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水生所发现新型蛋白质和胞外多糖共同介导活性污泥菌胶团的形成
作者: 高娜、夏明、戴景程 | 2018-03-14 | 浏览量:

  活性污泥法是市政污水和工业废水净化处理的主流技术,超过90%的市政污水和50%的工业废水处理采用活性污泥法,而微生物菌胶团的形成是活性污泥法成功的关键。菌胶团形成菌所产生的胶质状胞外多聚物(简称EPS)是活性污泥菌胶团形成所必需的“黏合剂”。为此,中国科学院水生生物研究所邱东茹学科组对微生物菌胶团形成与调控的分子机制开展了深入系统的研究。

  该学科组曾发现,除了胞外多糖合成相关基因和基因簇,两个编码天冬酰胺合成酶的旁系同源基因(Water Research 102: 494-504)以及RpoN sigma 因子(sigma54)(Applied and Environmental Microbiology, 83:pii: e00709-17)对于菌胶团的形成也有重要作用。最近,该学科组科研人员还鉴定出一个依赖于 RpoN sigma因子的双组分系统(Two-component system)PrsK(感受器组氨酸激酶)和PrsR(响应转录调控因子),共同调控一类称之为PEP-CTERM的特殊胞外蛋白质的表达。PEP为靠近羧基端、高度保守的脯氨酸-谷氨酸-脯氨酸基序,可能是蛋白质分选信号。该蛋白富含天冬酰胺残基(N),与胞外多糖可能通过N-联锁的蛋白质糖基化形成网状的EPS:胞外多糖长链相当于网线,而PEP-CTERM蛋白质象使网线交织的网节,包裹微生物细胞来介导活性污泥微生物菌胶团的形成。利用质粒过量表达PEP-CTERM蛋白A(PepA)可以绕开PrsK-PrsR二组分系统在菌胶团形成中的必要性。还发现所鉴定的与菌胶团形成相关的PEP-CTERM、prsK-prsR和胞外多糖合成基因和基因簇在索氏菌(Thuaera)、聚磷菌(CAP)、亚硝化细菌和最近发现的硝化螺旋菌属(Nitrospira)的全程氨氧化菌(comammox)等多种重要的活性污泥细菌基因组或宏基因组中存在,说明这些活性污泥细菌可以形成菌胶团,从而在活性污泥工艺中得以富集,发挥有机污染物降解和除磷脱氮功能。

  这些结果以Both widespread PEP-CTERM proteins and exopolysaccharides are required for floc formation of Zoogloea resiniphila and other activated sludge bacteria为题已于近日在线发表在《环境微生物学》(Environmental Microbiology)上(http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.14080/abstract)。

  这些发现为揭示活性污泥微生物菌胶团形成机理打下了良好的基础,对活性污泥工艺处理效率提升、污泥膨胀控制、剩余污泥减量和资源化利用等新技术开发具有参考意义。上述研究在邱东茹研究员指导下由博士生高娜和夏明等完成,得到中科院“微生物组计划”、中科院“百人计划”经费和国家自然科学基金的大力支持。

 

  prsR对于动胶菌形成菌胶团的作用。A-D,用亚甲美蓝染色的显微照片;E-F,对应于A-D的菌株悬于试管中的状态。

  (A)动胶菌野生型,携空质粒,形成菌胶团;(B) prsR敲除突变株,携空质粒,不能形成菌胶团,可观察到纤维状的胞外多糖和分散的细菌细胞;(C) prsR敲除突变株的遗传互补株,携克隆有prsR基因的质粒,形成菌胶团;(D) prsR敲除突变株,携克隆有pepA的质粒,在强启动子驱动下不依赖于RpoN和PrsR过量表达PepA,形成菌胶团; (E) 振荡后,模拟曝气池状况,prsR敲除突变株培养物处于浑浊状态;(F)静置后,模拟二次沉淀池状况,菌胶团沉淀到底部,prsR敲除突变株则不能沉淀(Gao et al., 2018)

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