环境保护领域面临的最严峻挑战之一是处理含有多种芳香族化合物的复合污染物。在全球范围内，包括苯、甲苯、乙苯和二甲苯（BTEX）在内的芳香族化合物及其衍生物和多环芳烃（PAHs）是土壤和地下水污染的主要来源。一旦进入环境，这些化合物通过自然生物代谢、光催化等过程降解的难度极大。因此，它们能在土壤、水和沉积物等环境中存留数十年甚至数百年之久。近期，戴俊彪团队合作通过改造一种快速生长的Vmax细菌来应对持久性有机污染物的挑战（Su et al., Nature, 2025），他们将一个约 43 千碱基对的大型合成 DNA 片段稳定整合到细菌基因组中，从而能够降解五类主要的有机污染物。

        近日，中国科学院深圳先进技术研究院戴俊彪研究员团队在Advanced Biotechnology 发表题为Development of a Versatile Synthetic Microbe for the Concurrent Degradation of Organic Pollutants的Editorial文章，评述了该团队近期发表的上述领域内突破性研究成果（Su et al., Nature, 2025）。

文章导读

微生物降解污染物

        如何有效降解环境中的复合的污染物这一问题已引起环境污染防治领域研究人员的极大关注。这些化合物能够被具有特定代谢能力的细菌分解或转化。然而，微生物的分解代谢酶通常只针对单一分子或化学结构相似的有限几种分子。一直以来，人们利用天然微生物群落或人工构建的菌群（由能够降解多种化合物的菌株组成）来修复受复合有机污染物（如多环芳烃污染的土壤、石油污染的土地或原油污染的海水）污染的环境。

环境修复遇见合成生物学

        该研究（Su et al., Nature, 2025）由一个关键问题驱动：能否通过基因工程改造出一种菌株，使其携带多个降解基因簇，并同时降解多种污染物？近年来，微生物修复技术越来越受到关注，尤其是在新兴的合成生物学领域。合成生物学提供了强大的工具，能够改造微生物，使其具备感知、聚集和降解环境毒素的能力，从而有助于修复受污染的水、土壤和空气。基于这一思路，该项研究提出通过合成生物学方法开发一种合成菌株，使其能够在盐碱环境中降解多种污染物。

Vmax的底盘优势

        需钠弧菌（Vibrio natriegens Vmax）是目前已知生长最快的非致病性生物，其繁殖一代时间不到10分钟。这种细菌具有广泛的代谢能力、高底物摄取率、对高盐浓度的极强耐受性以及无致病性。此外，它在基因编辑上易于操作，能够高效表达外源蛋白，使其成为生物技术和合成生物学应用中极具吸引力且稳健的底盘。其拥有丰富的基因组编辑工具，包括双交换同源重组、Cre-loxP 系统等，进一步增强了其作为多功能平台生物的实用性。

需钠弧菌自然转化的优化

        需钠弧菌可在相对温和的条件下进行自然转化（Natural Transformation, NT），无需依赖电穿孔或化学处理。该菌种可吸收外源DNA，并将其整合至染色体中。Multi-plex Genome Editing by Natural Transformation（MuGENT）是一种专为其设计的多重基因组编辑技术，能够实现高效的多基因整合。这些特性与工具的存在，使得需钠弧菌成为分子克隆及生物技术应用领域中极具潜力的新平台。基于前人的研究成果，通过将霍乱弧菌的tfoX基因插入到需钠弧菌的染色体中，显著提升了其自然转化效率，最终实现了5-10倍的提升。

工程菌株VCOD-15的应用

        为了解决工业废水生物修复面临的挑战，构建了含有5个不同物种来源的降解基因簇（43 kbp）的人工微生物VCOD-15。它在含盐量高达每升102.5克的氯碱废水中显示出强大的酶活性，有效地克服了传统菌株通常“接触盐就失去活性”的局限性。在活性污泥反应器中，高浓度污染物在12小时内被完全降解。多个平行生物反应器测试表明，在48小时内，工业废水中的残留污染物水平始终低于检测限的2%，而VCOD-15在复杂微生物群落中的比例稳定在40%以上。这些结果突出了其特殊的环境适应性和竞争优势。

人工微生物群落VS工程菌株

        研究（Su et al., Nature, 2025）成功构建了另外五个工程菌株（VCOD-3, VCOD-4, VCOD-5， VCOD-6和VCOD-7），每个菌株都能降解特定的芳香族化合物。这一发现表明了构建人工微生物群落来降解复杂污染物的潜力。合成微生物群落对联苯的降解效率为30.8%，对苯酚的降解效率为22.6%，对萘的降解效率为100%，对二苯并呋喃的降解效率为29.2%，对甲苯的降解效率为93.4%。然而，几种污染物的降解率，特别是对联苯、苯酚和甲苯的降解率，明显低于单个菌株的降解率，也低于工程菌株VCOD-15的性能（图1）。这些结果表明需要进一步优化人工微生物群落以提高协同降解效率。

图1.不同降解菌株对联苯、苯酚、萘、二苯并呋喃和甲苯的降解效率

评述总结

        与用于单一污染物降解的传统菌株相比，该研究团队利用合成生物学方法整合了多个合理设计的基因簇，以多环芳烃为目标，形成耐盐的底盘菌株。该工程菌株通过优化提高了代谢相容性，从而克服了底物特异性的限制，能够有效地同时降解多种多环芳烃。值得注意的是，该菌株在受复合污染物污染的高盐环境中表现出优异的性能。

相关文章：

Su C, Cui H, Wang W, et al. Bioremediation of complex organic pollutants by engineered Vibrio natriegens. Nature. 2025. https://doi.org/10.1038/ s41586-025-08947-7.