一、选题背景和意义：
蓝藻是一种原始而古老的单细胞原核生物，在气温条件适宜时容易在富营养化的湖泊、河流和近海海洋中过量繁殖，爆发蓝藻水华，并伴随剧烈的上浮、漂移、聚集、腐败、腥臭等现象，可对生态环境造成严重破坏。近年来，由于全球气候变暖和海洋酸化，蓝藻等藻类的爆发已经成为一种常态现象，对全球生态系统造成了严重破坏，藻类的生态污染治理和有效利用一直是困扰全世界的科学难题。我国湖泊众多，随着国民经济高速发展和城镇化速度的加快，氮(N)、 磷(P)等污染物被大量排入水体，致使太湖、巢湖、滇池、鄱阳湖等淡水湖泊中的N、P等营养元素处于富营养化水平，进一步导致湖泊蓝藻水华常态化暴发。蓝藻虽然具有丰富的营养价值，但由于其坚固的细胞壁和藻毒素等，无法被家畜、家禽和水产动物等有效利用，因此，藻类的生态治理和有效利用这一世界性难题一直没有得到有效解决。
最新研究表明文昌鱼（一种海洋无脊椎动物）具有独特的细胞内消化机制。其消化道（特别是盲囊部分）上皮细胞能够直接吞噬藻类等食物颗粒，并且能够对其进行有效的消化、吸收和利用。文昌鱼消化道上皮细胞通过强大的消化和免疫功能基因群，不但能够直接在细胞内部把藻类降解为氨基酸、寡肽、寡糖、寡核苷酸、脂肪酸、维生素和微量元素等营养物质，还能够有效降解藻毒素等有害物质，达到直接把藻类转化为可吸收、无毒害营养物质的目的。
基于以上社会现状及研究背景，从文昌鱼内消化机制出发，利用现代基因工程技术和生物信息学技术，实现文昌鱼内消化蛋白质组的体外表达，并对其进行进化分析、功能研究，探究其在蓝藻治理等方面的应用。
二、课题关键问题及难点：
- 内消化蛋白质组文库的生物信息学分析：针对蓝藻水华的治理和生态利用这一世界性难题，通过体外重建文昌鱼内消化机制的全长功能蛋白质组文库，利用生物信息学技术分析文昌鱼消化道上皮细胞的基因表达谱，通过Blastn, Blastx, SWISSPROT, KEGG, COG, Interpro和GO对测序结果进行分析和注释。
- 内消化蛋白质组主要功能基因的全合成：根据生物信息分析结果，将核心内消化功能基因的全长序列进行基因全合成。
- 内消化蛋白质组文库的海量扩增和产物提取：把内消化蛋白质组文库的重组载体导入INVSC1酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)等微生物中实现海量表达，提取并纯化表达产物，用于蓝藻的降解试验，解决藻类细胞壁难以破碎和藻毒素难以降解等问题，为蓝藻转变为营养丰富、生物安全、价格低廉的饲料原料奠定基础。
- 内消化蛋白质降解藻毒素的分子机制探究：利用计算机模拟等手段进一步探究内消化关键蛋白在降解蓝藻及藻毒素过程中的生理作用和分子机制，为藻类的生态治理和有效利用提供新的思路和方法。
三、文献综述（或调研报告）：
针对蓝藻水华污染，目前国内外的解决思路以早期预防和控制为主。但目前全世界范围内这一思路并未取得理想效果。在全球气候变暖和海洋酸化的大前提下，单从预防角度并不能很好的解决蓝藻问题。据美国国家海洋和大气管理局（NOAA）发布的公告，目前仍没有任何办法可以防止蓝藻水华的爆发。因此，在蓝藻问题上，综合治理，尤其是蓝藻水华爆发后的污染治理，成为解决蓝藻问题的关键。
目前国内外清除蓝藻的方法有化学法、物理法和生物法。化学法对水生生物有较大危害，同时大面积实施难度较大，易造成二次污染。生物法效果好而且持久，但成本较高、见效慢，采收和后处理困难，易造成湖泊生态系统的紊乱，推广难度大。机械打捞作为一种高效、环保的蓝藻应急除藻手段被广泛应用。随着全球工业化的发展，蓝藻水华的抽取捕捞的得到了较好的解决，但捕捞起来的数以万吨计蓝藻的处理和资源再利用成为水体藻类生态污染治理的核心问题。仅无锡市市政府为处理抽取打捞上来的太湖蓝藻所建设的焚烧设备就耗资20亿元人民币以上，且焚烧带来的后续环境污染问题十分严重。
藻类水华捕捞后的现有处理方法包括物理法、化学法和生物法三类，但均存在成本高昂、技术复杂、实用性差等缺点。物理法主要包括藻泥过滤、沉降、吸附和超声破壁等，但其处理效率低、成本高，不适用于蓝藻水华捕捞后的大规模处理；化学法主要包括二氧化氯（ClO2）、臭氧（O3）等强氧化剂的氧化，但其成本高昂且会造成严重的二次污染；生物法目前主要采用微生物发酵和引入食藻生物等技术路线。藻类微生物发酵生产燃油、酒精技术路线，由于其成本远高于行业原有的生产成本，不具有可行性，无法得到大规模市场推广。而引入食藻生物又会对现有生态系统的平衡产生威胁，带来新的生态风险。受当前技术水平和经济成本等因素的制约，我国湖面打捞的蓝藻大多经藻水分离形成含水率相对较低的藻饼，外运后简单填埋或直接焚化，造成了严重的环境隐患和资源浪费。
另一方面，微囊藻毒素(Microcystins, MCs) 是蓝藻在生长过程中以及死亡后释放出来的危害严重的一类毒素，可导致水体动物的死亡，饮用被藻毒素污染的水可诱发人、畜、禽等肝损伤、导致肝癌等。藻毒素的基本结构是由7个氨基酸组成的单环多肽，也称7肽单环肝毒素，相对分子量在1000左右，由于多肽可变位置上氨基酸种类的变化，导致了微囊藻毒素的多样性。目前已发现了60多种不同类型的微囊藻毒素，其中毒性较大的的是MC-LR和MC-RR (L、R分别代表亮氨酸和精氨酸)，其主要差别是在环状 MC组成中1个氨基酸的不同。我国重点治理的“三湖”都有着较严重的微囊藻毒素污染，太湖每年蓝藻爆发时水体中的藻毒素以MC-RR为主。世界卫生组织(WHO)在《饮用水水质标准》(第二版)中规定，微囊藻毒素-LR在生活饮用水中的限值为1ug/L。我国现行的《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006)和《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中均规定微囊藻毒素-LR的限值为0.001 mg/L。
