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Nature | 深圳先進院合作構(gòu)建“微生物特種兵”，可同時降解5種污染物
高鹽廢水作為工業(yè)廢水中的一種特定類型，主要來自化工廠及石油和天然氣的采集加工等，包含懸浮物、有機物、重金屬、有害化學物質(zhì)和營養(yǎng)鹽等污染物，對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成了巨大的影響。因此，去除高鹽廢水中的有機污染物對生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。
5月7日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院客座研究員戴俊彪與上海交通大學教授唐鴻志團隊合作在學術(shù)期刊《自然》上發(fā)表最新研究，團隊成功構(gòu)建了可同時降解五種有機污染物的新型工程菌株，并通過實際工業(yè)廢水樣本驗證，展示了該菌株對高鹽廢水中復合污染物的高效降解能力，為破解傳統(tǒng)微生物處理技術(shù)存在的“鹽抑制效應(yīng)”提供了中國方案。深圳先進院為該研究第一單位。
可高效降解污染物的“微生物特種兵”
自然界的微生物雖然能分解高鹽廢水中的部分污染物，但它們就像“偏科生”——每個菌種通常只擅長處理一兩種特定污染物。當面對高鹽廢水中油污、重金屬、放射性物質(zhì)等組成的“混合垃圾”時，這些天然微生物就顯得“力不從心”。此外，因微生物降解所涉及的基因種類和數(shù)目較多，常規(guī)基因工程技術(shù)對菌株設(shè)計和改造的速度和深度非常有限。
近年來，合成生物學技術(shù)飛速發(fā)展為降解菌株的構(gòu)建提供了可能?？茖W家們能夠通過合成生物技術(shù)給微生物設(shè)計“智能工具箱”——不僅能給細菌安裝多種污染物分解能力，還能讓這些功能像“樂高積木”一樣精準搭配。
基于此，研究團隊通過底盤菌株篩選與耐鹽機制解析，精準鎖定了具有最快繁殖速率、高鹽耐受和易基因編輯等特性的理想底盤細胞——耐鹽菌株“需鈉弧菌（Vmax）”，并基于弧菌類細菌能吸收整合外源DNA的自然轉(zhuǎn)化能力，通過調(diào)控基因精準構(gòu)建可調(diào)控的具有高效自然轉(zhuǎn)化能力的菌株VCOD-2。研究人員通過測試發(fā)現(xiàn)，這一菌株可高效整合外源DNA片段到細菌基因組，相較于自然界中微生物，轉(zhuǎn)化效率可提升數(shù)倍。
進一步研究中，研究團隊將來自不同物種的降解基因模塊進行適配優(yōu)化，創(chuàng)新開發(fā)了迭代自然轉(zhuǎn)化法，利用同源替換策略，將5個功能基因簇迭代整合到細菌基因組中，在單一菌株中構(gòu)建了覆蓋單環(huán)到多環(huán)化合物的五條人工代謝通路，得到的“微生物特種兵”VCOD-15，可實現(xiàn)五種典型芳香類有機污染物——聯(lián)苯、苯酚、萘、二苯并呋喃和甲苯的同時降解，涵蓋了從單環(huán)到多環(huán)化合物的廣泛底物范圍。
“VCOD-15菌株的開發(fā)不僅給高鹽廢水污染的修復提供了新的解決方案，而且建立了在抗逆底盤菌株基因組上整合多條污染物降解基因簇，并實現(xiàn)功能適配、應(yīng)用測試的全流程研究范式。期待這種研究范式可以為更多底盤菌株的改造所借鑒，并推廣至更多污染物共存場地的生物降解與修復，為我國環(huán)境生物技術(shù)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保護做出貢獻。”中國科學院院士、中國科學院大學資源與環(huán)境學院院長江桂斌評價道。
提供精準“去污”生物方案
研究團隊通過實際工業(yè)廢水樣本系統(tǒng)驗證了“微生物特種兵”工程菌株VCOD-15從實驗室到實際污染場地的全場景降解效果：例如，在污染物降解能力方面，這種“微生物特種兵”展現(xiàn)出多靶點同步處理優(yōu)勢——在48小時內(nèi)對5種目標污染物的去除率均超60%，其中對聯(lián)苯實現(xiàn)完全降解（100%），甲苯、二苯并呋喃等復雜污染物降解率近90%，較天然菌株提升2至3倍效能。
面對極端工業(yè)環(huán)境挑戰(zhàn)，VCOD-15在鹽度高達102.5克每升的氯堿廢水中仍保持活性，成功克服了傳統(tǒng)菌株“遇鹽即失活”的瓶頸；在活性污泥反應(yīng)器中，12小時內(nèi)可完全去除高濃度污染物；多平行生物反應(yīng)器測試顯示，48小時內(nèi)工業(yè)廢水中污染物殘留量均低于檢測范圍的2%，且菌株在復雜微生物群落中占比穩(wěn)定（40%以上），體現(xiàn)其強大的環(huán)境競爭力。
“這些驗證數(shù)據(jù)表明，團隊開發(fā)的基于需鈉弧菌的復合污染物工程菌構(gòu)建平臺，實現(xiàn)了從代謝通路的挖掘、設(shè)計和合成，到單一、復合污染物降解菌株的構(gòu)建、測試，以及在實際工業(yè)廢水樣本處理應(yīng)用的全流程，有望為石化、氯堿等高鹽廢水處理、海上石油泄漏、微塑料污染等全球性挑戰(zhàn)提供全新生物解決方案?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡咛气欀颈硎?。
“研究團隊為構(gòu)建多功能工程菌株打造了通用技術(shù)平臺，不僅實現(xiàn)了同一菌株內(nèi)多代謝通路的高效整合，還支持菌種功能的持續(xù)升級，其應(yīng)用范疇可突破污染物降解領(lǐng)域，向天然產(chǎn)物生物合成、高值化合物細胞工廠構(gòu)建等合成生物學前沿領(lǐng)域延伸，展現(xiàn)出‘一技術(shù)平臺驅(qū)動多產(chǎn)業(yè)革新’的潛力?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡叽骺”氡硎?。
未來，該成果的核心技術(shù)可延伸應(yīng)用于海上溢油污染治理、工業(yè)場地修復、微塑料生物降解等多個生態(tài)環(huán)保場景，不僅為破解復合污染治理難題提供了智能生物工具，更推動環(huán)保產(chǎn)業(yè)從末端治理向生物智造升級，助力“無廢城市”建設(shè)與雙碳目標實現(xiàn)。
中國科學院深圳先進技術(shù)研究院助理研究員蘇聰博士、上海交通大學致遠榮譽計劃博士生崔浩天和副研究員王偉偉博士為本文共同第一作者。中國科學院深圳先進技術(shù)研究院/中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術(shù)廣東省實驗室深圳分中心）戴俊彪研究員和上海交通大學唐鴻志教授為本文的通訊作者。
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迭代自然轉(zhuǎn)化法（INTIMATE）示意圖
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