工業(yè)廢水、石油泄漏和塑料污染對(duì)海洋生態(tài)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，其中單環(huán)芳烴（MAHs）、多環(huán)芳烴（PAHs）等有機(jī)污染物具有毒性強(qiáng)、難降解的特點(diǎn)。在實(shí)際場(chǎng)景中，污染物又經(jīng)常以復(fù)合的形式出現(xiàn)，即多種污染物同時(shí)存在且相互作用，從而極大增加了微生物降解的難度。自然界中的天然微生物通過(guò)進(jìn)化，可實(shí)現(xiàn)某些污染物的分解，然而受基因種類、酶催化效率及遺傳穩(wěn)定性等方面的限制，目前仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合污染物的高效降解。此外，因微生物降解所涉及的基因種類和數(shù)目多，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。盡管已有研究嘗試通過(guò)微生物群落聯(lián)合處理復(fù)合污染物，然而其效率低、穩(wěn)定性差，且在高鹽環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。近年來(lái)飛速發(fā)展的合成生物學(xué)技術(shù)為降解菌株的構(gòu)建提供了可能，然而亟需兼具快速生長(zhǎng)、高鹽耐受和易基因編輯等特性的理想“底盤(pán)細(xì)胞”。

2025年5月7日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心）/中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院戴俊彪團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)唐鴻志團(tuán)隊(duì)合作在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然（Nature）》上發(fā)表了題為“Bioremediation of complex organic pollutants by engineered Vibrio natriegens”的研究論文。該研究利用合成生物學(xué)技術(shù)，成功建立了基于需鈉弧菌（Vibrio natriegens）Vmax的工程化污染物降解底盤(pán)體系，構(gòu)建出高鹽環(huán)境中可高效降解復(fù)合有機(jī)污染物的工程菌株VCOD-15。該研究為解決石化廢水排污、海洋石油泄漏等全球性環(huán)境問(wèn)題提供了全新的技術(shù)方案。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08947-7

底盤(pán)菌株篩選與耐鹽機(jī)制解析

首先，研究人員對(duì)多種污染物降解底盤(pán)細(xì)胞進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)需鈉弧菌（Vibrio natriegens）在30.0 g/L至50.0 g/L鹽濃度（LB3、LB5 培養(yǎng)基）下可表現(xiàn)出更高的生物量和污染物耐受性，其外排泵基因（marA、acrAB-tolC）及 ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因轉(zhuǎn)錄顯著上調(diào)，增強(qiáng)了對(duì)有毒物質(zhì)的排出能力。通過(guò)分析不同啟動(dòng)子功能，確定組成型啟動(dòng)子 P(25) 和誘導(dǎo)型啟動(dòng)子 P(T7) 為高效表達(dá)元件，為后續(xù)外源基因?qū)氲於ɑA(chǔ)。

圖1 | 需鈉弧菌與三種模式菌株不同培養(yǎng)基培養(yǎng)的生物量對(duì)比

圖2 | 在含有污染物的LB1/4、LB、LB3和LB5培養(yǎng)基中，候選菌株的生長(zhǎng)速率比較

自然轉(zhuǎn)化效率增強(qiáng)

tfoX 基因強(qiáng)化：將來(lái)自霍亂弧菌的自然轉(zhuǎn)化調(diào)控基因tfoX整合到 Vmax 的染色體上，構(gòu)建菌株VCOD-2。測(cè)試表明VCOD-2可高效整合外源DNA片段（即使低至 0.5 ng）到細(xì)菌基因組，轉(zhuǎn)化效率可提升數(shù)倍。同時(shí)，線性 DNA 片段（> 1kb）的轉(zhuǎn)化效率可提升 3-5 倍，且無(wú)抗性標(biāo)記殘留，降低了抗性基因隨水平基因轉(zhuǎn)移發(fā)生環(huán)境泄露的生物風(fēng)險(xiǎn)，減少了工程菌株改造中對(duì)抗性標(biāo)記的依賴性。

