近期，我校生物工程学院和未来食品科学中心陈坚院士团队张娟教授课题组在利用生物技术修复水体重金属污染方面取得重要进展，研究成果“Biosynthetic amyloid fibril CsgA-Fe3O4 composites for sustainable removal of heavy metals from water”正式发表于Separation and Purification Technology (IF=8.6) (https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125191)。
水体重金属污染一直是备受关注的环境问题，重金属通过食物链迁移并进入人体，对人类健康构成了重大威胁。即使是低水平的重金属，由于其长期聚集、代谢困难和不可降解性，也会危及生命。世界卫生组织(WHO)对饮用水中Cu2+、Cd2+和Pb2+残留限值分别为31.5 μM、44.5 μM和48.0 μM。然而，在水体重金属去除的研究中，实验设计的重金属浓度通常远高于实际环境负荷，很少有针对棘手的低浓度范围，这导致开发的去除技术在实际应用中效果不佳。
针对以上问题，张娟教授课题组利用淀粉样蛋白多官能团和自组装特性在重金属吸附中的优势，通过微生物合成大肠杆菌Curli卷曲纤维中最大的结构亚基CsgA蛋白，并与Fe3O4磁性纳米颗粒体外结合为CsgA-Fe3O4复合体，在水体低浓度重金属的去除中显示了优秀的性能。
首先，将能够特异性结合Fe3O4磁性纳米颗粒的TVNFKLY短肽融合到CsgA蛋白的C端，构建了CsgA蛋白过表达菌株E. coli BL21 (DE3)/pET-28a-CsgAnoSS-TVNFKLY-HisTag。其次，将纯化的目标蛋白CsgA-TVNFKLY体外自组装为纳米纤维，并与Fe3O4结合制备了一种合成淀粉样蛋白纤维CsgA-Fe3O4可回收复合体。最后，对CsgA-Fe3O4可回收复合体吸附水体重金属的性能和机制进行了研究。结果显示，CsgA-Fe3O4复合体对1 mg·L-1重金属离子的去除率最高可达98.73% (Cu2+)>98.43% (Cd2+)>93.00% (Pb2+)。6个循环结束后，对Pb2+、Cu2+、Cd2+仍保持80%以上的去除能力。多组分模拟废水中对1 mg·L-1重金属的去除率为94.73% (Cu2+)>93.10% (Cd2+)>91.57% (Pb2+)。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)与X射线光电子能谱(XPS)分析表明，CsgA-Fe3O4可回收复合体对重金属的吸附机制为与表面含氧官能团的络合作用。本研究为水体重金属污染的高效去除提供了一种可编程的、可回收的处理技术。
图形摘要
张娟教授为论文的通讯作者，我校青年教师彭政为第一作者，20级硕士赵丹丹为共同第一作者。上述研究得到了国家重点研发计划(2019YFC1605800)项目的资助。
近年来张娟教授课题组以生物合成功能蛋白/材料的结构和特性为理论指导，在利用生物技术修复水体重金属污染、降解环境污染物乙醛等方面取得系列成果，相关研究成果已发表在Separation and Purification Technology (2022, 2023)、Journal of Cleaner Production (2023)和Journal of Environmental Management (2023)等本领域权威期刊。
