基因工程菌在废水中的应用

基因工程菌在废水中的应用

摘要﹕

随着经济发展，生活水平的提高，环境污染问题日益成为人们关注的焦点，如何治理环境污染也成为我们面前的一个重要问题。微生物技术在治理环境污染中有着各种各样的优点，随着基因工程技术的发展，人们开始利用基因工程技术对微生物进行改造，从而使其在治理环境污染方面发挥更大的优势。本文结合我国的实际污染情况，主要介绍了基因工程技术在治理水污染中的应用。

关键词：基因工程微生物废水处理

1 基因工程技术治理废水的概念

利用基因工程技术提高微生物净化污染物的能力是现代生物技术用于废水治理的一项关键技术。20世纪50年代初，由于分子生物学和生物化学的发展，对生物细胞核中存在的脱氧核糖核酸的结构和功能有了比较清晰的阐述。20世纪70年代初实现了DNA重组技术，逐步形成了以基因工程为核心内容，包括细胞工程、酶工程、发酵工程的生物技术。这一技术发展到今天，正形成产业化并列为世界领先专业技术领域之一，广泛应用于食品、医药、化工、农业、环保、能源和国防等许多部门，并日益显示出其巨大的潜力，将为世界面临的水污染等问题的解决提供广阔的应用前景[1]。

将基因工程技术应用于重金属废水的治理，就是通过转基因技术，将外源基因转入微生物细胞中表达，使之表现出一些野生菌没有的优良的遗传性状，如对重金属离子高的富集容量以及对特定重金属离子高的选择性，从而实现对重金属离子高效的生物富集。与传统的生物吸附法不同，生物富集法一般被认为是利用活体菌的某些金属离子转运酶通过某些离子转运通道把金属离子转运到细胞内部的过程。虽然在活体菌的细胞壁处仍然会存在表面吸附现象，但主动运输过程占主导地位。对重金属离子的高容量富集或高选择性富集等优良性状与某些微生物对重金属离子的毒性所产生的抗性相关联，由这些微生物在特定的环境中不断进化、变异而获得。微生物由于存在的多样性以及受所生存的特定环境的影响，其对重金属的抗性也具有多样性，这种多样性主要体现在两个方面，一方面是通过在细胞中产生对金属离子具高结合容量的络合物以络合体内的重金属，以减少

毒性较大的活性游离态重金属离子存在，如真核微生物中大量存在的金属硫蛋白；另一方面则是通过一些特定的金属离子转运系统将胞内的重金属离子转运出去以减少对重金属离子的摄取，大多数原核微生物主要是以这种方式体现对重金属的抗性。因此，金属络合物和特定金属转运系统是基因工程技术应用于重金属废水治理的两个要素。

2 基因工程技术在废水处理中的应用

基因工程技术应用于废水处理是水处理领域一项具有广泛应用前景的新兴技术。常规的废水处理方法有物化法、生物法等。由于一般的物化方法只是污染物的转移，不能从根本上治理，且容易造成二次污染，成本也较高，生物法逐渐成为废水处理的主要方法。但是由于废水的多样性及其成分的复杂性，自然进化的微生物降解污染物的酶活性往往有限，如果能利用基因工程技术对这些菌株进行遗传改造，提高微生物酶的降解活性，并可大量繁殖，就可以定向获得具有特殊降解性状的高效菌株，方便有效地应用于水污染处理。因此，构建基因工程菌成为现代废水处理技术的一个重要研究方向，且日益受到人们的重视。

2.1 利用基因工程菌富集废水中的重金属离子

基因工程技术在重金属废水治理中的作用主要体现在提高微生物菌体细胞对重金属离子的富集容量以及提高菌体对特定重金属离子的选择性两个方面。基因工程菌的构建方式随研究者要达到的目标不同而不同。

