高鹽廢水作為工業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、有害化學物質和營養鹽等污染物，對環境和生態系統造成了巨大的影響。因此，去除高鹽廢水中的有機污染物對生態環境可持續發展至關重要。
5月7日，中國科學院深圳先進技術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期刊《自然》上發表最新研究，團隊成功構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，為破解傳統微生物處理技術存在的“鹽抑制效應”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目較多，常規基因工程技術對菌株設計和改造的速度和深度非常有限。
近年來，合成生物學技術飛速發展為降解菌株的構建提供了可能。科學家們能夠通過合成生物技術給微生物設計“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的自然轉化能力，通過調控基因精準構建可調控的具有高效自然轉化能力的菌株VCOD-2。研究人員通過測試發現，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，轉化效率可提升數倍。
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化，創新開發了迭代自然轉化法，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，在單一菌株中構建了覆蓋單環到多環化合物的五條人工代謝通路，得到的“微生物特種兵”VCOD-15，可實現五種典型芳香類有機污染物——聯苯、苯酚、萘、二苯并呋喃和甲苯的同時降解，涵蓋了從單環到多環化合物的廣泛底物范圍。
迭代自然轉化法（INTIMATE）示意圖。研究團隊供圖
“VCOD-15菌株的開發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，并實現功能適配、應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，為我國環境生物技術發展以及生態環境保護做出貢獻。”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廢水樣本系統驗證了“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”展現出多靶點同步處理優勢——在48小時內對5種目標污染物的去除率均超60%，其中對聯苯實現完全降解（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。
面對極端工業環境挑戰，VCOD-15在鹽度高達102.5 克每升的氯堿廢水中仍保持活性，成功克服了傳統菌株“遇鹽即失活”的瓶頸；在活性污泥反應器中，12小時內可完全去除高濃度污染物；多平行生物反應器測試顯示，48小時內工業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定（40% 以上），體現其強大的環境競爭力。
“這些驗證數據表明，團隊開發的基于需鈉弧菌的復合污染物工程菌構建平臺，實現了從代謝通路的挖掘、設計和合成，到單一、復合污染物降解菌株的構建、測試，以及在實際工業廢水樣本處理應用的全流程，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提供全新生物解決方案。”論文共同通訊作者唐鴻志表示。
“研究團隊為構建多功能工程菌株打造了通用技術平臺，不僅實現了同一菌株內多代謝通路的高效整合，還支持菌種功能的持續升級，其應用范疇可突破污染物降解領域，向天然產物生物合成、高值化合物細胞工廠構建等合成生物學前沿領域延伸，展現出‘一技術平臺驅動多產業革新’的潛力。”論文共同通訊作者戴俊彪表示。
未來，該成果的核心技術可延伸應用于海上溢油污染治理、工業場地修復、微塑料生物降解等多個生態環保場景，不僅為破解復合污染治理難題提供了智能生物工具，更推動環保產業從末端治理向生物智造升級，助力“無廢城市”建設與雙碳目標實現。
相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08947-7
官方微信
