅(CuNIR)，它們分別由結構基因nirS和nirK編碼[33]。反硝化細菌含有這兩種亞硝酸還原酶，早期的研究顯示這兩種(銅和血紅素)酶在同一物種中一般不共存[34]。但最近一些文獻顯示少數菌株含有nirK和nirS[35]，不過大多數菌株具有nirK或nirS。2018年，Jang等[36]報道了土壤反硝化細菌Bradyrhizobiumsp.中nirK和nirS的存在，且都在反硝化條件下表達上調。

2012年，Ferroni等首次克隆了meliloti 2011 (Sm)銅亞硝酸鹽還原酶(Nit)的整個nirK基因，并在大腸桿菌中過表達。該酶的光譜和分子特性表明，SmNir是具有同源三聚體結構的綠色Nir(42.5 kDa/亞基)，每個單體含有兩個銅原子，每個單體含有兩個銅原子，一個是Ⅰ型，另一個是Ⅱ型。SmNir遵循Michaelis-Menten機制，被氰化物抑制，且純化酶的電子順磁共振(EPR)光譜顯示出與Ⅰ型和Ⅱ型銅中心相關的兩種磁性不同的組分，比例為1∶1，在SmNir與亞硝酸鹽催化產生的和外源的NO相互作用下獲得的銅物種的EPR表征揭示了在密切相關的nlirS之前未檢測到的Cu-NO EPR活性物質的形成。Hedison等[44]通過綜合使用EPR光譜、溶劑粘度和壓力依賴性pH跳躍停流譜(solvent viscosity- and pressure-dependence pH-jump stopped-flow spectroscopy)，證明了亞硝酸銅還原酶催化的質子耦合電子轉移反應伴隨著溶質鏈蛋白的運動。2018年，Gao等[45]通過基因組序列分析，從BacillusfirmusGY-49中分離到一個新的編碼含銅亞硝酸鹽還原酶的nirK基因，編碼的全長蛋白包括26個氨基酸的信號肽，與其他含銅亞硝酸鹽還原酶相似度為72.73%。將編碼nirK成熟肽的993 bp基因片段克隆到pET-28a(+)載體中，并在大腸桿菌系統中過表達為36.41 kDa的活性蛋白。純化后的酶在氧化態呈綠色，在456 nm和608 nm處呈雙峰，酶在pH 6.5和35 ℃附近對亞硝酸鈉的比活性為98.4 U/mg。NirK是一種同三聚體結構，在銅結合位點上具有較好的酶功能，對亞硝酸鈉的Km和Kcat分別為0.27 mmoUL和0.36×103s-1。

cd1NiRs是可溶的同株異核生殖蛋白，位于細菌的周質中的雙催化酶催化亞硝酸鹽減少1個電子生成NO，雙氧減少4個電子生成水，是同型二聚體，亞基分子量為60 kDa，每個亞基包含1個血紅素Hc和1個血紅蛋白Hd1[46]。Hc有兩個軸向的His配體(His-17，His-69)，His-200與Tyr-25將Hd1和Hc連接，Hd1是單核的鐵中心，是亞硝酸鹽還原的活性中心，且Hd1和Hc分別位于單獨結構域中，需要電子的移動來完成催化反應[47]。Pedroso等對細胞色素cd1亞硝酸還原酶與不同氧化還原配偶體之間的電子轉移和對接作了比較，發現盡管Mhcd1NiR和不同類型的氧化還原介質之間可以形成低活性功能復合物，但只有特定的生理電子供體cyt c552才能觀察到有效的ET(電子傳遞)；與cyt c552相比，Mhcd1NiR對任何其他分子的效率明顯較低，cyt c552與Mhcd1NiR的結合會觸發高亞硝酸鹽還原活性和分子間ET率。Reeder等研究發現細胞色素亞硝酸還原酶活性的高低依賴于兩個表面暴露的半胱氨酸殘基的氧化態。在半胱氨酸C38～C83之間形成分子內二硫鍵使亞硝酸還原酶活性比具有游離巰基的單體的亞硝酸還原酶活性提高50倍，比具有分子間二硫鍵的二聚體的亞硝酸還原酶活性提高140倍。此報道表明具有分子內二硫化物的單體的亞硝酸還原酶活性遠高于早期報道的其他哺乳動物球蛋白的活性。Baymukhametov等[48]通過低溫電子顯微鏡測定了細菌Thioalkalivibrionitratireducens(TvNiR)細胞色素c亞硝酸還原酶的三維結構，結果與X射線晶體學確定的酶的晶體結構一致。TvNiR酶以穩定的六聚體形式存在，具有雙錐形狀，特征高度約為150 ?，底座約為120 ?，具有D3對稱性。Wittorf等[49]研究了氧氣和NO3-對4株同時攜帶JM300和AN10基因的P.stutzeri菌株中nirS和nirK基因表達模式的影響；通過對具有nir基因和反硝化假單胞菌(Pseudomonas)基因的4株P.stutzeri菌株的系統發育進行分析，表明nirs與其他反硝化假單胞菌屬相同；而nirK基因分布于nirK系統發育。作者又分別在反硝化條件(NO3-、無氧條件)和無NO3-但有氧條件下培養菌株，分析了反硝化活性以及nirS和nirK的相對表達，并分析了nir基因鄰域的基因排列和轉錄因子結合位點，檢測到nirS和nirK同時表達，并且無論是否存在氧氣，在施氏假單胞菌(Pseudomonasstutzeri)JM300和AN10中nirs的表達都響應于NO3-而上調；而nirK僅在JM300中在含氧和高NO3-濃度條件下顯著上調，這進一步表明來自兩個菌株的nirK基因功能不同；也表明nirS和nirK是差異調節的，在這些菌株中不起相同的作用，支持nirS和nirK型亞硝酸鹽還原酶的不同功能作用的想法。表征兩種形成NO的亞硝酸還原酶之間的功能差異，并將這些差異與序列差異聯系起來還需要進一步研究。

5 結論與展望

亞硝酸鹽是一種重要的食品添加劑，但過量使用會對人體產生嚴重危害，利用食品級微生物降解食品中的亞硝酸鹽對保障食品安全具有重要的意義。乳酸菌是降解亞硝酸鹽重要的食品微生物，但關于乳酸菌降解亞硝酸鹽的研究仍存在諸多不足。反硝化細菌具有降解亞硝酸鹽優良性能，且能適應各種特殊環境，這為豐富食品級降解亞硝酸鹽微生物多樣性和提升乳酸菌降解硝酸鹽能力提供了可能。

雖然乳酸菌能大大降低食品中亞硝酸鹽殘留，但未來還需對乳酸菌降解亞硝酸鹽的性能進行優化，如對酶的重新設計和優化，引入外源基因(反硝化細菌)構建重組工程菌，對乳酸菌降解亞硝酸鹽分子機制以及所引起的整個代謝網絡調控因子的變化進行深入研究，對乳酸菌亞硝酸鹽還原酶結構和催化原理做更深入的研究。

目前，降解亞硝酸鹽的食品級微生物多樣性不夠豐富。乳酸菌是降解發酵食品中亞硝酸鹽效果最好的菌種，但不同的食品生產有著不同的發酵環境，所以亟需豐富降解亞硝酸鹽的食品級微生物。目前對反硝化細菌的反硝化作用研究比較深入，在水產養殖、飼料、污水處理等方面都有廣泛的應用，且一些反硝化細菌還能在一些特殊環境下很好地生存，但在食品中的應用還未見報道。大量研究已顯示多數反硝化細菌具有良好的生物安全性，這為其應用到食品中提供了可能。