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作为绿色水处理剂,微生物絮凝剂的研发及应用受到高度重视,多年来一直是环境生物技术领域的研究热点。然而,由于微生物絮凝剂的生物合成机制尚不清晰,导致无法从根本上解决微生物絮凝剂产量低的瓶颈问题,限制了微生物絮凝剂在水处理中的应用。与此同时,传统絮凝剂对水中溶解性污染物去除效能并不理想。多糖型微生物絮凝剂带有大量负电荷,不仅可以絮凝水中的悬浮性污染物,还可以吸附水中的溶解性污染物。因此,针对微生物絮凝剂产量低、对溶解性污染物去除效能差的现状,本文开展了多糖型微生物絮凝剂合成途径研究,指导基因调控多糖型微生物絮凝剂合成过程,旨在揭示多糖型微生物絮凝剂合成机制,提高多糖型微生物絮凝剂产量。并将多糖型微生物絮凝剂应用于水中重金属离子去除,为解决溶解性污染物去除效能差的问题奠定基础,拓宽其应用范围。针对目前微生物絮凝剂合成机制尚不清晰的现状,采用转录组学、代谢组学、基因敲除技术分析参与多糖型微生物絮凝剂合成的基因及代谢物,构建多糖型微生物絮凝剂合成途径。转录组学数据表明,与非产絮过程相比,在菌株Agrobacterium tumefaciens F2产絮过程中有20个与葡萄糖、半乳糖、甘露糖、鼠李糖代谢相关的基因表达水平上调。定量PCR结果证实了转录组学数据的准确性。代谢组学检测结果表明,与非产絮过程相比,在菌株F2产絮过程中,其菌体内有118种差异代谢物含量显著升高,27种差异代谢物含量显著降低。其中,葡萄糖-6-磷酸含量提高了约13倍,UDP-葡萄糖含量提高了约187倍,是参与多糖型微生物絮凝剂合成过程的关键代谢物。基于p值<0.05,通过KEGG路径富集分析可知,碳水化合物代谢、氨基酸代谢、能量代谢、膜运输过程与多糖型微生物絮凝剂合成过程密切相关。为了验证菌株F2中参与多糖型微生物絮凝剂合成的基因,采用基因敲除技术对基因进行破坏,结果表明,exo A、exo C、exo F、exo P、exo Q、exo Y基因破坏后菌株失去产絮能力,在突变菌株中回补相应基因后菌株恢复产絮能力,因而证实了它们参与多糖型微生物絮凝剂合成过程。根据参与多糖型微生物絮凝剂合成过程的基因和代谢物,揭示多糖型微生物絮凝剂合成途径。针对野生产絮菌株合成微生物絮凝剂产量低的瓶颈问题,构建重组产絮菌株F2-exo A-O、F2-exo C-O、F2-exo F-O、F2-exo Q-O、F2-exo Y-O,通过基因调控多糖型微生物絮凝剂合成过程,提高多糖型微生物絮凝剂产量。野生菌株F2合成微生物絮凝剂产量为686 mg/L,其中多糖含量为304 mg/L。与野生菌株F2相比,重组产絮菌株F2-exo Y-O的产絮能力显著提高,微生物絮凝剂产量可达1219 mg/L,其中多糖含量可达720 mg/L。与野生型菌株F2合成的多糖型微生物絮凝剂相比,重组菌株F2-exo Y-O合成的多糖型微生物絮凝剂中多糖含量提高了1.37倍,p H 6.0～7.0的溶液带有更多负电荷,更有利于絮凝水中悬浮性污染物、吸附溶解性污染物。另外,单位体积重组菌株F2-exo Y-O的发酵液絮凝活性增强。多糖型微生物絮凝剂含有丰富的官能团,如半缩醛基团和羟基基团,主要糖单体组成为葡萄糖、半乳糖、甘露糖、鼠李糖。与野生菌F2产絮结构相比,重组菌株F2-exo Y-O产絮结构中电荷、官能团及糖单体类型未发生变化,但葡萄糖单体占比由48.24%提高到了75.40%,半乳糖单体占比由6.66%提高到了13.70%,相应甘露糖和鼠李糖单体占比降低。在导入的exo基因中,只有exo Y基因导入菌体后,菌体产絮能力显著提高。结合基因功能及絮凝剂结构分析可知,exo Y基因编码十一碳二烯磷酸半乳糖转移酶,参与多糖型微生物絮凝剂合成过程中的关键步骤,该基因表达水平决定了菌株F2中多糖型微生物絮凝剂合成水平。将重组菌株F2-exo Y-O合成的多糖型微生物絮凝剂用于Ag+去除,基于多糖型微生物絮凝剂的还原能力,可在紫外光照下制备纳米银材料,有利于实现废水处理资源化,指导溶解性污染物去除研究,拓宽微生物絮凝剂应用。多糖型微生物絮凝剂对Ag+的结合能力可达85.40 mg/g。动力学和热力学解析结果表明,多糖型微生物絮凝剂结合Ag+的准二级反应速率常数k2为0.279×10-3 mg g-1 min-1,Freundlich常数KF值为16.56 mg g-1。重组菌株F2-exo Y-O合成的多糖型微生物絮凝剂结合Ag+过程的吸附机制解析结果表明,半缩醛基团氧化为羧基基团,Ag+被还原为Ag0,羟基基团也参与了多糖型微生物絮凝剂结合Ag+的过程。与无紫外光照条件相比,紫外光照下多糖型微生物絮凝剂结合Ag+的准二级反应速率常数k2和Freundlich常数KF值更大,表明紫外光照可以促进多糖型微生物絮凝剂与Ag+的结合并加速反应过程。在紫外光照下,利用多糖型微生物絮凝剂合成纳米银材料,纳米银颗粒直径约为12 nm,负载于多糖型微生物絮凝剂表面。UV-vis光谱表明纳米银合成过程中溶液颜色由乳白色变为棕色,XRD和XPS证实单质银出现,且存在少量磷酸银。FTIR证实多糖型微生物絮凝剂中半缩醛基团被氧化为羧基基团,Ag+被还原为Ag0,Ag0经历了成核生长过程,紫外光照加速纳米银颗粒形成。