基于改进的遗传算法-人工神经网络（GA-ANN）的生物脱墨策略，用于处理由Trametes versicolor GGRK18产生的漆酶及其共表达基因网络分析

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Improved GA-ANN based optimized bio-deinking strategy for laccase produced from Trametes versicolor GGRK18, and its co-expression gene network analysis

废纸酶法脱墨工艺优化及基因网络分析。采用GA-ANN工具优化Trametes versicolor GGRK18产漆酶，活性达906.17±46.76 U/mL，较对照提升21.5倍，最适温度60℃、pH4.0，K+离子使活性提升4830.91±129.3 U/mL。该酶使复印纸脱墨效率提升48%，报纸29.3%，纸张亮度提高34.6%和10.4%，撕裂指数改善18.2%。WGCNA分析揭示8,917基因形成11共表达模块，发现氧化应激、木质素降解及代谢调控相关基因模块与漆酶活性显著关联。

　　本研究聚焦于利用酶促技术对回收纸张进行脱墨处理，旨在寻找一种更加环保、高效的方法以替代传统化学脱墨工艺。传统脱墨过程中使用的化学品如氢氧化钠（NaOH）、过氧化氢（H?O?）、碳酸钠（Na?CO?）、乙二胺四乙酸（EDTA）、硅酸钠（Na?SiO?）和硫酸镁（MgSO?）等，虽然在一定程度上可以有效去除油墨，但这些化学物质往往会对环境造成严重污染，并且可能对操作人员的健康产生威胁。因此，探索一种替代方案显得尤为重要，而酶促脱墨技术因其环境友好性和高效性，正逐渐成为研究的热点。

本研究通过基因算法-人工神经网络（GA-ANN）工具优化了从**Trametes versicolor** GGRK18菌株中生产漆酶的条件，成功实现了漆酶活性的显著提升。实验结果显示，该优化方法使得漆酶活性增加了21.5倍，达到906.17±46.76 U/mL。这一成果不仅提升了漆酶的产量，也为后续的脱墨处理提供了更强的生物催化能力。漆酶在60℃和pH 4.0条件下表现出最佳活性，且在该条件下保持超过90%的残余活性，说明其具有良好的热稳定性和酸碱稳定性。这些特性使得漆酶在实际应用中更加可靠和高效。

此外，本研究还探讨了金属离子对漆酶活性的影响。实验发现，钾离子（K?）对漆酶活性具有显著的促进作用，其活性值达到4830.91±129.3 U/mL，这表明K?在漆酶的催化过程中可能起到了关键作用。同时，通过动力学分析，漆酶的米氏常数（Km）为0.5 μM，最大反应速率（Vmax）为1666.67 μmol/mL/min，说明该酶具有较高的催化效率和较低的底物亲和力，能够快速有效地降解复杂的有机物质。

在脱墨效果方面，使用GGRK18菌株生产的漆酶对复印纸和报纸的脱墨效率分别提高了48%和29.3%。同时，脱墨后的纸张亮度分别提升了34.6%和10.4%，与对照组相比具有显著差异。这一结果表明，漆酶在脱墨过程中不仅能够有效去除油墨，还能够改善纸张的物理和光学性质，使其更加接近原始纸张的质量。同时，撕裂指数显著提高，而爆裂因子则明显下降，说明脱墨后的纸张在机械强度方面也得到了改善，这对于纸张的再次利用具有重要意义。

本研究的另一个创新点在于利用加权相关网络分析（WGCNA）方法，结合下一代测序数据，揭示了与漆酶表达相关联的基因调控网络。通过对约8,917个独特基因的分析，研究人员发现了超过70,000个基因间的相互作用，并将其聚类为11个不同的基因表达模块。这些模块分别与不同的代谢过程和氧化应激通路相关联，表明漆酶的表达不仅受到单一基因的调控，而是涉及复杂的基因互作网络。通过WGCNA分析，研究人员能够识别出与漆酶表达高度相关的基因簇及其关键调控因子，从而为未来研究漆酶的基因调控机制提供了重要的理论基础。

