科技日?qǐng)?bào)記者 羅云鵬 通訊員 趙梓杉

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(jī)物、重金屬、有害化學(xué)物質(zhì)和營養(yǎng)鹽等污染物，對(duì)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(jī)污染物對(duì)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(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院客座研究員戴俊彪與上海交通大學(xué)教授唐鴻志團(tuán)隊(duì)合作在《自然》上發(fā)表最新研究。團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了可同時(shí)降解五種有機(jī)污染物的新型工程菌株，并通過實(shí)際工業(yè)廢水樣本驗(yàn)證，展示了該菌株對(duì)高鹽廢水中復(fù)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。

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(gè)菌種通常只擅長處理一兩種特定污染物。當(dāng)面對(duì)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(shí)，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(duì)菌株設(shè)計(jì)和改造的速度和深度非常有限。

近年來，合成生物學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展為降解菌株的構(gòu)建提供了可能。科學(xué)家們能夠通過合成生物技術(shù)給微生物設(shè)計(jì)“智能工具箱”——不僅能給細(xì)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(zhǔn)搭配。

基于此，研究團(tuán)隊(duì)通過底盤菌株篩選與耐鹽機(jī)制解析，精準(zhǔn)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(xì)胞——耐鹽菌株“需鈉弧菌（Vmax）”，并基于弧菌類細(xì)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(zhǔn)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(xì)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。

在進(jìn)一步研究中，研究團(tuán)隊(duì)將來自不同物種的降解基因模塊進(jìn)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(gè)功能基因簇迭代整合到細(xì)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5條人工代謝通路，得到的“微生物特種兵”VCOD-15，可實(shí)現(xiàn)5種典型芳香類有機(jī)污染物——聯(lián)苯、苯酚、萘、二苯并呋喃和甲苯的同時(shí)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(fù)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(shí)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(fù)，為我國環(huán)境生物技術(shù)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)作出貢獻(xiàn)。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院院長江桂斌評(píng)價(jià)道。

提供精準(zhǔn)“去污”生物方案

研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)際工業(yè)廢水樣本系統(tǒng)驗(yàn)證了“微生物特種兵”工程菌株VCOD-15從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)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(diǎn)同步處理優(yōu)勢——在48小時(shí)內(nèi)對(duì)5種目標(biāo)污染物的去除率均超60%，其中對(duì)聯(lián)苯實(shí)現(xiàn)完全降解（100%），甲苯、二苯并呋喃等復(fù)雜污染物降解率近90%，較天然菌株提升2至3倍效能。

面對(duì)極端工業(yè)環(huán)境挑戰(zhàn)，VCOD-15在鹽度高達(dá)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(shí)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(shí)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(fù)雜微生物群落中占比穩(wěn)定（40%以上），體現(xiàn)其強(qiáng)大的環(huán)境競爭力。

“這些驗(yàn)證數(shù)據(jù)表明，團(tuán)隊(duì)開發(fā)的基于需鈉弧菌的復(fù)合污染物工程菌構(gòu)建平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了從代謝通路的挖掘、設(shè)計(jì)和合成，到單一、復(fù)合污染物降解菌株的構(gòu)建、測試，以及在實(shí)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。”唐鴻志表示。

“研究團(tuán)隊(duì)為構(gòu)建多功能工程菌株打造了通用技術(shù)平臺(tái)，不僅實(shí)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(jí)，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(xì)胞工廠構(gòu)建等合成生物學(xué)前沿領(lǐng)域延伸，展現(xiàn)出‘一技術(shù)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)多產(chǎn)業(yè)革新’的潛力。”論文共同通訊作者戴俊彪表示。

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(fù)、微塑料生物降解等多個(gè)生態(tài)環(huán)保場景，不僅為破解復(fù)合污染治理難題提供了智能生物工具，更推動(dòng)環(huán)保產(chǎn)業(yè)從末端治理向生物智造升級(jí)，助力“無廢城市”建設(shè)與“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。