【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于污染物的生物修复的系统和方法
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求于2019年4月12日提交的印度临时专利申请号201921014894的优先权。前述申请的全部内容通过引用结合在此。
[0002]本申请的实施例一般涉及废弃物管理的领域，并且更具体地，涉及通过设计能够完全降解污染物的微生物群落来生物修复污染物的方法和系统。
技术介绍
[0003]多种污染物对环境的污染(其中大部分是由工业和农业实践产生的)正在成为全球健康问题。全球工业化增加了一些含有有害化学成分的产物(包括塑料、农药、合成肥料、电子废料、工业废料、食品添加剂、清洁产物、化妆品、染料等)的生产。这些产物中的许多被释放到环境中并最终主要通过胃肠道、但也可能使用其他途径(如气道或皮肤)进入人类食物链。因此，必须设计出有助于从环境中去除污染物以及消除进入人体系统的污染物的方法。一组这些污染物也被称为内分泌干扰化学物质(EDC)，因为它们会影响个体的荷尔蒙构成并与多种代谢紊乱有关。此外，暴露于化学品可能会对我们体内的被称为“人类微生物组”的微生物产生影响。
[0004]各种物理和化学方法被用于降解污染物。在现有的物理和化学方法中(例如热氧化、光氧化)，与碎片堆积的程度相比，过程的速度慢并且实施成本高。目前的大多数用于生物修复方法都是在能够降解污染物的微生物内寻找初始酶并将这种微生物归类为潜在的降解剂。这些方法没有考虑整个降解途径。然而，在大多数情况下，此类酶是混杂的，因为它们与一系列底物结合并且趋于在微生物基因组上以多个拷贝的形...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于一种或多种污染物的生物修复的方法(200)，所述方法包括：从含有所述一种或多种污染物的环境场地采集样本(202)；分离和识别所述样本中存在的所述一种或多种污染物(204)；创建知识库，其中，所述知识库存储：已识别的所述一种或多种污染物的信息，关于在微生物中识别的能够完全降解所述一种或多种污染物或部分降解所述一种或多种污染物的完全降解途径和部分降解途径的信息，关于所述微生物繁衍的各自环境生态位的信息，和来自不同环境的具有特定的完全/部分污染物降解途径的微生物的列表，其中，所述特定的完全降解途径是指一组微生物基因组上的基因和/或由所述微生物编码的蛋白质，其中，该组基因和/或编码的蛋白质负责将污染物完全降解为对于所述环境场地安全的化合物或能够由所述环境中存在的一种或多种其他微生物同化的化合物，其中，所述微生物中的所述部分降解途径是指构成一个或多个子途径的一组基因或编码的蛋白质，其中，子途径是在所述微生物的基因组内编码的所述完全降解途径的子集，并且所述子途径将所述污染物降解为中间体化合物，所述中间体化合物能够由所述微生物释放到所述环境中，随后由所述环境中的另一种微生物吸收，其中，所述另一种微生物具有代谢所释放的所述中间体化合物的另一个子途径(206)，通过利用所述知识库中的所述信息，为在所述样本中识别的所述一种或多种污染物中的每一种识别一列部分污染物降解剂和一列完全污染物降解剂，其中，所述部分污染物降解剂是指提供将污染物转化为中间体化合物的一个或多个子途径和对应的一组基因、编码的蛋白质或酶的微生物，其中，多个部分降解剂组合地提供用于完全降解采集到的所述样本中识别的污染物的所有子途径，其中，完全污染物降解剂具有在用于降解在采集到的所述样本中识别的所述污染物的单个微生物内的所有子途径和对应的一组基因、编码的蛋白质或酶的组合(208)；使用来自所述知识库的信息创建微生物图谱，其中，所述微生物图谱包括能够将在所述样本中识别的所述一种或多种污染物中的每种污染物降解至不同的降解程度的、所述部分污