多环芳香烃生物降解酶的系统理论研究

Environmental pollution not only leads to a series of problems on economy, public health, ecology and so on, but also severely damages the positive image of our nation. Of the compositions of haze, great attention is given to the particulate matter with an aerodynamic diameter less than 2.5 micrometres (PM2.5), whose toxicity is mainly related to polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). PAHs as volatile organic compounds have a great variety of chemical structures, and thus they lack efficient degrading pathways. Among various degrading mechanisms, biodegradation plays an important role, but its working mechanisms are yet fully understood. Modern molecular biology techniques provide an astonishing amount of data on proteins and genes, however the systematical analysis and comparison on the enzymes for degradation of PAHs are yet to be reported. This project plans to apply the systems biology, bioinformatics, quorum sensing, and 3-dimensional molecular dynamics simulation to systematically study the enzymes for degradation of PAHs in order to find out their distribution in microorganisms, to explore the genes that regulate the network of the enzymes for degradation of PAHs, to analyze the switch of quorum sensing between individual and collective behaviors, and to reveal the factors that influence the interaction between enzymes and their substrates as well as their molecular dynamics processes. The results of this project will be helpful to enrich our understanding on the mechanism of biodegradation of PAHs, to provide the theoretical base for development of high efficient enzymes with synthetic biology, and to enhance the capacity of managing environmental pollutions in our country.

环境污染不仅引发了一系列经济、健康、生态等社会问题，也严重影响我国的国际形象。在雾霾成分中，小于2.5微米细颗粒物（PM2.5）的形成备受关注，其毒性主要涉及多环芳香烃。多环芳香烃在挥发性有机化合物中最具多样性，仍缺乏有效的降解途径。生物降解具有重要作用，而许多相关的科学机制尚不清楚。现代分子生物学技术提供了大量的相关蛋白和基因数据，但是系统分析、比较各种多环芳香烃的降解酶尚无报导。本项目拟采用系统生物学、生物信息学、微生物群体效应及三维分子动力学模型等方法对数据库中记载的各种多环芳香烃降解酶进行综合研究，寻找具有多环芳香烃降解功能的微生物的系统分布，探讨各种多环芳香烃降解酶的基因调控及微生物群体效应，揭示酶与底物作用的影响因素及分子动力学过程。本项目的研究结果将有助于深化多环芳香烃生物降解机理的认识，为采用合成生物学方法开发新的高效降解酶提供理论依据，促进我国环境污染的治理。

环境污染不仅引发了一系列经济、健康、生态等社会问题，也严重影响我国的国际形象。在雾霾成分中，小于2.5微米的细颗粒物（PM2.5）的形成备受关注，其毒性主要涉及多环芳香烃。多环芳香烃在挥发性有机化合物中最具多样性，仍缺乏有效的降解途径。生物降解具有重要作用，但是许多相关的科学机制尚不清楚。.本项目重点开展了三方面的研究工作。1、多环芳烃生物降解的理论研究：分析有氧条件下细菌利用多环芳烃作为碳源的优势；探讨细菌中多环芳烃的吸收途径；分析单加氧酶和双加氧酶在细菌多环芳烃分解代谢中的作用；以铜绿假单胞菌为模式菌株，分析不同条件下多环芳烃降解基因的网络再构建，通过群体感应逆转生物膜形成的可能性，群体感应系统的定量分层调节。研究结果深化了对多环芳香烃生物降解机理的认识，为采用合成生物学方法开发新的高效降解酶提供理论依据。2、中国雾霾污染的相关理论研究：利用网络分析中国工业、发电、居民和交通运输来源的PM2.5和二氧化硫的排放，揭示了工业、发电、居民和运输不同领域PM2.5和二氧化硫排放的内在关系和动态变化；分析生物质中的芳香族化合物在燃烧过程中如何转变为多环芳烃；分析夜间废气排放对中国雾霾污染的影响；分析烟草种植对大气中活性氮的清除作用，为控制污染物的排放及其治理提供理论依据。3、开发了基于层状镧铌酸钛为催化剂降解多环芳烃废水的方法，可高效催化废水中的萘、苊、苊烯、芴等多环芳香烃物质发生降解，为污染物的治理和环境修复提供技术支撑。另外，还结合国家的研究热点和依托单位的工作重点进行了一些理论研究。.通过项目的实施，发表论文27篇，其中SCI收录论文10篇（按论文发表时界定：1区1篇、2区3篇、3区4篇、4区2篇），EI收录论文3篇，斯普林格出版的系列丛书1篇，普通国际期刊11篇，国内期刊2篇；研究成果被中外学者引用35篇次。申请国家发明专利1项。