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高鹽廢水是工業(yè)廢水中的特定類型，主要來自化工廠及石油和天然氣的采集加工工廠等，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，對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成了巨大影響。因此，去除高鹽廢水中的有機(jī)污染物對生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

近日，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，構(gòu)建了可同時(shí)降解5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)提供了方案。

自然界的微生物能夠分解高鹽廢水中的部分污染物，但它們就像“偏科生”一樣——每個(gè)菌種通常只擅長處理一兩種特定污染物。當(dāng)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(shí)，這些天然微生物顯得“力不從心”。同時(shí)，由于微生物降解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(jì)和改造的速度和深度頗為有限。

近年來，合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展為降解菌株的構(gòu)建提供了可能。科學(xué)家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，該研究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”，并基于弧菌類細(xì)菌能夠吸收整合外源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。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。

進(jìn)一步，該研究將來自不同物種的降解基因模塊進(jìn)行適配優(yōu)化，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“微生物特種兵”工程菌株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，涵蓋單環(huán)到多環(huán)化合物的廣泛底物范圍。

該研究通過實(shí)際工業(yè)廢水樣本系統(tǒng)驗(yàn)證了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，VCOD-15展現(xiàn)出多靶點(diǎn)同步處理優(yōu)勢——在48小時(shí)內(nèi)對5種目標(biāo)污染物的去除率均超60%，其中對聯(lián)苯實(shí)現(xiàn)完全降解（100%），對甲苯、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。

同時(shí)，該研究開發(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，有望為石化和氯堿等高鹽廢水處理、海上石油泄漏、微塑料污染等領(lǐng)域提供新的生物解決方案。

5月7日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》（Nature）上。

迭代自然轉(zhuǎn)化法示意圖