耐辐射菌来源的耐铅元件的功能化设计及生物适配分子机制研究

Compared with the large number of microorganisms, the research of microorganisms that can resist and adsorb heavy metals is still less, let alone the research of using the radiation resistant microorganisms to absorb the heavy metal. After integrating the genomics information from the sequenced heavy metal resistance microbes and screening out the representative lead tolerant devices from the radiation resistance extremophiles, this program will utilize the model microbe-Bacillus subtilis as the chassis host for assembling. Based on the synthetic biology approaches including informatics prediction for the components mining, pathway optimization guided on the module modification strategy, and genomic scale metabolic network modification, this program will analyze from "micro" to "macro" , respectively, for the structure mechanism of lead resistance components, the collaborative mechanism of the lead tolerant devices, chassis biomics mechanism, and the chassis biological apparent a stress resistance features. Moreover, this program will figure out in-depth collaborative mechanism of the lead resistance components and the physiological regulation mechanism, and finally obtain an efficient lead resistance soil engineering microbial strains. Then, this program will also conduct the molecular ecology analysis and environment release security evaluation. This project will provide a general guidance for the screening and design of microbial heavy metal resistant components, and also pave ways for the application of microbes in the bioremediation of heavy metal.

相对为数众多的微生物而言，现有耐受和吸附重金属的微生物研究仍较少，尤其利用耐辐射微生物进行重金属耐受吸附研究更是鲜见报道。本研究整合已完成测序的耐重金属微生物基因组信息，从前期获得的一批耐辐射极端微生物菌株中筛选鉴定具有典型功效的新型耐铅元器件，以模式微生物Bacillus subtilis为底盘宿主进行组装，综合运用基于生物信息学预测的元器件挖掘、基于模块化改造策略的途径优化和基于基因组规模的代谢网络改造等合成生物学方法，从“微观”至“宏观”分别对耐铅元器件的分子结构机理、耐铅元器件的协同作用机制、底盘生物组学机理、底盘生物表观抗逆特征等四个层次进行解析，深入探讨耐铅胁迫元器件的互作关系与生理调控机制，最终获得高效耐铅土壤微生物工程菌株，并对其进行分子生态学分析和环境释放安全性评价。本项目将为具有普适性的重金属抗逆元器件的发掘设计奠定理论基础，也为应用微生物治理重金属提供技术参考。

本项目致力于筛选挖掘具有重金属耐受及修复能力的微生物，解析微生物对重金属的耐受及修复机制，增强其修复重金属污染的能力，并将其应用于重金属污染的实际修复。（1）筛选挖掘具有优异重金属耐受及修复能力的菌株：获得46株具有多种重金属耐受潜力的菌株，并在此基础上进一步筛选出其中耐受能力最强、修复性能最优异的菌株-Bacillus thuringiensis HM-311。该菌株对铅离子耐受能力尤其突出，达到1500 mg/L以上。同时具有高效修复铅、镉、铬离子污染的能力，在初始浓度1000 mg/L铅离子条件下，去除率达到95%（2）建立菌株B. thuringiensis HM-311的铅耐受及修复分子模型：通过结合SEM-EDX以及基因组学、蛋白质组学、基因敲除等技术，探究B. thuringiensis HM-311的铅离子耐受及修复机制，建立相关分子机制模型。（3）B. thuringiensis HM-311结合功能材料凝胶固定化并应用于铅、镉污染土壤修复：以食品工业废料-醋渣为原料，在其表面通过化学合成法沉积羟基磷灰石（HAP），并通过热解制备HAP@生物炭，然后将该材料与菌株B. thuringiensis HM-311进行凝胶固定化，合成thuringiensis-HAP@生物炭三元复合材料。合成后的复合材料具有良好的重金属修复功能，分别将1000 mg/L的铅离子与200 mg/L的镉离子降低至14.59 mg/L与5.40 mg/L。此外该材料应用于重金属离子污染土壤修复，可以减少植物对重金属污染物的摄取与富集。（4）基于B. thuringiensis HM-311构建半人工光合系统修复重金属污染提出并初步验证一种重金属污染废水修复理念：利用细菌自身的金属矿化机制，在去除重金属离子的同时，在细菌表面合成具有光催化性能的纳米金属矿物颗粒，构建半人工光合系统并进一步用于其它重金属离子污染修复。