新型水体重金属吸附及逃逸控制微生物的设计与构建

The rivers have serious pollution with heavy metals due to long-term industrial emissions in China. Because of the high mobility of waterbody, the polluted rivers are posing significant threat to the environment. Among the water pollutants, the relatively low concentration of heavy metals are dangerous and difficult to clean by chemo-physical treatment. Recently, microbial absorption-based methods are becoming increasingly popular, but the absorption efficiency of natural microbes tends to be low and needs to be improved. Additionally, heavy metal ions absorbed by microbes in current reports are not really removed from the environment, which are at high risk of causing secondary pollution, thus fast and low-cost method are required to recover microbes with heavy metals. Moreover, the biosafety concern of engineered microbes requires technology to be developed to manage the environmental impact of such microbes. To meet these urgent requirements, this proposal plans to investigate the principles for the rational design of heavy metal absorption parts, microbe recovery parts and biosafety parts. Together with various inducible promoters, these parts can be incorporate into genetic circuits to control the engineered microbes’ behaviors such as absorption, recovery and death. In the last, the constructed heavy-metal-cleaning microbes are planed to be put in modeling waterbody to evaluate the efficiency and biosafety as well as its impact on the indigenous microbial population. This project could provide the theoretical basis for microbial absorption-based bioremediation of water with heavy metal pollution.

粗放的工业排放造成我国河流水体重金属污染严重。因水体流动快，扩散性强，对水体环境中重金属的清理已经成为亟待解决的重大环境问题。基于微生物的重金属吸附逐渐成为研究热点之一。但天然重金属吸附微生物的效率不高，需要改造提高活力；再者，被吸附的重金属仍存在于环境中，存在二次污染的风险，需要开发快速、成本低的回收手段；次者，要考虑工程菌株的生物安全性，需要开发防逃逸技术，实现其环境可控。本项目针对上述技术需求，开展高效重金属吸附元件、微生物富集回收元件及微生物逃逸控制元件的人工设计与优化等基础研究；利用各种诱导型启动子设计遗传回路（Genetic circuit），对吸附元件、富集元件、逃逸控制元件的表达进行调控，实现对微生物的吸附、富集和死亡行为的人工控制；构建高效、生物安全的重金属污染修复菌株，并进行工程菌株在模拟水体的应用评价。该研究可为微生物修复水体重金属污染技术提供理论基础。

粗放的工业发展导致了大量重金属污染物的环境释放，汞是其中毒性最大的全球循环性重金属污染物。基于微生物吸附法治理水体汞污染方法成为当下环保研究和污染治理的热点之一。传统天然微生物对重金属的吸附效率不高，且吸附后的污染物仍存留在环境中，存在二次污染的风险。随着基因工程技术的发展，可以改造微生物提高重金属吸附效率，结合回收工艺，实现重金属从环境中的移除，满足生物修复的需求。但公众对生物安全的担忧和国家政策法规等限制，基因工程改造的微生物无法在环境中直接应用。本研究以合成生物学研究手段，开展基因线路的设计和优化，实现工程生物体对汞离子的高效吸附和脱除的同时，确保对工程生物体生长的可控，从而解决工程化微生物的环境释放问题。设计了响应汞离子浓度的基因线路。汞污染水体中，该基因线路可以自动响应水体中的汞离子浓度，实现重金属吸附、富集元件的高效表达；当工程菌株逃逸至自然环境之后，汞离子浓度降低，低于阈值后，基因线路自动启动自杀模块的表达，实现基因工程菌株的高效可控应用。研究过程中，我们详细刻画了各种诱导型启动子，在大肠杆菌中优化了工程菌株基因线路的汞离子响应灵敏度，实现了模块化程序性表达重金属吸附和菌体富集回收元件；逃逸控制效率逐步提升至10-9，符合美国NIH建议的遗传改造微生物环境释放标准的低逃逸率。进一步将该线路移植到环境微生物常用的假单胞菌体系，开展了适配性优化。优化后的基因线路在恶臭假单胞菌菌株KT2440中表现出了与大肠杆菌相当的性能。通过生态学分析，证实带有自杀线路的工程化假单胞菌在自然环境中无法生存。本研究为今后工程菌株的环境释放和生物修复技术开发提供了理论基础。