基于基因组学分析的工程藻株构建及低温处理有机废水同步回收能源

Biodiesel as a new kind of biomass energy has attracted attention due to its renewable and pollution-free characteristics, and it meets the strategic demands of the developing clean and efficient energy for 13th National Five-Year Plan. To further improve the production yield and productivity of biodiesel, the research focus on the synthesis mechanism of microalgal lipid and the construction of efficient and stable engineered microalgal strains. This project will analyze its genomics of a lipid-rich microalgal mutant obtained in our previous work, screen key genes affecting the synthesis and expression of lipid and explore the metabolic pathway for efficient lipid synthesis. Furthermore, based on above key genes, we will construct the engineered microalgal strains with rich lipid and good environment adaptation via overexpression and knock-out of specific genes. Finally, the project will built the process-control strategy of simultaneous biodiesel production and organic wastewater treatment in low temperature condition, and realize the deep utilization of organics in wastewater, which have a significant contribution to solving energy shortage, enhancing energy recovery rate, reducing wastewater treatment cost and improve environment quality, especially in the northern cold area.

生物柴油作为一种新型的生物质能源，以其可再生、无污染的特点，受到了人们的广泛关注，符合国家“十三五”规划中加快清洁、高效能源开发的战略需求。为了进一步提高生物柴油的产量和产率，微藻油脂的合成机制分析以及高效、稳定的工程藻株构建成为了研究的重点。本课题拟对前期获得的一株富油微藻突变株进行基因组学分析，筛查影响油脂合成和表达的关键基因，探究其油脂高效合成的代谢途径。同时，以这些关键基因为基础，利用基因超量表达及敲除技术，构建油脂含量高、环境适应能力强的工程藻株。最后，针对北方寒冷环境下废水处理难、成本高的特点，建立低温条件下微藻产油和有机废水同步处理的工艺调控策略，实现废水中有机物的深度利用，为解决能源短缺、提高能源回收率、降低处理成本和改善环境质量做出重要的贡献。

通过分子调控与工艺调控实现微藻的高油脂累积与废水的处理，对于降低微藻生物柴油技术的生产成本和加快产业化步伐具有重要的推动作用。.本项目对一株高含油的藻株突变株Scenedesmus sp. Z-4和一株低含油的微藻野生株Scenedesmus sp. MC-1进行了基因组、转录组和蛋白质组的测序工作。两株微藻的全基因组约为38.2 Mbp，经BLAST比对后发现有1256条基因序列发生了变化，其中有148个差异基因与糖代谢和油脂代谢紧密相关。对油脂合成中的几个关键调控基因，如乙酰CoA羧化酶（ACCase）基因、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）基因、二酰甘油转移酶（DGAT）、脂肪酸合酶（FAS）基因等在突变藻株Scenedesmus sp. Z-4基因组中的突变位点进行了确认。同时，转录组和蛋白质组的测序结果也证实了这些基因突变导致了相应酶活性的变化，ACCase、DGAT和FAS在转录水平和蛋白水平上的表达分别增加了12.6/5.8/6.8和8.2/4.3/3.9倍。更重要的发现是，转录因子Gofm4和铁氧还原蛋白-NADP+氧化还原酶的活性分别增加了11.8/7.7和9.8/6.2倍，它们可能通过强化转录的起始过程以及提供还原力来促进油脂的积累。为了进一步验证这些关键基因对于油脂积累的影响，将突变藻株Scenedesmus sp. Z-4中的ACCase基因、DGAT基因、FAS基因、转录因子Gofm4基因和铁氧还原蛋白-NADP+氧化还原酶（正调控）导入到野生藻株Scenedesmus sp. MC-1中进行基因重组实验，从阳性克隆筛选出转基因藻株，结果表明这些转基因藻株的油脂含量均高于野生藻株却低于突变藻株，证实了单独表达这些基因能够对油脂积累产生一定的促进作用。同时对Scenedesmus sp. Z-4中的PEPC基因和丙酮酸脱氢酶（负调控）进行了基因敲除实验。最终得到的一株最优转基因微藻藻株Scenedesmus sp. D-3由重组DGAT基因而来，其油脂含量和生物量可达36.8%和3.74 g L-1。.本项目提出了微藻在低温条件下处理废水的思路，在10°C条件利用突变藻株Scenedesmus sp. Z-4处理糖蜜废水，COD为8000 mg L-1，接种量15%，C/N为15时，COD、TN和TP去除率分别为87.5%、90.6%和88.