环境生物修复中高效基因工程菌的构建策略_刘和

浙江大学学报(农业与生命科学版)　28(2):

208～212,2002

Journal of Zhej i ang Un iversity (A gric 1&L ife Sci 1)

收稿日期:2001204202

基金项目:浙江省科学技术厅重点资助项目(001103258)作者简介:刘和(1974-),男,江西吉安人,博士生,主要从事环境生物技术的研究.

文章编号:100829209(2002)022*******

环境生物修复中高效基因工程菌的构建策略

刘和,陈英旭

(浙江大学环境工程系,浙江杭州310029)

摘　要:通过对环境污染物的生物降解机制及妨碍污染物降解的因素进行分析,提出了几种高效基因工程降解菌的构建策略,包括重组污染物降解基因以优化污染物降解途径、重组污染物摄入相关基因以改善对污染物的生物可利用性和重组环境不利因子抵抗基因以增强其环境适应性等Λ关　键　词:生物修复;基因工程菌;污染物降解基因;环境生物技术中图分类号:X 502 文献标识码:A

L I U H e ,CH EN Y ing 2xu (D ep t .of E nv ironm ental E ng ineering ,Z hej iang U niv .,H ang z hou 310029,Ch ina )

Con struction strateg ies of genetically eng i neered bacter i a for env ironm en t biore m edi ation .Journal of Zhejiang U niversity (A gric 1&L ife Sci 1),2002,28(2):2082212

Abstract :Genetically engineered bacteria ho ld p rom ising po tential in the future app licati ons of bi o rem e 2diati on .T h is paper p resents several constructi on strategies of genetically engineered bacteria fo r the bi o rem ediati on purpo se th rough analyzing the bi odegradati on m echanis m s of po llutants and encum ber 2ing facto rs fo r efficacy of bi odegradati on .T hese strategies include op ti m izati on of the degradati on path 2w ays ,i m p rovem ent of the bi oavailability to po llutants and enhancem ent of the abilities of to lerance to the environm ental hazardous facto rs .

Key words :bi o rem ediati on ;genetically engineered bacterium ;po llutant catabo lic gene ;environm ental

bi o techno logy

受污染环境的生物修复技术是一项蓬勃发

展的环境污染治理技术,因其对受污染环境的生态风险小、费用低廉而日益引起各国政府部门和环境科学研究者的关注Λ微生物丰富的生物多样性决定了其代谢类型与污染物降解途径的广泛多样,因此在实际中得到了更多的应用Λ

然而受微生物对污染物特别是难降解污染物的降解能力所限,生物修复技术具有修复周期长的明显缺点,阻碍了这一技术在现实中的发展和应用Λ

构建高效的基因工程菌可以显著提高污染物的降解效率[1],它为解决生物修复周期长等问题提供了崭新的途径Λ环境微生物尤其是细菌中的污染物降解基因、降解途径等许多污染物降解机制的阐明为构建具有高效降解性能的污染物降解基因工程菌提供了可能[2]

过对污染物生物降解机制以及阻碍污染物降解的相关因素进行分析,提出几种高效基因工程菌的构建策略Λ

1　优化污染物的降解途径

1.1　重组互补代谢途径

有机污染物在降解菌编码的一系列酶催化作用下,逐步从复杂大分子化合物降解成简单的无机小分子化合物Λ一些难降解有机污染物特别是人工合成化合物(xenob i o tics)还需要不同降解菌之间的协同代谢或经共代谢等复杂机制才能最终得以降解,这无疑降低了污染物的降解效率Λ因为污染物代谢产物在不同降解菌间的跨膜转运是耗能过程,对细菌来说这是一种不经济的营养方式Λ另外,某些污染物的中间代谢产物可能具有毒性或对代谢活性有抑制作用,如不能被迅速代谢利用,积累后将对整个代谢过程产生抑制作用Λ由于不同种属、来源的细菌降解污染物的种类、方式以及降解活性都存在显著差异,因此对这些细菌的降解基因进行重组,将分属于不同细菌个体中的污染物代谢途径组合起来以构建具有特殊降解功能的超级降解菌,可以有效地提高微生物的降解能力,从而提高生物修复效率Λ

近年来,随着对污染物降解机理的逐步阐明及分子生物学实验手段的飞速发展,运用污染物互补降解途径重组策略已构建出越来越多的超级降解工程菌Λ多氯联苯(PCB s)是自然环境中广泛存在的一类难降解污染物ΛPCB s在好氧条件下通过细菌bp h A基因编码的联苯双加氧酶催化联苯裂解,生成氯代苯甲酸(CBA)以及异戊二烯酸Λ后者最终降解成CO2和H2O,但细菌对CBA因缺乏相应的降解基因而不能继续降解Λ由于CBA对联苯双加氧酶具有强烈的抑制作用,使整个PCB s的降解效率显著降低Λ与此同时,某些细菌中发现的脱卤素基因,如P seud o m onas aerug inosa142中的ohb以及A rth robacter g lobif or m is KZT1中的f cb 等,它们能迅速脱除CBA上的氯,使CBA顺利进入后续降解步骤,同时也解除了CBA对整个降解途径的抑制作用Λ因此用脱卤素基因和

bp h基因构建的重组体bp h∷ohb弥补了PCB 的代谢缺陷Λ

实际上,自然界细菌在污染物的选择压力

下相互间的同源基因也存在着遗传交换和重

组,以形成新的污染物降解途径,但是概率极

低Λ运用互补代谢途径重组策略可以极大地扩

展细菌的污染物降解范围以及增强细菌对污染

物特别是难降解污染物的降解能力,这对于提

高生物修复的效率无疑具有重要意义Λ

1.2　改变污染物代谢产物流向

污染物降解过程中由于抑制性中间代谢产

物的生成或中间产物进入截止式代谢产物途径

(end2p roduct p athw ays)而抑制了污染物降解酶活性,使得污染物降解效率不高或降解不彻底Λ因此可以考虑将细菌对污染物的中间代谢产物流向进行某些改进,使抑制性中间产物不生成或尽快转化,从而提高污染物降解效率Λ例如,苯、甲苯、二甲苯(B TX)是环境中常见的石油化工污染物,它们单独存在时被细菌通过TOL或TOD两种途径降解,但两种途径都存在缺陷:TOD途径中,二甲苯降解产生的中间产物3,62二甲基邻苯二酚是一截止式代谢产物(dead2end p roduct),因不能被后续的加氧酶识别而导致二甲苯降解不完全Λ而在TOL途径中,降解B TX的P.p u tid a m t22菌体内不存在识别苯的加氧酶,致使苯不能被降解而在环境中积累Λ然而研究发现,P.p u tid a m t22菌体内的对甲基苯甲酸脱氢酶能识别TOD途径中经甲苯双加氧酶催化苯降解产生的二羟基二氢对二甲苯,使之得以完全降解Λ因此,可以通过将TOD途径中编码甲苯双加氧酶的基因转移到P.p u tid a的TOL途径中,利用TOL途径中的脱氢酶来催化TOD途径中生成的二羟基二氢对甲苯,使二甲苯不再进入3,62二甲基邻苯二酚途径Λ这样通过TOL和TOD途径整合到一起,污染物降解前段利用TOD途径,后段利用TOL途径,通过改变污染物的代谢流向而将B TX完全降解(见图1所示)Λ

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　第2期　刘和,陈英旭 环境生物修复中高效基因工程菌的构建策略