光合细菌污水处理系统中利用生化工程方法调控物质代谢与能量转化提高菌体产量的研究

The unique advantage of photosynthetic bacteria wastewater (PSB) treatment technology is that it can remove pollutants and resoucify bacteria simultaneously. The core of resource recovery in PSB wastewater treatment system is the biomass increase, and the biochemical engineering method is an effective approach for the biomass increase. However, PSB own unique substance and energy metabolisms, which makes the theory and technology of traditional biochemical engineering cannot be directly used in PSB wastewater treatment system. In this work, the molecular regulation mechanisms of PSB substance and energy metabolism in the wastewater treatment system will be investigated throughly. The main environmental and cultural factors which influence the biomass growth in PSB wastewater treatment system will be clearified and optimized. The main pathways and the regulation mechanisms of those factors on the key enzymes activity, proteins and genes in the C3 and C4 substance synthesis will be analyzed. The pathways and regulation mechanisms of those factors on key enzymes activity, proteins and genes in the energy production process of aspiration and photosynthesis will be analyzed. Besides, the key enzymes activity, three-dimensional conformation, and proteins and genes expression under different regulation environments will be studied. All these studies will determine the main factors which regulate the biomass accumulation, reveal the special molecular mechanisms of PSB material synthesis and energy metabolism pathways, implement and consummate the theory and method of biological engineering on PSB metabolisms, and finally lay a foundation for the industrial application of PSB wastewater treatment and biomass resource recovery.

光合细菌污水处理可在去除污染物的同时回收菌体进行资源化，资源化的核心是提高菌体产量，生化工程方法是提高菌体产量的有效途径，而光合细菌具有独特的物质代谢与能量转化途径，传统生化工程理论与技术不能直接应用。本项目提出深入系统地探讨光合细菌代谢调控分子生物学机制，明确并优化在光合细菌污水处理系统中影响菌体增长的主要因素；解析C3 与C4物质合成途径中主要影响因素影响关键酶、蛋白、基因的路径及调控机制；解析呼吸作用产能代谢过程与光合作用产能代谢过程中主要因素影响关键酶、蛋白、基因的路径及调控机制；并从分子水平研究不同调控环境下关键酶的活性和三维构象、重要蛋白的表达、相关基因的表达。以上研究将明确光合细菌污水处理系统中调控菌体累积的主要因素，揭示其调控光合细菌物质合成与能量转化途径的分子生物学机制，补充与完善光合细菌生化工程理论与方法，为实现光合细菌废水处理和菌体资源化的工业应用奠定基础。

针对光合细菌污水处理系统中菌体产量不高、资源化利用效率较低的问题，利用生化工程方法调控物质代谢与能量转化，从而提高菌体产量与蛋白质转化效率，并刺激菌体中高价值物质的合成。. 本项目主要开展了以下工作：影响污水处理系统中光合细菌增长的作用因素确定及优化；生化工程方法调控呼吸产能代谢途径促进菌体增殖的分子生物学机制；生化工程方法调控光合磷酸化产能代谢途径促进菌体增殖的分子生物学机制；生化工程方法调控物质代谢途径促进菌体增殖的分子生物学机制。. 项目取得的主要成果与关键数据如下： . 确定主要影响因子并优化：最优的光照强度为6000lux，菌体产量为2300mg/L，光照强度的影响分为光限制、光满足、光抑制；最优的氧气条件为微氧（0.3-0.9mg/L），菌体产量为2200mg/L； .植物激素中琥珀酸、三十烷醇、赤霉素的最优剂量为600、1、0.5mg/L，菌体产量为3000、3600、3600mg/L。.光照对光合产能代谢有影响，对呼吸代谢无影响。光照能够诱导并启动光合基因的表达来控制关键酶和色素的含量来提高光合作用中ATP的产量；溶解氧通过调控关键酶和色素对两条代谢途径都有影响。琥珀酸对光和产能无影响，仅对呼吸产能代谢中琥珀酸脱氢酶起作用；三十烷醇对光合产能有影响，对呼吸产能无影响；赤霉素通过调控菌绿素和类胡萝卜素的含量对光合产能有影响，对呼吸产能无影响。微量元素对产能代谢的影响机制：镁离子通过调控菌绿素、类胡萝卜素对光合产能有影响，对呼吸产能无影响；钴对两条产能途径均无影响；铁对两条产能途径均有影响，但影响机制不同，铁可作为诱导物启动铁硫簇组装操纵子，合成铁硫簇组装蛋白，利用铁和硫合成铁硫簇，提高ATP产量。.光照对C3途径关键酶有影响，但对蛋白质和脂肪酸合成无影响；溶解氧对C3途径、蛋白质和脂肪酸合成均无影响；植物激素对C3途径和蛋白质、脂类合成途径均无影响；镁通过调控关键酶对C3途径有影响，而对蛋白质和脂类合成无影响；钴对物质合成途径无影响；铁对物质合成途径无影响。..上述研究成果，可用于采取生化工程方法强化光合细菌污水处理、提高过程中菌体与高价值物质的合成转化，提高该工艺的经济价值，为光合细菌污水处理技术的推广应用提供了技术指导。