2.1.1 提高重组菌对重金属离子的富集容量

若不考虑重组菌对特定重金属离子的选择性而只要提高菌体对重金属离子的富集容量，则通过在微生物细胞表面表达高容量金属结合蛋白或金属结合肽的方法就能很好地达到目的。从近年的研究进展来看，采用这种方式构建基因工程菌以提高重金属结合容量的报道较多。Weon Bae[2]等人利用基因工程技术在E.coli细胞壁上直接表达人工合成植物螯合肽2OQly与麦芽糖结合蛋白的融合蛋白MBP.EC20，结果表明基因工程菌对汞的富集能力达到46mg H+/g.dry cell，比原始宿主茵提高数十倍；K.Kuroda[3]等人在Saccharomycescerevisiae细胞表面表达含His的寡肽，该菌株对Cu2+的抗性得到提高，并且其Cu2+吸附能力与对比菌株相比提高了8倍多。Patrik等人在Staphylococcus xylosus和Staphylococcuscamosus菌株表面表达含His.Glu.His和His的嵌合蛋白，大幅提高

了对Ni+和Cd2+的结合能力。Carolina Sousat[5]等人构建表达LamB.MT的E.coli 基因工程菌，使其表达外膜蛋白LamB与酵母金属硫及哺乳动物金属硫蛋白的融合蛋白，对Cd2+的结合能力提高了l5-20倍。胡章立[4]等人研究了MT.1ike的基因衣藻的重金属抗性和结合能力，研究发现其对镉和铜的抗性和结合能力与野生品系相比有大幅提高，在重金属结合方面，在低浓度(5.101xmol/L)的镉溶液中，转基因衣藻的重金属结合能力是其野生菌株的1.5倍左右，在(30.501xmol/L)的镉溶液中，由于重金属对菌体的毒性，两者差异不大；在处理含铜工业废水时，其处理能力提高10％以上。值得注意的是几乎在所有的研究中，外源金属结合蛋白或金属结合肽在宿主菌中的表达都是以融合蛋白的形式进行的，这主要是因为大多数金属结合蛋白以及金属结合肽的半衰期很短，如金属硫蛋白的半衰期只有几分钟，而通过与其它蛋白融合的方式表达这些金属结合蛋白或金属结合肽就可大大增加它们的稳定性。除在微生物细胞表面表达金属结合蛋白或金属结合肽外，将经基因技术在菌体中表达的金属结合蛋白分离后固定在某些惰性载体表面同样也能达到对重金属离子高容量富集的目的。

2.2.2 同时提高重组蕾的富集容量和对特定金属离子的选择

要实现对废水中重金属离子的再资源化，回收过程中生物介质必须对特定重金属离子具有高选择性，这样才可能避免传统生物吸附法因洗脱液中金属离子成分复杂而无法有效再利用其中的重金属资源的问题。由于高容量金属结合蛋白和金属结合肽本身对金属离子没有选择性，因此重组菌对特定重金属离子的选择性就需要通过在细胞膜处表达特异性金属转运系统来实现，同时还必须使金属结合蛋白或金属结合肽在细胞内部表达以高容量富集由转运系统从胞外转入的重金属离子。通过特异性金属转运系统的表达，基因工程菌对目标重金属的富集作用就介于特异性蛋白与目标重金属之间才存在的生物亲和力，具有很高的排他性，与生物吸附法的表面吸附特性完全不同，这就使有效回收利用废水中重金属离子，使废水中重金属元素实现再资源化成为可能。目前已有一些研究者正在从事这方面的研究。Chen等人通过基因工程技术，在E.coli中同时表达转运系统及谷胱甘肽转移酶与金属硫蛋白的融合蛋白，该基因工程菌的抗汞能力显著提高，汞富集能力达91xmol/g.dry cell，比原始宿主菌提高7倍多，汞去除率达到80％以上，而且金属络合物如EDTA、柠檬酸盐、氰化物的存在对汞的富集没有影响。此外，该基因工程菌对Hg2+表现出很高的选择性，水体离子强度及pH的变化、共存离子的存在都基本上不影响重组菌的有效富集。Weon Bae[6]等人以E.coli为宿主菌