雌激素降解工程菌的构建与代谢调控机理研究

背景：环境雌激素是一类影响人类健康，破环生态平衡的内分泌干扰物。环境雌激素的去除方法主要是通过微生物的生物降解代谢来完成。高效雌激素降解菌种类和降解能力需要不断筛选丰富和强化提升，雌激素降解酶与底物的相互作用机制还需要进一步研究，雌激素降解酶编码基因特性与表达调控还需要进一步探索。因此，我们将筛选雌激素高效降解菌，并从菌株降解、生长特性、菌株基因组特征、降解酶基因表达和调控等方面研究雌激素生物降解代谢机制。 研究内容及重要结果：分别取不同雌激素药厂土样、泥样和污水处理厂泥样、水样等样品70个；筛选出雌激素降解菌30余株，雌激素高效降解菌13株。其中，放线菌门红球菌属具有最好的底物适应能力，对大多数高浓度雌激素污染物在实验时间内可完全降解。雌激素降解最优条件：温度为27-33℃，pH值为6.8-8，接种量为5-7.5%。通过全基因组测序技术和RT-PCR等分析技术确定了专性降解菌的基因组基本信息和雌激素降解基因的数量、位置、序列长度和功能作用以及在雌激素降解过程中的作用机制。雌激素高效降解菌生物强化活性污泥，能使原污水处理过程中雌激素降解能力增强25-50%。 意义：通过以上研究，填补了国内雌激素降解菌种不足的空白，明确了雌激素降解酶编码基因的表达和作用机制，同时在专性降解菌强化活性污泥领域做出了首次尝试。为基因重组菌株的构建提供了理论基础，为雌激素生物强化降解菌的制备提供更大的可能。 2100433B

雌激素是一种典型的环境内分泌干扰物，受多环杂化形成的空间位阻效应影响,难以被微生物降解，在许多城市污水处理厂的外排水中都能检测到其存在。当前，针对水中雌激素生物降解的研究，多集中在工艺条件优化和专性降解菌特性分析层面，仅有少数报告涉及基因增强技术应用于去除水中难降解有机物。本项目以典型雌激素--雌二醇、双酚A和壬基酚为研究对象，开展基因修饰强化生物降解水中雌激素的研究，重点体现在以下三个方面：（1）解析专性降解菌的特异基因片段，阐明菌株对典型雌激素的代谢机制；（2）基因重组拓宽菌株底物利用范围，提高对雌激素的降解效率；（3）分析重组菌的特异基因表达，获得重组菌生物强化活性污泥法的调控方法。通过上述研究，可以从基因水平上强化专性菌株的底物利用范围和降解能力，获得基因工程菌应用于生物强化活性污泥法的关键控制方法，为基因技术应用于污水生物处理系统提供理论指导与技术支持。

冷却水是用量巨大的工业用水，而常用的水处理剂多为含磷化合物，其排放造成严重的环境污染。本项目参照国际上研究发展易生物降解的水处理剂的成功经验，使用原子力显微镜等先进手段，从测量介观-.微观尺度上有机分子与水垢晶粒表面相互作用出发，从实验上和理论上研究阻垢效应的微观机理，建立开发绿色处理剂分子设计的理论基础及设计程序。

PAHs在土壤中的反硝化降解已为人们所认识，但其厌氧降解与反硝化过程的偶联及微生物机理尚不明确。本项目拟选择萘和芘两种典型的PAHs，以清洁土壤和PAHs污染土壤为研究对象，结合土壤厌氧培养和液体富集培养实验，研究反硝化条件下PAHs代谢过程中的物质转化及相关功能基因（PAHs厌氧降解及反硝化功能基因）表达量的动态变化，分别从物质转化和基因表达来探讨PAHs厌氧代谢与反硝化过程偶联的机理；之后，通过稳定同位素标记的室外土壤培养实验，采用DNA-SIP、454测序等手段，来探究土壤中直接参与PAHs反硝化代谢的细菌及反硝化菌的类群，初步探讨土壤PAHs反硝化降解在自然土壤PAHs去除中的贡献率，为进一步明确PAHs在土壤中的转化过程提供理论基础，为土壤PAHs污染治理新思路的创立提供一定的理论依据。