圖3 | 調(diào)控基因tfoX整合位點(diǎn)及線性 DNA 片段的轉(zhuǎn)化效率

插入位點(diǎn)選擇：研究者在Vmax 染色體上鑒定了 12 個(gè)中性基因組位點(diǎn)，作為候選基因簇的插入位點(diǎn)。其中，chr2_297 位點(diǎn)表現(xiàn)出最優(yōu)的基因整合特性，可穩(wěn)定整合長(zhǎng)度達(dá) 43 kb的合成基因簇，且整合過(guò)程未對(duì)宿主菌的正常生長(zhǎng)造成顯著影響，為后續(xù)多基因簇的高效串聯(lián)整合提供了理想的基因組平臺(tái)。

圖4 | 基因組插入候選位點(diǎn)及最優(yōu)基因整合位點(diǎn)測(cè)試

人工降解基因簇的設(shè)計(jì)、合成和功能驗(yàn)證

基因簇設(shè)計(jì)：人工挖掘并設(shè)計(jì)了多條化合物降解基因簇，通過(guò)基因合成與組裝技術(shù)，構(gòu)建了VCOD-3至VCOD-11系列包含單條降解基因簇的工程菌株并完成了降解功能測(cè)試。選擇了針對(duì)聯(lián)苯（bphA(1234)BCDHIJK）、苯酚（dmpLMNOP）、萘（nahA(abcd)BCDEF）、二苯并呋喃（dbfA(1234)BC）、甲苯（xylMNABC）的降解基因簇為候選，并確保其在需鈉弧菌中的高效表達(dá)。

圖5 | VCOD-3至VCOD-11系列單降解基因簇工程菌株及降解功能測(cè)試

INTIMATE 技術(shù)的開(kāi)發(fā)和多污染物降解途徑構(gòu)建

迭代自然轉(zhuǎn)化法（INTIMATE）：針對(duì)傳統(tǒng)單次轉(zhuǎn)化難以整合大片段基因簇的問(wèn)題，利用酵母體內(nèi)組裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)降解基因簇（覆蓋單環(huán)到多環(huán)、雜環(huán)有機(jī)污染物）的構(gòu)建。進(jìn)而利用同源替換策略，迭代整合 5 個(gè)功能基因簇（總長(zhǎng)度 43 kb）到細(xì)菌基因組，構(gòu)建了多功能菌株 VCOD-15。

圖6 | 迭代自然轉(zhuǎn)化法（INTIMATE）示意圖

從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際環(huán)境的修復(fù)效能驗(yàn)證

（1）單一與復(fù)合污染物降解能力

單菌株多底物處理：VCOD-15 工程菌株在 48 小時(shí)內(nèi)對(duì)5種目標(biāo)污染物的去除率均超 60%，其中聯(lián)苯降解率達(dá)100%，甲苯、二苯并呋喃降解率近 90%，顯著優(yōu)于天然降解菌。

圖7 | VCOD-15 對(duì)五種目標(biāo)污染物降解實(shí)驗(yàn)

（2）實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用效果

高鹽環(huán)境適應(yīng)性：在鹽度高達(dá) 102.5 g/L 的氯堿工業(yè)廢水（BZ I）和 52.5 g/L 的石油煉化廢水（DL I）中，對(duì)照菌株無(wú)法生長(zhǎng)，而VCOD-15 仍保持活性，體現(xiàn)了其獨(dú)特的耐鹽優(yōu)勢(shì)。

圖8 | 工業(yè)廢水樣品中Vmax與三種模式菌株的生長(zhǎng)曲線

廢水處理系統(tǒng)：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（1.0 mM 聯(lián)苯、1.5 mM 苯酚等）；多平行生物反應(yīng)器測(cè)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(cè)限的 2%，且菌株在復(fù)雜微生物群落中占比穩(wěn)定（40% 以上）。

圖9 | VCOD-15在活性污泥生物反應(yīng)器中對(duì)復(fù)雜污染工業(yè)廢水樣品的生物修復(fù)

土壤修復(fù)潛力：在含鹽土壤中，8 天內(nèi)聯(lián)苯、苯酚、萘、二苯并呋喃的凈降解量分別達(dá) 0.16、0.66、0.21、0.03 mmol/kg，同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)證實(shí)了污染物被有效的進(jìn)行了降解。

圖10 | VCOD-15土壤修復(fù)實(shí)驗(yàn)

