紫色非硫细菌处理食品有机废水的高价值物质合成代谢及影响机制研究

Purple non-sulfur bacteria (PNSB) wastewater treatment technology not only remove the organic pollutants in wastewater, but also recycle some high valuable materials including carotenoids, 5-aminolevulinic acid (ALA) and coenzyme Q, which has been received wide attention and extensive research. However, when using PNSB to treat food processing wastewater, biosynthetic pathways of high valuable materials are not clearly, key factors of processing system and corresponding regulatory mechanism are not clearly identified yet, limiting the promotion and application of PNSB technology in wastewater treatment. After comparing and optimizing the growth and secondary metabolite of some PNSB strains, influencing factors of the system treating food processing wastewater and producing high value materials by PNSB will be selected and optimized in this project. Based on genomics and transcriptome, the intracellular metabolism on key factors regulating the biosynthesis pathways of high value materials will be resolved. The continuous photobioreactor system of PNSB treating food processing wastewater and producing high value materials will be established, and the regulatory mechanism of key operation parameters on the system will be revealed. This work will provide a new theoretical basis for PNSB wastewater treatment and recycling, and it will promote the green production of high valuable materials.

有机废水的紫色非硫细菌（PNSB）处理技术，不仅可以有效去除废水中的有机污染物，同时还能回收类胡萝卜素、5-氨基乙酰丙酸（ALA）和辅酶Q等高价值物质，得到了广泛的关注和研究。然而，PNSB处理食品有机废水系统中高价值物质合成途径还不明晰、影响系统效能的关键因子及其调控机制尚不明确，阻碍了PNSB处理技术在废水处理领域的推广和应用。在对多株PNSB菌株生长和次级代谢产物合成进行比较和优选的基础上，本项目进行PNSB处理食品有机废水系统中高价值物质合成的影响因子筛选及其优化研究；基于基因组学和转录组学揭示关键影响因子调控高价值物质合成的细胞代谢机制；构建PNSB处理食品有机废水兼生产高价值物质的连续流光反应系统，解析关键运行参数的影响调控机制。本项目的研究成果可为PNSB污水处理资源化提供新的理论依据，推动高价值物质的绿色生产。

紫色非硫细菌（PNSB）废水处理技术可有效地去除废水中的有机污染物的同时生产回收类胡萝卜素、5-氨基乙酰丙酸（ALA）和辅酶Q等高价值物质，得到了广泛的关注和研究。本研究以提高PNSB处理食品有机废水系统的污染物去除率及高价值物质产率为目标，优化了废水处理系统效能及高价值物质（类胡萝卜素和ALA）产率的关键影响因子。结果表明，光周期、微量元素、pH、菌剂、合成底物等是提高废水处理系统效能及高价值物质产率的关键因子。基于基因组学、转录组学及RT-qPCR等分子生物学技术，明确了系统内类胡萝素和ALA的生物合成途径以及各途径中的关键功能基因及其表达差异，光周期可通过调控crt基因的表达来提高类胡萝卜素的产率、菌剂可通过调控RSP_3419基因来提高类胡萝卜素的产率、Fe2+可调控nif基因来提高ALA的产率、通过合成底物的添加提高ALA产率，分别提高了30%、71%、240%和211%，在分子水平上解析了关键影响因子调控高价值物质合成的细胞代谢机制。此外，为保证PNSB处理食品有机废水的同时生产高价值物质系统的高效稳定运行，基于上述代谢机制研究基础，构建了PNSB处理食品有机废水兼生产高价值物质的连续流反应系统，解析了水力停留时间（HRT）和容积负荷（OLR）等运行参数对处理系统效能的影响及调控机制。结果表明，生产类胡萝卜素的光反应器R1在最优条件（HRT，48 h；OLR，2.51 g/L/d）下，最大类胡萝卜素产率为3.92 mg/g-DCW，生产ALA的光反应器R2在最优条件（HRT，60 h；OLR，2.48 g/L/d）下ALA产率可达7.40 mg/g-DCW。以上研究结果明确了该废水系统中的关键影响因子及其调控，揭示了PNSB有机废水处理过程中的污染物去除机理，提高了处理系统中的高价值物质的产率，阐明了PNSB合成类胡萝卜素和ALA的物质合成途径及其关键功能基因的表达差异的分子生物学机制。从优化污染物去除和提高菌体高价值物质产率的角度给出了污染物降解转化过程中生产高价值物质的研究方向，具有较强的理论意义和实用价值，为PNSB污水处理资源化提供新的理论依据，推动高价值物质的绿色生产。