豬ELISA試劑盒活性污泥法是市政污水和工業(yè)廢水凈化處理的主流技術(shù)，超過90%的市政污水和50%的工業(yè)廢水處理采用活性污泥法，而微生物菌膠團(tuán)的形成是活性污泥法成功的關(guān)鍵。菌膠團(tuán)形成菌所產(chǎn)生的膠質(zhì)狀胞外多聚物（簡(jiǎn)稱EPS）是活性污泥菌膠團(tuán)形成所必需的“黏合劑”。為此，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所邱東茹學(xué)科組對(duì)微生物菌膠團(tuán)形成與調(diào)控的分子機(jī)制開展了深入系統(tǒng)的研究。
 邱東茹學(xué)科組曾發(fā)現(xiàn)，除了胞外多糖合成相關(guān)基因和基因簇，兩個(gè)編碼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）對(duì)菌膠團(tuán)的形成有重要作用。近日，該學(xué)科組鑒定出一個(gè)依賴于RpoN sigma因子的雙組分系統(tǒng)（Two-component system）PrsK（感受器組氨酸激酶）和PrsR（響應(yīng)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子），共同調(diào)控一類稱為PEP-CTERM的特殊胞外蛋白質(zhì)的表達(dá)。PEP為靠近羧基端、高度保守的脯氨酸-谷氨酸-脯氨酸基序，可能是蛋白質(zhì)分選信號(hào)。該蛋白富含天冬酰胺殘基（N），與胞外多糖可能通過N-聯(lián)鎖的蛋白質(zhì)糖基化形成網(wǎng)狀的EPS：胞外多糖長(zhǎng)鏈相當(dāng)于網(wǎng)線，而PEP-CTERM蛋白質(zhì)象使網(wǎng)線交織的網(wǎng)節(jié)，包裹微生物細(xì)胞來(lái)介導(dǎo)活性污泥微生物菌膠團(tuán)的形成。利用質(zhì)粒過量表達(dá)PEP-CTERM蛋白A（PepA）可以繞開PrsK-PrsR二組分系統(tǒng)在菌膠團(tuán)形成中的必要性。研究發(fā)現(xiàn)，所鑒定的與菌膠團(tuán)形成相關(guān)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）、亞硝化細(xì)菌和近發(fā)現(xiàn)的硝化螺旋菌屬（Nitrospira）的全程氨氧化菌（comammox）等多種重要的活性污泥細(xì)菌基因組或宏基因組中存在，說(shuō)明這些活性污泥細(xì)菌可以形成菌膠團(tuán)，從而在活性污泥工藝中得以富集，發(fā)揮有機(jī)污染物降解和除磷脫氮功能。
這些發(fā)現(xiàn)為揭示活性污泥微生物菌膠團(tuán)形成機(jī)理打下良好基礎(chǔ)，對(duì)活性污泥工藝處理效率提升、污泥膨脹控制、剩余污泥減量和資源化利用等新技術(shù)開發(fā)具有參考意義。上述研究在研究員邱東茹指導(dǎo)下由博士生高娜、夏明等完成，研究工作得到了中科院“微生物組計(jì)劃”、中科院“百人計(jì)劃”經(jīng)費(fèi)和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
(A)動(dòng)膠菌野生型，攜空質(zhì)粒，形成菌膠團(tuán)；(B) prsR敲除突變株，攜空質(zhì)粒，不能形成菌膠團(tuán)，可觀察到纖維狀的胞外多糖和分散的細(xì)菌細(xì)胞；(C) prsR敲除突變株的遺傳互補(bǔ)株，攜克隆有prsR基因的質(zhì)粒，形成菌膠團(tuán)；(D) prsR敲除突變株，攜克隆有pepA的質(zhì)粒，在強(qiáng)啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)下不依賴于RpoN和PrsR過量表達(dá)PepA，形成菌膠團(tuán)； (E) 振蕩后，模擬曝氣池狀況，prsR敲除突變株培養(yǎng)物處于渾濁狀態(tài)；(F）靜置后，模擬二次沉淀池狀況，菌膠團(tuán)沉淀到底部，prsR敲除突變株則不能沉淀