[发明专利]重金属整治系统

说明书

本发明部分地用根据由美国国家科学基金会授予的美国政府拨款NSFCBET-0755649开发的材料来进行。政府可以具有本发明的某些权益。

发明背景

本专利申请要求2009年8月20日提交的美国临时专利申请第61/235,624号的优先权。

发明领域

本发明涉及用于产生耐受包括汞、铅、锌和镉的重金属且能够螯合和累积这些重金属的基因修饰细菌以用于生物整治(bioremediation)受污染液体和固体的分子生物学领域。

背景描述

具有相对高的密度的金属化学元素常常被称为重金属。重金属甚至在低浓度下是有毒的。有毒的重金属包括汞、镉、铅、锌和银。在重金属当中，汞、铅和镉被认为是特别有毒的。

汞已经作为工业过程和天然过程的副产物被引入环境中且可以高的浓度累积在土壤和沉积物中。Patra，M.和Sharma A.，Bot.Rev.66：379-422(2000)。在美国，燃煤发电厂每年放出约48吨的汞，而在亚洲和非洲，燃煤发电厂每年释放多于1500吨。2009年2月8日检索的CleanAir Mercury Rule(清洁空气汞规则).美国环境保护局(“EPA”)2009，www.epa.gov/air/mercuryrule/basic.htm。全世界每年来自所有源的汞排放估计在4800-8300吨。2009年2月8日检索的Mercury Human Exposure(汞人类暴露)，EPA 2008，www.usepa.gov/mercury/exposure.htm。

汞化合物是神经毒素和电子在细胞中运输的强力阻断剂。所有的汞形式是有毒的并对人类健康和对环境带来风险。开发成本有效的和高效的整治系统是极其重要的。

当前从环境清洁汞的整治策略包括冲洗、化学还原/氧化、挖掘、回收和厂外处置。这些方法是成本高的、环境破坏性的和无效的。Karenlampi，S.等人，Environ.Pollut.1007：225-231(2000)。其他方法例如玻璃化和混凝土覆盖使得该地方不能用且对于整治大面积是不切实际的。用当前技术从环境整治一磅汞的成本是数千美元。Hussein，H.等人，Env.Sci.Technol.41：8439-8446(2007)。

与汞一样，其他重金属例如铅和镉带来严重的环境威胁且必须被整治。铅是可以累积在软组织和骨中的强力的神经毒素。因为其毒性，铅已经被EPA和其他机构禁止进入消费者产品中，包括油漆、汽油、水管、玩具以及其他的。EPA将饮用水中的铅含量限制为小于0.015ppm。铅在2007综合环境反应、补偿和责任法(Comprehensive Environmental Response Compensation，and Liability Act，CERCLA)危险物质的优先级表中排在第二。

当前在多个消费者应用中，尤其在电池中广泛使用镉已经增加了该重金属的环境污染。镉已经被表明是高毒性的，造成严重的中毒、骨退化、细胞酶抑制和细胞膜破坏。如在汞的情况一样，当前的整治或捕获铅和镉的方法依赖于使用物理化学方法，包括使用离子交换树脂、沉淀和提取、埋藏、原地覆盖和厂外处置。Kim，S.等人.J.Biosci.Bioeng.99：109-114(2005)。这些方法是成本高的和/或对正被主张保护的环境是破坏性的。需要新的技术来促进被污染环境的整治。

使用有机体来整治被污染环境的生物整治可以提供潜在低的成本和环境友好的方法。例如，细菌可以将某些有毒化合物分解为它们的无毒代谢物。然而，重金属元素例如汞、镉和铅不能被解毒为无毒代谢物。

通过挥发汞的汞生物整治方法依赖于mer操纵子的表达，mer操纵子管理Hg²⁺的运输和还原。mer操纵子基因之一，merA，编码汞离子还原酶，该酶是催化Hg²⁺至Hg⁰的转化的酶。Hg⁰是低挥发性的、低反应性和低毒性形式的汞。Jackson，W.J.和Summers，A.O.，J.Bacteriol.151：962-970(1982)。然而，在挥发过程中，元素汞释放到环境中，在环境中它可以被转化为毒性更大的形式。挥发方法的另一个缺点是其不适合于水处理，因为细菌将挥发的元素汞释放到正被整治的相同的水中。