重金属吸附过程中蓝藻胞外多聚物关键组分演变规律及其作用机理研究

This project is aimed at extracellular polymeric substances (EPS) as the key factor in biosorption of heavy metals of cyanobacteria. In order to explore the content and dynamic changes of this main components of EPS including exopolysaccharides, proteins, and DNA generated during the adsorption process, high precision analysis technology such as specific fluorescent probe and laser scanning confocal microscope has been used to measure real-time quantitative of this components. Additionally, transcriptome sequencing will be performed to screen the differential expression genes involved in the synthesis and secretion of main components of EPS, and the putative metabolic pathways and regulatory networks will be constructed. Adsorption behavior in the process of heavy metal adsorption will be analyzed to reveal the changes of main components of EPS and their regulatory mechanisms, and to clarify the correlative mechanisms among the content of main components of EPS, synthesis and regulation, as well as adsorption behavior, laying a theoretical foundation to exploit engineering cyanobacteria and optimize the process of absorption.

本项目以对重金属有高效吸附性能的蓝藻为对象、围绕吸附过程起关键作用的胞外多聚物（EPS）开展研究。采用特异性荧光探针与激光扫描共聚焦显微镜等高精度分析技术，实时定量检测重金属吸附过程中胞外多糖、蛋白、DNA等EPS关键组分的含量及其变化，揭示这些成分在生物吸附不同时期的演变规律；利用高通量测序技术在转录组水平上分析吸附过程中EPS关键组分合成和分泌相关基因的表达差异，阐明EPS在重金属离子吸附过程中的合成代谢途径与分子调控机制；结合蓝藻对重金属吸附行为的研究，揭示EPS关键组分动态变化、合成与调控及其与吸附效率的关联机制，为蓝藻工程菌的开发与吸附过程的工艺优化提供理论基础。

蓝藻胞外多聚物（EPS）在重金属吸附过程中发挥着重要作用，EPS 关键组分之间的协同作用是影响蓝藻对重金属吸附的重要因素。本研究以对重金属有高效吸附性能的蓝藻Synechocystis sp. PCC6803为研究对象，探究了吸附Cd2+过程起关键作用的胞外多聚物（EPS）的演变规律及作用机理。结果表明，在Cd2+刺激下，蓝藻EPS的分泌是一个动态过程，其变化规律与吸附行为一致，其中胞外多糖与胞外蛋白的分泌呈现出先上升后下降的趋势，在第三天时分泌量达到最大；傅里叶变换红外光谱（FTIR）和二维红外相关光谱（2D-COS）分析表明EPS中的功能基团与Cd2+发生了相互作用，胞外蛋白中对Cd2+刺激最敏感的官能团是酰胺I带，而多糖与Cd2+的作用先于蛋白质发生。上述结果表明，蓝藻对Cd2+的吸附行为受细菌生长和EPS分泌的联合调控。采用三维荧光光谱 (3D-EEM)和激光共聚焦显微镜（CLSM）荧光分析了Cd2+对蓝藻EPS分泌的影响，发现Cd2+对细胞生长有抑制作用，且随着离子浓度升高，抑制作用越明显；重金属刺激后，EPS中胞外多糖含量显著增加，胞外多糖和胞外蛋白的荧光染色分析同样验证了这一结果。研究表明，蓝藻会通过分泌大量EPS来缓解外界环境中重金属离子的毒性作用。利用qRT-PCR分析结果表明蓝藻中与EPS合成分泌相关的基因在Cd2+胁迫后表达呈现出先上升后下降的趋势，与EPS分泌规律表现出高度的一致性。转录组学分析表明蓝藻在Cd2+刺激下，一些相关代谢路径发生了变化。在前15min，一系列重金属抗逆性基因在蓝藻细胞内集体大幅度表达上调以应对Cd2+压力；在48h时，蓝藻光合作用通路能量获取通道在Cd2+胁迫下发生了改变，该阶段与EPS生物合成高度相关的两个基因发生了差异性表达，主要参与EPS糖组分的合成的EpsC显著上调表达，而EPS中糖组分是EPS参与重金属离子吸附的重要组分；主要参与EPS生物合成过程中蛋白合成的EpsP此处出现了显著下调，可能与蓝藻细胞在对抗Cd2+压力情况下主动调整EPS组分构成有关。这些研究揭示了吸附过程中胞外多聚物关键组分的变化与调控机理，为蓝藻工程菌的开发与吸附过程的工艺优化提供理论基础。