系统生物学指导的氧化葡糖杆菌工程实现高效稀土元素生物浸出

本研究针对传统稀土元素(REE)提取工艺环境污染严重的问题，通过系统生物学指导的基因工程改造氧化葡糖杆菌(Gluconobacter oxydans)，敲除磷酸盐转运系统基因pstS并过表达膜结合葡萄糖脱氢酶基因mgdh，使生物浸出液pH降低0.39单位，在1%矿浆密度下REE浸出效率提升73.1%。该成果为开发环境友好的REE可持续提取技术提供了新策略。

　　

稀土元素(REE)是风电机组、固态照明、高温超导体等清洁能源技术的核心材料，但传统提取工艺需使用强酸高压，产生大量含放射性物质的废弃物。氧化葡糖杆菌(Gluconobacter oxydans)能通过不完全葡萄糖氧化产生酸性浸出液，但其天然菌株效率不足。美国康奈尔大学Barstow团队通过系统生物学分析，针对磷酸盐信号通路和葡萄糖代谢途径进行精准改造。

研究采用codA标记无痕删除技术构建pstS缺失株，并通过tufB/P112/P114三种启动子调控mgdh表达。通过生长曲线测定、浸出液pH监测和ICP-MS稀土含量分析，发现ΔpstS突变株通过激活磷酸饥饿响应使浸出液pH降低0.29单位，REE浸出率提升30.1%。结合P112启动子驱动mgdh过表达后，双突变株ΔpstS-P112:mgdh在10%矿浆密度下浸出效率提升53%，1%密度下达73.1%。

结果部分显示：

1. 磷酸盐转运系统删除提升浸出效率
   通过比较转座子插入突变与完全基因删除，证实pstS完全缺失(ΔpstS)使浸出液pH最低(降0.29单位)，对应REE浸出率较野生型提升30.1%。生长曲线显示突变株延滞期延长但最终菌密度更高。

2. 葡萄糖代谢途径改造强化酸生产能力
   在ΔpstS背景下，P112启动子驱动的mgdh过表达效果最佳，使浸出液pH再降0.39单位。值得注意的是，不同启动子在野生型和突变株中表现差异，提示phoB可能调控P112活性。

3. 矿浆密度优化放大基因工程效益
   在1%低矿浆密度下，双突变株的REE浸出优势从53%提升至73.1%，推测与氧气传质改善有关。与硝酸浸出对比显示，虽然化学浸出总量更高(5倍)，但生物浸出对重稀土选择性更好且环境友好。

讨论指出，pstS缺失可能通过两种机制增效：一是解除pho调节子对有机酸合成基因的抑制，二是增强细菌对酸性环境的耐受性。该研究首次实现通过协同调控营养胁迫响应和碳代谢通路来优化生物浸出，为绿色冶金提供了新思路。工程菌株已具备商业化应用潜力，其技术框架还可拓展至其他战略金属的生物提取。