重组大肠杆菌3458菌株的构建及其在六价铬生物修复中的安全性与效能评估

为解决工业废水六价铬Cr(VI)污染问题，厦门大学研究人员通过基因工程技术构建了表达Sporosarcina saromensis M52来源ChrA基因的重组大肠杆菌3458菌株。该研究采用响应面法优化环境参数，结合SEM-EDS/XPS等技术证实菌株通过表面吸附和膜相关还原反应将Cr(VI)转化为低毒Cr(III)，同时通过污泥群落测序和小鼠急性毒性实验评估生态与生物安全性，发现菌株虽存在脂多糖(LPS)诱导肝损伤风险，但可通过生物膜反应器等技术控制风险。该研究为基因工程菌的实际应用提供了安全性和有效性双重保障。

　　

工业废水中的六价铬Cr(VI)因其高溶解性和强致癌性，对生态系统和人类健康构成严峻威胁。尽管传统物理化学处理方法存在成本高、二次污染等问题，但微生物修复技术又面临野生菌株效率低、基因工程菌安全性存疑的双重困境。在这一背景下，厦门大学环境与生态学院的研究团队通过基因工程改造，将源自铬抗性菌Sporosarcina saromensis M52的铬转运蛋白基因ChrA导入大肠杆菌BL21(DE3)，构建出兼具高效修复能力与工程化优势的重组菌株3458，相关成果发表于环境管理领域权威期刊《Journal of Environmental Management》。

研究团队采用响应面法优化培养条件，结合扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)和X射线光电子能谱(XPS)等表征技术解析去除机制，并通过16S rRNA测序和小鼠模型开展生态与生物安全评估。实验所用底泥采自厦门同安西溪流域，小鼠实验经厦门大学动物实验伦理委员会批准(XMULAC20200002)。

3.1 重组菌株构建与验证
通过双酶切和SDS-PAGE验证成功构建pET-28a(+)-ChrA重组质粒，诱导表达45 kDa跨膜蛋白，与ChrA理论分子量(42.9 kDa)相符。

3.2 Cr(VI)抗性与去除能力
菌株3458在200 mg L^-1 Cr(VI)浓度下仍保持生长活性，48小时内完全去除100 mg L^-1 Cr(VI)，其耐受性显著优于野生型M52。

3.3 环境因子影响
响应面分析显示最佳工作条件为pH 7.0-8.5、温度30-45°C，且仅SDS会显著抑制去除效率，表明该菌株适应复杂环境能力强。

3.4 Cr(VI)去除特征
SEM-EDS显示菌体表面Cr含量达0.12%，XPS检测到Cr³⁺特征峰(577.50 eV)，FT-IR证实磷酸基和羧基参与还原过程，揭示其通过表面吸附-膜还原双途径转化Cr(VI)。

3.5 生态安全性
16S测序发现3458RS组污泥微生物ACE指数降低27%，但氮循环功能增强；与野生型相比，重组菌对小球藻的竞争抑制效应无显著差异(p>0.05)。

3.6 生物安全性
小鼠实验显示菌体脂多糖(LPS)导致血清ALT/AST升高2倍，肝组织Bax/Bcl-2比值达2.44，TUNEL染色证实凋亡细胞增加，但通过高温灭活可有效控制风险。

该研究创新性地将基因工程菌的效能评估与安全性研究相结合，证实重组菌3458通过表面功能基团吸附和膜蛋白还原实现Cr(VI)高效转化，其生态风险主要源于营养竞争而非直接毒性。尽管宿主菌内毒素可能诱发肝损伤，但研究提出的生物膜反应器隔离和高温灭活策略为工程菌实际应用提供了解决方案。研究团队建议后续可采用枯草芽孢杆菌等革兰氏阳性菌替代宿主，从根本上规避LPS风险，这一思路为重金属生物修复技术的标准化发展提供了重要参考。