染物降解剂和所述完全污染物降解剂中的一种或多种的信息，其中，所述污染物的不同的降解程度是指污染物降解为不同的中间体化合物或代谢物，其中，所述中间体化合物或代谢物由一个或多个最终产物确定，所述最终产物是在对应于在降解所述污染物的降解剂的基因组内存在的所述子途径的基因或蛋白质或酶的作用下由所述降解剂释放的，其中，所述中间体化合物能够被释放到所述环境中并由所述环境中的其他微生物利用或者能够被同化到进行这种降解的相同微生物中(210)；使用创建的所述微生物图谱设计第一微生物群落，所述第一微生物群落包括共同提供用于完全降解在所述样本中识别的所述一种或多种污染物所需的子途径的微生物，其中，所述微生物能够在从中采集所述样本的相同环境生态位中共同存活(212)；使用创建的所述微生物图谱设计第二微生物群落，所述第二微生物群落包括共同提供用于将在采集到的所述样本中识别的所述一种或多种污染物部分降解为期望的一种或多种中间产物所需的子途径的基因、蛋白质和酶的微生物，其中，形成所述第二微生物群落的所述微生物能够在从中采集所述样本的所述环境生态位中共同存活(214)；
对含有所述一种或多种污染物的环境场地施用所述第一微生物群落和所述第二微生物群落中的至少一者或二者的混合物(216)；检查所施用的混合物对消除从所述环境场地采集的样本中的一种或多种污染物的功效，其中，通过从采集到的所述样本中分离和识别残余污染物组合来进行功效评估(218)；以及在所述环境场地重新施用新的混合物，其中，通过加入能够作为部分降解剂并组合地降解在采集到的所述样本中的所述一种或多种污染物的一组微生物来制备所述新的混合物(220)。2.根据权利要求1所述的方法，其中，创建所述知识库的步骤进一步包括：使用文献挖掘技术识别微生物中的一个或多个降解途径和相应的基因/蛋白质，其中，所述一个或多个途径降解分离和识别的所述一种或多种污染物，其中，所述文献挖掘还进行了识别一组微生物，在所述一组微生物中，所述一个或多个降解途径得到表征，其中，所述文献挖掘进行了获得关于所述微生物存在和分离的所述环境生态位的信息；识别完全或部分降解分离的所述一种或多种污染物的所述降解途径中的多个子途径，其中，与所述多个子途径中的每一个对应的基因和/或蛋白质或酶是由单种微生物的基因组或多种微生物的基因组编码的，由所述多个子途径中的每一个形成的产物被释放到所述环境场地中，其中，所述产物被所述单个微生物代谢或者由存在于所述环境中的其他一种或多种微生物吸收，其中，所述其他多种微生物具有代谢所述产物的能力；使用关于针对一个或多个识别的污染物中每一个的识别的降解途径、所述降解途径的所述多个子途径、表征所述降解途径的所述一组微生物的信息以及基于关于从中分离出所述一组微生物的一个或多个相应的所述环境生态位的文献挖掘和人工管理的信息来创建污染物途径有机体矩阵PPOM；使用所述文献挖掘技术创建丰富环境微生物数据库DEBG，其中，所述DEBG包含关于微生物和所述微生物繁衍的不同的环境生态位的信息；从预先创建的蛋白质家族数据库pfamDB创建途径结构域图谱PDM，其中，所述PDM中包含的蛋白质结构域对应于构成所述多个子途径的基因/蛋白质，所述多个子途径包含针对所述一种或多种污染物创建的所述PPOM中存在的每个降解途径；创建基因组图谱GM，其中，所述基因组图谱包括关于所有微生物基因组的信息，其中，所述信息还包括微生物中根据各自基因组位置排序的基因列表以及这些基因中编码的组成蛋白结构域；在存储在所述DEBG中的微生物基因组上搜索PPOM中列出的所有途径的所述多个子途径中每一个的PDM中包含的蛋白质结构域的存在，以确定所述基因组上存在这些子途径，其中，使用所述基因组图谱GM作为数据库进行所述搜索，其中，如果所述PDM中列出的提供所述PDM的子途径的基因组中的结构域在所述基因组上基因的窗口尺寸内出现并且数量超过预定义的阈值，则来自所述PDM的所述子途径被认为是存在的；针对采集的所述样本中识别的所述一种或多种污染物中的每一种，使用与DEBG中的所述微生物基因组对应的微生物名称以及关于所述基因组上所述多个途径和所述多个子途径的存在或不存在的信息创建基因组途径主图谱GPM，其中，基于第一预定义标准，所述GPM图谱具有0或1的数值，其中，所述GPM提供关于所述GPM中列出的所述微生物基因组中的每
