BioresourceTechnology|合成生物学与环境工程相结合开创藻类处理畜牧业废水新纪元
近日，由中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所的HowardH.Chou课题组，成都信息工程大学的张辉课题组以及美国克莱姆森大学的陈寰课题组在BioresourceTechnology期刊发表重要研究成果"Two-stagecontinuouscultivationofmicroalgaeoverexpressingcytochromeP450improvesnitrogenandantibioticsremovalfromlivestockandpoultrywastewater"。
这项研究为开发基于微藻的工艺以改善畜牧业中的氮和水循环提供了宝贵的见解。同时，在合成生物学和环境工程层面，该研究也为后续优化藻类污水处理技术提供了新的思路和发展方向。
定向进化小球藻对畜牧业废水的处理
利用定向进化技术，筛选到了新型小球藻（M5）能够快速地去除废水中的总氮（TN）,氨氮（NH4-N）和总磷（TP）。在鸭场厌氧废水中实现了192mgTN/L/d、177mgNH4-N/L/d和2mgTP/L/d的去除率，在养猪场厌氧废水中实现了160mgTN/L/d、125mgNH4-N/L/d和6mgTP/L/d的去除率（图1a和b）。与之前发表的研究相比，在TN含量高出4倍的情况下，M5对TN去除率仍旧高出8倍（Wangetal.,2016）。同时，发现M5可有效去除鸭场废水中的强力霉素、磺胺甲氧哒嗪、环丙沙星和磺胺嘧啶（图1c）。在猪场废水中，也可有效去除磺胺甲氧哒嗪、磺胺二甲嘧啶、强力霉素、土霉素、磺胺间甲氧嘧啶、培氟沙星、金霉素和四环素（图1d）。
图1.畜禽废水的批量处理工艺。处理（a）鸭场和（b）猪场废水时细胞密度、化学需氧量（COD）、总氮（TN）、铵氮（NH4-N）、总有机氮（TON）和总磷（TP）浓度的变化。M5处理后（c）鸭场和（d）猪场废水中抗生素的去除率
连续反馈式处理系统的搭建
图2.连续反馈工艺处理畜牧业废水。（a）连续反馈系统示意图。处理（b、c）鸭场厌氧消化废水（DFWD）和（d、e）养猪场厌氧消化废水（PWD）后，I和II阶段的细胞密度、化学需氧量（COD）、总氮（TN）、铵氮（NH4-N）和总磷（TP）浓度。从（f）DFWD和（g）PWD中抗生素去除率
新型P450酶用于畜牧业废水处理
为了进一步探索M5降解废水的潜在机理，我们通过转录组测序挖掘了高表达的P450酶，其中经过分析和比对，发现了一段完整的高表达P450酶的基因（A23292）。为了验证这段基因的潜在功能，将其重新在未进化的原始小球藻（M2）细胞体内进行了过表达实验。研究表明A23292过表达的小球藻细胞（M2+N）足以耐受畜牧业废水中的抑制化合物。经过M2过表达密码子优化的A23292处理后（M2+CO），鸭场和猪场废水中的氨氮去除率分别提高了11倍和5倍（图3a、b）。因此，氨氮去除率的提高可能是由于A23292从废水中去除了生长抑制化学物质，从而促进了更高的细胞生长，从而加速了氨氮的去除。在A23292过表达后，鸭场和猪场废水中实现的NH4-N去除率分别为470mgNH4-N/L/d和240mgNH4-N/L/d。另一方面，M2过表达密码子优化的A23292后，林可霉素、恩诺沙星和泰乐菌素的去除率分别提高了60%、40%和130%（图3c）。这些增加表明A23292参与了这些抗生素的水解作用。
图3.细胞色素P450对畜牧业废水的解毒测试。通过M2与空载体对照（M2+EV）、M5、过表达天然A23292的M2（M2+N）和过表达密码子优化的A23292的M2（M2+CO），去除（a）鸭场和（b）猪场废水中的化学需氧量（COD）、总氮（TN）、铵氮（NH4-N）、总有机氮（TON）和总磷（TP）。（c）在BG-11中，通过过表达密码子优化的A2329的M2抗生素（500μg/L）去除率
本研究主要提供了两种改进基于藻类的高氨氮畜牧业厌氧消化废水的处理方法。一种方法是基于合成生物学改造，通过过表达密码子优化后的P450酶来增强对有毒物质的解毒。另一种是基于DBTL策略，开发通过细胞回流步骤来增强细胞的毒性耐受性并保持细胞繁殖能力。这两种方法已在实验室规模上得到验证，并且为以下学科领域和工程方面提供了一些新的思路和应用：1）通过蛋白质工程改进小球藻P450酶的活性；2）分析结构并探索P450酶在其他类型废水中的潜在功能；3）可以研究基于藻类的CFP工艺与活性污泥工艺的结合进一步去除COD和TN。
参考文献
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