WGCNA是一种基于基因表达相关性的网络分析方法，能够揭示基因之间的复杂关系。该方法通过计算模块特征基因（module eigengene）来识别基因表达模块，并进一步分析这些模块之间的相互作用。与传统的统计方法相比，WGCNA能够更全面地捕捉基因之间的非线性关系，从而更准确地描绘出基因调控网络的结构。本研究中，WGCNA的运用使得研究人员能够从全局角度理解漆酶表达的调控机制，为优化酶的生产条件提供了新的思路。

除了优化酶的生产条件，本研究还提出了一个结合漆酶介导脱墨与基因调控网络分析的综合策略，用于提高回收纸张的脱墨效率和质量。这一策略不仅有助于提高脱墨过程的环保性，还能为纸张回收行业提供更加可持续的解决方案。通过深入研究漆酶相关的基因表达模式，研究人员能够更好地理解其在脱墨过程中的作用机制，从而进一步优化脱墨工艺，提高其效率和经济性。

本研究的意义在于，它不仅为纸张回收行业提供了一种新的脱墨方法，还揭示了漆酶表达的基因调控网络，为未来研究其他酶类在工业应用中的潜力提供了借鉴。随着全球对可持续发展的重视，生物技术在工业领域的应用正变得越来越重要。漆酶作为一种高效的多铜氧化还原酶，其在脱墨过程中的应用潜力巨大。通过优化生产条件和深入研究其基因调控机制，研究人员能够进一步提高漆酶的产量和活性，使其在实际应用中更具优势。

此外，本研究还强调了微生物在纸张回收过程中的重要作用。**Trametes versicolor**作为一种木腐菌，其能够产生多种木质素降解酶，包括漆酶。这些酶在纸张脱墨过程中具有重要的催化作用，能够有效地分解油墨中的有害化合物，使其更容易从纤维表面去除。通过筛选和优化高产漆酶菌株，研究人员能够提高脱墨过程的效率，同时减少对环境的污染。

在实际应用中，漆酶介导的脱墨技术不仅能够提高脱墨效率，还能显著改善脱墨后纸张的物理和光学性能。例如，脱墨后的纸张亮度和机械强度均有所提升，这使得其在再次利用时具有更高的价值。同时，该技术的应用能够减少对化学试剂的依赖，降低生产成本，并提高整个回收过程的可持续性。因此，漆酶介导的脱墨技术具有广阔的应用前景，特别是在纸张回收和环保工业领域。

本研究的成果不仅体现在漆酶的高效生产上，还在于其对脱墨效果的显著提升。通过结合GA-ANN优化技术和WGCNA基因网络分析，研究人员能够更全面地理解漆酶在脱墨过程中的作用机制，并为未来的工业应用提供理论支持和技术指导。这种多学科交叉的研究方法，为解决传统脱墨工艺带来的环境问题提供了新的思路和解决方案。

在实验设计方面，研究人员首先对48株从不同地点分离的真菌进行了初步筛选，通过麦芽提取物琼脂平板法确定了其中4株具有较高的漆酶生产能力，包括GGRK1、GGRK16、GGRK17和GGRK18。其中，GGRK18菌株表现出最强的漆酶活性，因此被选为后续研究的重点对象。通过对不同培养条件的优化，研究人员成功提高了漆酶的产量，并验证了其在脱墨过程中的高效性。

本研究还探讨了多种因素对漆酶脱墨效果的影响，包括酶剂量、处理时间和不同表面活性剂的使用。实验结果显示，适当的酶剂量和处理时间能够显著提高脱墨效率，而合适的表面活性剂则有助于改善脱墨过程的稳定性。这些发现为实际应用中的工艺参数优化提供了重要的参考依据，使得漆酶脱墨技术在工业生产中更具可行性。

总之，本研究通过结合先进的优化技术和基因网络分析，为回收纸张的脱墨处理提供了一种新的、更加环保的方法。漆酶的高效生产及其在脱墨过程中的应用，不仅能够减少对化学试剂的依赖，还能显著改善脱墨后纸张的物理和光学性能。同时，通过对基因调控网络的深入研究，研究人员能够更好地理解漆酶的表达机制，为未来的生物技术应用提供了坚实的理论基础。这一研究不仅具有重要的科学价值，也对推动纸张回收行业的可持续发展具有重要意义。