一个基因组中存在的给定污染物降解途径的所有子途径的信息；以及针对采集的所述样本中识别的所述一种或多种污染物中的每一种，创建基因组途径酶GPE图谱，其中，所述GPE图谱包括在所述DEBG中列出的所有微生物名称、关于每个基因组上多个子途径的每个步骤中涉及的每种酶的活性位点的信息，其中，基于第二预定义标准，所述GPE图谱具有0或1的数值。3.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一预定义标准是针对微生物基因组中的每个子途径的：如果与“PDM”中记录的子途径对应的蛋白质结构域不存在或未达到预定义的基因窗口内的阈值，则分配数值0，并且如果“PDM”中记录的子途径蛋白质结构域存在且高于所述预定义的基因窗口内的所述阈值，则分配数值1。4.根据权利要求4所述的方法，其中，所述阈值是基于文献挖掘和人工管理而确定的并且对应于结构域的阈值最小数以及为确认微生物基因组中所述子途径的存在而需要存在的结构域，其中，将所述阈值定义为所述PDM中与这个子途径对应的结构域总数中所需要的结构域部分。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预定义的基因窗口是使用人工管理来定义的，所述基因窗口说明了在基因组位置的基础上关于基因数目的距离，其中，在所述基因窗口中所述结构域可以被认为构成了子途径，其中，编码形成子途径的蛋白质结构域的基因一起出现在所述微生物基因组上，从而位于所述基因组上定义的基因窗口尺寸内。6.根据权利要求2所述的方法，其中，针对与所述微生物基因组中识别的子途径的每个步骤对应的每种酶的第二预定义标准是：将数值1分配给发现所述酶的活性位点模式的多个酶，并且在没有发现所述酶的所述活性位点模式的情况下，分配数值0。7.根据权利要求6所述的方法，还包括：测试每种酶的分泌能力的存在，并且在所述GPE图谱中为分泌能力的不存在更新数值0或为分泌能力的存在更新数值1。8.根据权利要求2所述的方法，其中，所述pfamDB包括包含在每个微生物基因组的组成基因内的蛋白质家族/结构域的数据库。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望的中间产物是指在识别的所述一种或多种污染物的部分降解过程中得到的并具有多种工业应用的一组中间产物。10.根据权利要求2所述的方法，其中，所述污染物途径有机体矩阵PPOM、所述GPE图谱、所述GPM图谱和所述DEBG一起形成所述知识库。11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述知识库存储关于一种或多种污染物的信息，其中，这些污染物中的一些包括聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、苯乙烯、聚氨酯、多环芳烃PAH、多氯联苯PCB或碳基纳米材料CBNM的不同的同系物。12.根据权利要求11所述的方法，其中，完全CBNM降解涉及双功能过氧化氢酶
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过氧化物酶Kat酶的存在和用于在所述kat酶催化作用后形成的一种或多种中间体的降解的子途径，其中，所述中间体包括由于过氧化氢酶