綜上所述，本研究成功開(kāi)發(fā)了基于需鈉弧菌的復(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(cè)試、以及在實(shí)際工業(yè)廢水樣本處理應(yīng)用的全流程，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)提供了生物解決方案。同時(shí)，INTIMATE技術(shù)為多基因簇工程底盤(pán)的構(gòu)建提供了通用技術(shù)平臺(tái)，使得同一菌株中多種代謝功能的整合以及優(yōu)質(zhì)菌種的迭代功能拓展成為可能，可擴(kuò)展至其他污染物降解體系的構(gòu)建乃至天然產(chǎn)物合成、高值化學(xué)品細(xì)胞工程構(gòu)建等合成生物學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景。

本研究成果是我國(guó)科研人員在合成生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用以及跨學(xué)科合作方面的又一重大突破。利用團(tuán)隊(duì)在大規(guī)模的DNA設(shè)計(jì)合成和代謝途徑改造優(yōu)化方面所積累的合成生物學(xué)前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境微生物中不同物種來(lái)源的人工降解代謝體系的適配與優(yōu)化，從而在單一菌株中完成了芳香類復(fù)合污染物（苯及其衍生物、多環(huán)芳烴）的穩(wěn)定、高效組合降解。

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院助理研究員蘇聰博士、上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)榮譽(yù)計(jì)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(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心）/中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院戴俊彪研究員和上海交通大學(xué)唐鴻志教授為本文的通訊作者。文章的合作者還包括上海交通大學(xué)博士生程振宇（明志博士生計(jì)劃）、致遠(yuǎn)榮譽(yù)計(jì)劃博士生楊夢(mèng)喬、博士生李曄、科研助理何思煬，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院劉永博士、碩士研究生王晨、科研助理瞿利文，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心）科研助理鄭佳欣、蔡悅進(jìn)，趙平平。上海交通大學(xué)許平教授、李躍輝教授和中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物研究所王欽宏研究員為本研究提供了相關(guān)幫助和支持。本研究獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFA0909500）、國(guó)家自然科學(xué)基金（32030004）、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目、深圳市科技計(jì)劃和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新計(jì)劃等多項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持。

專家點(diǎn)評(píng)

中國(guó)科學(xué)院院士鄧子新：

研究團(tuán)隊(duì)積極響應(yīng)國(guó)家"十四五"生態(tài)環(huán)境科技創(chuàng)新規(guī)劃要求，充分發(fā)揮合成生物學(xué)在大規(guī)模DNA設(shè)計(jì)合成和代謝網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，成功構(gòu)建了可同時(shí)降解五種典型芳香類污染物的工程菌株。此項(xiàng)工作不僅證明了合成生物學(xué)在復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題中的解決能力，更通過(guò)INTIMATE技術(shù)重新定義了微生物底盤(pán)的工程化上限。其技術(shù)框架可快速移植至重金屬生物吸附、微塑料解聚等場(chǎng)景，預(yù)計(jì)將推動(dòng)環(huán)境生物技術(shù)從"單一功能強(qiáng)化"向"人工生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建"的范式轉(zhuǎn)變。是前沿技術(shù)推動(dòng)實(shí)際應(yīng)用的一項(xiàng)突破性進(jìn)展，同時(shí)也會(huì)引起合成生物學(xué)領(lǐng)域之外許多研究人員的極大興趣。

中國(guó)科學(xué)院院士江桂斌：

由于污染場(chǎng)地菌株生長(zhǎng)條件惡劣、多數(shù)實(shí)際場(chǎng)地具有多種污染物共存等特點(diǎn)，這實(shí)際上限制了環(huán)境微生物在環(huán)境污染物治理中的應(yīng)用。用合成生物學(xué)手段改造的工程菌株可以克服天然菌株的若干缺點(diǎn)，代表了生物修復(fù)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。 VCOD-15菌株的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了高鹽環(huán)境下的多種不同結(jié)構(gòu)污染物的同時(shí)降解，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(pán)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(cè)試的全流程研究范式。

期待這種研究范式可以為更多底盤(pán)菌株的改造所借鑒，并推廣至更多污染物共存場(chǎng)地的生物降解與修復(fù)，特別是持久性有機(jī)污染物（POPs）、內(nèi)分泌干擾物等新污染物的降解，為我國(guó)環(huán)境生物技術(shù)發(fā)展，以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境和提升健康水平做出貢獻(xiàn)。