基于木质纤维素为碳源介导的微生物絮凝剂合成的调控网络及基因挖掘

Bioflocculants produced by microorganisms are a novel kind of flocculants, which are harmless, efficient and widely applied in industry. However, the high production cost and low yield of bioflocculants still hinder their commercial application. These shortcomings can be solved efficiently from molecular level by understanding the biosynthetic pathways and the key genes' functions of microorganisms. In our previous study, two strains, GO2 and G22, showing excellent production ability of bioflocculants through directly hydrolyzing various biomasses, were isolated from paper mill sludge. To investigate the molecular mechanism of bioflocculants’ production by directly converting biomass in these two strains, the transcriptome of these two strains in the stages of biomass degradation and bioflocculant’s production will be analyzed. Then the biomass-degrading and bioflocculant-producing genes will be cloned to clarify their functions. Moreover, the chemical constituents of active metabolic intermediates and the activity of key enzymes will be monitored at the same time to construct the metabolism network of bioflocculants’ production by directly converting biomass. At last, the monomer compositions of these bioflocculants and their flocculating properties will also be analyzed to further understand their biosynthetic pathways and flocculation mechanism. This project not only helps to solve the low bioflocculant-producing capacity and low producing rate of microbial bioflocculants from molecular level, but also provides a solid theory foundation for the rational synthesis of high efficient and low cost bioflocculants.

微生物絮凝剂是一种安全无毒、高效且应用广泛的新型絮凝剂，但是生产成本高、产量低严重限制了其商业化应用。明确微生物絮凝剂的生物合成途径及其关键基因功能有助于从分子水平上解决这一关键问题。申请人在前期的研究中，筛选到两株直接转化木质纤维素生物质为微生物絮凝剂的高产菌株，GO2和G22。本项目拟采用高通量测序技术，分析两株菌在发酵过程中木质纤维素降解阶段、絮凝剂生产阶段的转录组数据，对产絮菌株木质纤维素酶和多糖合成关键基因进行克隆和功能定位，并通过分析发酵过程中的关键代谢中间产物、酶活，构建用木质纤维素直接转化为絮凝剂的调控网络，阐明絮凝剂合成的分子机制；通过分析絮凝剂单体组分和絮凝特性，进一步完善该微生物絮凝剂的合成途径及其絮凝机理。本项目将有助于从分子水平上解决微生物菌株产絮性状不稳定及产量低的问题，并为定向合成新型高效低成本微生物絮凝剂提供坚实的理论基础。

微生物絮凝剂是一种安全无毒、高效且应用广泛的新型絮凝剂，但是生产成本高、产量低严重限制了其商业化应用。阐明直接转化木质纤维素产微生物絮凝剂菌株的分子机制、絮凝剂组成成分及絮凝机理有助于解决这一问题。本研究主要内容包括：1）解析了直接转化木质纤维素产微生物絮凝剂菌株假单胞菌GO2和HP2基因组及其关键代谢途径，分析了GO2菌株利用玉米秸秆发酵产微生物絮凝剂在秸秆降解阶段和絮凝剂生产阶段的转录和代谢特征，挖掘出调控絮凝剂合成的关键基因和代谢产物；2）阐明了GO2菌株利用木质纤维素发酵产微生物絮凝剂的发酵条件和关键酶活特性；解析了微生物絮凝剂的组分、絮凝特性及其对重金属移除的作用机理。结果发现1）假单胞菌GO2和HP2基因组中包含大量的编码碳水化合物酶类基因家族（CAZymes）和分泌蛋白的基因，这些基因是秸秆降解阶段和絮凝剂生产阶段主要的差异表达基因（DEGs），通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）、富集分析和定量RCR分析从1032个DEGs中筛选出15个关键的Hub基因，包括7个编码CAZymes的基因和8个编码分泌蛋白的基因；在发酵6 h时，发酵液中CMCase和Xylanase酶活活力最大分别为0.07 U ml-1 和 0.83 U ml-1；代谢组分析表明发酵过程中发酵液中的中间代谢物与碳水化合物代谢、氨基酸代谢和脂质代谢相关，其中鼠李糖和亮氨酸添加到发酵液显著增加了GO2菌株产微生物絮凝剂的能力，表明絮凝剂的合成可能跟鼠李糖和亮氨酸的合成密切相关。2）GO2产微生物絮凝剂为蛋白多糖型，包含59.0%的多糖和32.1%的蛋白质，其中多糖主要由鼠李糖、甘露糖、葡萄糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸、木糖和岩藻糖组成，其摩尔比为 38.70:21.45:26.32:10.26:6.53:1.03:1.00，该絮凝剂分子量为1.33×106 Da，对pH和温度都不敏感，对重金属离子（Cd2+和Pb2+）的吸附过程主要依赖为单分子吸附和化学吸附。本项目研究内容将进一步丰富微生物絮凝剂合成的理论体系，拓展了调控絮凝剂合成的基因资源，并为定向合成新型高效低成本微生物絮凝剂及其在废水处理中的应用提供了理论基础。