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过氧化物酶对CBNM的催化作用而形成的PAH、PCB和SAH降解产物中的一种或多种。13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述完全PET降解涉及PETase的子途径，随后是
TPA到PCA的转化，并且用于PET降解的这些子途径中涉及的候选细菌家族包括以下一种或多种：多囊菌科、伯克氏菌科、亚纲目科未定的伯克氏菌目、交替单胞菌科、海洋螺菌科、假单胞菌科或弧菌科，用于对苯二甲酸到原儿茶酸子途径的丛毛单胞菌科、芽胞杆菌科、慢生根瘤菌科、伯克氏菌科、鱼立克次体科、鞘氨醇单胞菌科、生丝微菌科、假单胞菌科、假诺卡氏菌科、草酸杆菌科、根瘤菌科、诺卡氏菌科、红环菌科或链霉菌科，和用于原儿茶酸到乙酰辅酶A子途径的束丝放线菌科、柄杆菌科、草酸杆菌科、链霉菌科、细球菌科、根瘤菌科、粘液球菌科、诺卡氏菌科、布鲁氏菌科、拟诺卡氏菌科、海洋螺菌科、动球菌科、假诺卡氏菌科、放线多孢菌属科、链孢囊菌科、黄色单胞菌科、生丝微菌科、红细菌科、分枝杆菌科、微杆菌科、产碱菌科、地嗜皮菌科、伯克氏菌科、肠杆菌科、盐单胞菌科、莫拉氏菌科、迪茨氏菌科、叶杆菌科、鞘氨醇单胞菌科、红螺菌科、小单孢菌科、丛毛单胞菌科、假单胞菌科、气单胞菌科、交替单胞菌科、橙单胞菌科、噬纤维菌科、奈瑟氏菌科、异常球菌科、类诺卡氏菌科、弧菌科、Kiloniellaceae、戈登氏菌科、李斯特氏菌科、芽胞杆菌科、黄色杆菌科、红色杆菌科、束村氏菌科、慢生根瘤菌科、腐螺旋菌科、鞘氨醇杆菌科、栖热菌科、梭菌科、黄杆菌科、短杆菌科、棒状杆菌科、拜叶林克氏菌科、甲基杆菌科、孢囊杆菌科、颗粒状球菌科、糖霉菌科、芽胞杆菌科1、细链孢菌科、球形杆菌科、未分类的β
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变形菌纲、未分类的伯克氏菌目、未分类的黄杆菌目、耶尔森氏菌科或Vicinamibacteraceae。14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述PAH的完全降解还包括：萘的降解，其包括两个子途径，即，先将萘降解为水杨酸，随后经儿茶酚将水杨酸降解为乙酰辅酶A，蒽的降解，其分为将蒽转化为二羟基萘的子途径，随后经儿茶酚代谢途径降解水杨酸形成乙酰辅酶A的子途径，和菲的降解，其涉及将菲到邻苯二甲酸的子途径、邻苯二甲酸到二羟基苯甲酸的子途径以及菲到二羟基萘的子途径，并且用于降解上述PAH中的每种类型的子途径中所涉及的的候选细菌家族包括以下一种或多种：用于萘到水杨酸的子途径的丛毛单胞菌科、根瘤菌科、交替单胞菌科、芽胞杆菌科、产碱菌科、慢生根瘤菌科、伯克氏菌科、红细菌科、赤杆菌科、鱼立克次体科、戈登氏菌科、海洋螺菌科、橙单胞菌科、草酸杆菌科、叶杆菌科、分枝杆菌科、鞘氨醇单胞菌科、生丝微菌科、奈瑟氏菌科、假单胞菌科、未分类的根瘤菌目、诺卡氏菌科、红环菌科或链霉菌科，用于蒽到二羟基萘的子途径的丛毛单胞菌科、产碱菌科、束丝放线菌科、芽胞杆菌科、地嗜皮菌科、鞘氨醇单胞菌科、慢生根瘤菌科、伯克氏菌科、柄杆菌科、红细菌科、弗兰克氏菌科、交替单胞菌科、叶杆菌科、分枝杆菌科、生丝微菌科、赤杆菌科、假单胞菌科、根瘤菌科、诺卡氏菌科、链霉菌科、或亚纲目科未定的γ
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变形菌纲，用于儿茶酚到乙酰辅酶A的子途径的丛毛单胞菌科、莫拉氏菌科、产碱菌科、烷烃降解菌科、脂环酸芽孢杆菌科、外硫红螺菌科、束丝放线菌科、叶杆菌科、奈瑟氏菌科、红环菌科、假单胞菌科、芽胞杆菌科、硫发菌科、慢生根瘤菌科、伯克氏菌科、...
【专利技术属性】
技术研发人员：思沃迪哈，
申请(专利权)人：塔塔咨询服务有限公司，
类型：发明
国别省市：
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