高性能重组光合细菌的构建及连续化处理重金属废水基础研究

与其它微生物相比，利用具有自养能力的光合细菌处理重金属废水更容易克服该类废水营养条件相对贫乏的缺点，因此在实现处理过程的连续化、提高整体处理效率方面更具优势。但由于光合细菌对重金属离子的富集量相对较低，目前国内外这方面的研究进展较小。本项目运用现代生物技术构建对水体中重金属离子具有高选择性、高富集容量且对重金属离子的毒性有较强抗性的重组光合细菌，考察基因工程菌对重金属离子富集行为的作用机理，研究基因工程菌在贫营养的重金属废水中的生长和富集动力学特性以及温度、pH、离子强度、共存离子等环境因素的影响，选择适宜的生物反应系统建立连续化的处理工艺流程，运用化学工程学和生物学的原理实现工程菌在重金属废水中生长和富集速率的最佳匹配，以最终实现对重金属废水的连续化治理以及重金属资源的有效再利用。

利用生物材料去除工业污水中的重金属离子一直受到人们的广泛关注。但由于重金属废水的贫营养环境，如何实现生物处理过程的连续化一直是困扰人们的难题。具有自养能力的光合细菌处理重金属废水更容易克服该类废水营养条件相对贫乏的缺点，因此在实现处理过程的连续化、提高整体处理效率方面更具优势。本项目构建了对水体中重金属离子具有高选择性、高富集容量且对重金属离子的毒性有较强抗性的重组光合细菌，该重组菌能在汞离子浓度高达50mg/L的环境下生长，而且汞富集容量较宿主菌提高3倍以上。pH、离子强度、共存离子等环境因素对重组菌的汞离子富集行为产生一定的影响，但总的说来这些环境因素的抑制作用较宿主菌明显降低。对光合细菌重金属离子富集行为作用机理的研究结果发现重组菌通过特异性汞转运系统将80％的汞离子转运至细胞内部，而原始宿主菌所结合的汞离子80％都集中在细胞壁上。富集耦合实验结果表明重组菌能在不同初始汞离子浓度及不同pH条件下较好地实现汞离子富集行为与自身菌体细胞生长繁殖过程的耦合。另一方面的研究是高重金属抗性海洋微生物的筛选。从海洋环境筛选出3株对汞、镉、铬、镍等具高抗性的海洋细菌，其中一株海洋假单孢菌S1对汞离子的抗性达到120mg/L，而且能在pH 4-10的范围内有效富集汞离子。研究中发现共存阳离子对目标金属离子的生物富集行为的影响不仅与共存阳离子的种类和初始浓度有关，而且还取决于目标金属离子的初始浓度以及菌体的量。基于此发现，我们首次提出了一个新的参数“剩余生物富集容量比”来综合评价共存离子的影响。对富集机理的研究表明S1所富集的汞离子70％处在细胞表明，并且羧基在其中扮演了重要的角色。最后我们还对两种具镍离子高亲和力的跨膜镍钴转运蛋白NixA和NisA的镍离子结合性能进行了研究比较。研究发现仅在宿主菌中表达镍钴转运蛋白不能增加重组菌对镍离子的富集量，反而降低重组菌对镍离子的抗性；而同时表达镍钴转运蛋白和金属硫蛋白就能同步增加重组菌对镍离子的抗性和富集容量。同时表达NixA和MT的重组菌N1c对镍离子的富集容量达到83.33 mg/g，高于同时表达NisA和MT的重组菌N1d的45.45mg/g。在钠、钴、镉等金属离子共存时，N1c能比N1d更高效地富集镍离子。在原始宿主菌中磷酸基团对富集行为的贡献最大，但重组菌N1c和N1d则主要由羧基起作用。研究表明NixA比NisA对镍离子具