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，江南大学未来食品科学中心陈坚院士团队张娟教授课题组围绕微生物来源的淀粉样蛋白设计的生物吸附技术在水体低浓度重金属的去除中显示了优秀的性能。富含β-折叠结构的CsgA是大肠杆菌Curli卷曲纤维中最大的结构亚基，可通过自组装形成相互交织的网络结构，同时具备的多种官能团为重金属离子提供了大量的结合位点，使得CsgA成为水体重金属吸附的潜在材料。
基于此，首先构建了CsgA蛋白过表达菌株E. coli BL21 (DE3)/pET22b-CsgA，对初始浓度为50 mg·L-1的Pb2+去除率达到98.26%。为实现重组菌株对低浓度重金属离子的高效吸附，采用SpyTag-SpyCatcher策略将植物螯合肽合成酶(PCS)与CsgA蛋白融合。对初始浓度为1 mg·L-1的Cd2+去除率最高，达到91.85%。为提高吸附材料的实用性，将成功构建的融合蛋白菌株与活性炭混合制备了生物活性杂合膜。在初始浓度为1 mg·L-1时，其对Cd2+、Pb2+和Cu2+的去除率分别为98.70%、95.33%和85.67%。同一复合膜经过6次重复后，对Cd2+、Pb2+和Cu2+的去除率均保持在80%以上；模拟废水的Cd2+去除能力仍大于90%。表明该复合膜对重金属离子的吸附具有较强的稳定性以及环境适应性。上述研究成果发表于Separation and Purification Technology (2023, 306, 122751)，20级硕士赵丹丹和博士后彭政为第一作者，张娟教授为通讯作者。
为进一步提高淀粉样蛋白在实际应用的可回收性，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，得到目标蛋白CsgA-TVNFKLY并使其体外自组装成纳米纤维，构建了一种人工淀粉样蛋白纤维CsgA-Fe3O4可回收复合体。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复合体吸附重金属后羟基的特征振动向低波数移动30 cm-1左右、O 1s均向低结合能方向移动。氧元素参与了CsgA-Fe3O4复合体对重金属离子的吸附，-OH起重要作用。上述研究成果发表于Separation and Purification Technology (2023, 329, 125191)，博士后彭政为第一作者，张娟教授为通讯作者。
基于淀粉样蛋白研究的启发，研究人员将同样具备多种官能团的微生物黑色素用于水体重金属吸附。首先通过发酵优化将先前分离获得的一株丝状真菌Stachybotrys sp. HSS-1的黑色素M1产量提升至11.56 g·L-1。通过紫外光谱、元素、HPLC-MS、红外光谱和核磁共振分析，确定为真黑色素。黑色素M1纳米材料表现出在水中吸附重金属Cd2+、Cu2+和Pb2+的能力，特别是，Pb2+的吸附上限达到45 mg·g-1。同时，黑色素M1纳米材料具备出色的热稳定性、抗辐射性、抗菌和抗氧化性。因此，黑色素M1纳米材料不仅可以吸附水体重金属，而且还表现出抵抗复杂自然环境的能力。上述研究成果发表于Journal of Cleaner Production (2023, 385, 135655)，博士后彭政为第一作者，张娟教授为通讯作者。
上述研究得到了国家重点研发计划(2019YFC1605800)、江苏省自然科学基金项目(BK20221084)和江苏省重点研发计划(BE2021624)项目的资助。
图1 CsgA胞外自组装工程菌-活性炭杂合膜去除水体重金属
图2 人工淀粉样蛋白纤维CsgA-Fe3O4可回收复合体去除水体重金属
图3 微生物黑色素去除水体重金属
（编辑：潘梦妍）
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