2019環(huán)境生物技術(shù)?？蜓?/h1>

2019-12-09 13:01:26唐鴻志

生物工程學(xué)報(bào)訂閱 2019年11期 收藏

關(guān)鍵詞：?？?/a>菌群污染物

唐鴻志

序 言

唐鴻志 上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院/微生物代謝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士生導(dǎo)師 (2014年破格晉升)。2012年12月–2013年12月美國麻省理工學(xué)院訪問學(xué)者。研究方向?yàn)榄h(huán)境微生物學(xué)與合成生物學(xué)。目前擔(dān)任中國微生物學(xué)會-環(huán)境微生物專業(yè)委員會委員兼秘書。中國生物工程學(xué)會-合成生物學(xué)專業(yè)委員會 (籌) 委員。2016年獲得教育部自然科學(xué)一等獎 (排名第二)，2013年獲得“明治乳業(yè)生命科學(xué)獎”。曾獲得國家優(yōu)秀青年基金、上海市曙光學(xué)者，上海市青年科技啟明星，上海市教委“晨光”計(jì)劃，上海交通大學(xué)“晨星計(jì)劃”、首屆“仲英青年學(xué)者”。已在、、、、、、、、等SCI期刊發(fā)表論文80篇 (第一/通訊作者45篇)。

2019環(huán)境生物技術(shù)?？蜓?/p>

唐鴻志1,2

1 上海交通大學(xué) 微生物代謝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240 2 上海交通大學(xué) 代謝與發(fā)育科學(xué)國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，上海 200240

環(huán)境生物技術(shù)，作為一門由現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境工程相結(jié)合的新興交叉學(xué)科，已經(jīng)在環(huán)境污染治理、環(huán)境監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用，環(huán)境友好、高效地處理有機(jī)及無機(jī)污染，同時變廢為寶生產(chǎn)高值化合物為從根本上解決環(huán)境問題提供了希望與支持。本?？瘓?bào)道了環(huán)境生物技術(shù)在多環(huán)芳烴、抗生素、石油基塑料等環(huán)境污染物降解領(lǐng)域的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，介紹了吲哚、微生物鐵載體等分子在生物修復(fù)中的應(yīng)用，為全面認(rèn)識環(huán)境污染現(xiàn)狀、深入開展環(huán)境生物技術(shù)研究并制定綜合治理策略等提供參考。

環(huán)境生物技術(shù)，污染物，生物修復(fù)，機(jī)制研究

化合物是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)，但人工化合物的大規(guī)模制造和使用造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，成為全球普遍關(guān)注的嚴(yán)峻問題。眾多的化合物釋放到生態(tài)環(huán)境中后，微生物沒有足夠的時間和充分的環(huán)境條件來“進(jìn)化”其代謝途徑，因此表現(xiàn)出有機(jī)化合物的難生物降解性。雖然這類化合物在自然界里存在的濃度低，但由于在生態(tài)系統(tǒng)中通過食物鏈的生物濃縮作用，最終會影響人類的健康，如源于含氯有機(jī)化合物的環(huán)境荷爾蒙污染正在威脅著包括人類在內(nèi)的生物生殖體系。因此，為降低污染物對環(huán)境的破壞，首先需要開發(fā)各種清潔生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)環(huán)境友好的化合物。與此同時，必須開發(fā)減少化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境中的暴露程度，即化合物的降解或處理技術(shù)。隨著難降解化合物的污染問題日益嚴(yán)峻， 20世紀(jì)90年代，難降解化合物污染的生物修復(fù)技術(shù)的研究和應(yīng)用日益引人注目，與此同時形成了環(huán)境生物技術(shù)這一系統(tǒng)的學(xué)科領(lǐng)域。

環(huán)境生物技術(shù)是一門由現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境工程相結(jié)合的新興交叉學(xué)科，是生物工程領(lǐng)域新方向，其作為一個人工技術(shù)系統(tǒng)直接或間接利用完整的生物體或生物體的某些組成部分或某些機(jī)能，建立降低或消除污染物產(chǎn)生的生產(chǎn)工藝，或者能夠高效凈化環(huán)境污染以及同時生產(chǎn)有用物質(zhì)。生物技術(shù)在處理環(huán)境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應(yīng)條件溫和以及無二次污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，為從根本上解決環(huán)境問題提供了希望。目前生物技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中主要是利用微生物，少部分利用植物作為環(huán)境污染控制的生物。生物技術(shù)已是環(huán)境保護(hù)中應(yīng)用最廣的、最為重要的單項(xiàng)技術(shù)，其在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質(zhì)的降解、清潔可再生能源的開發(fā)、廢物資源化、環(huán)境監(jiān)測、污染環(huán)境的修復(fù)和污染嚴(yán)重的工業(yè)企業(yè)的清潔生產(chǎn)等環(huán)境保護(hù)的各個方面發(fā)揮著極為重要的作用。應(yīng)用環(huán)境生物技術(shù)處理污染物時，最終產(chǎn)物大都是無毒無害的、穩(wěn)定的物質(zhì)，如二氧化碳、水和氮?dú)?。利用生物方法處理污染物通常能一步到位，避免了污染物的多次轉(zhuǎn)移，因此它是一種消除污染安全而徹底的方法。特別是現(xiàn)代生物技術(shù)，尤其是基因工程、細(xì)胞工程和酶工程等生物技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用，大大強(qiáng)化了上述環(huán)境生物處理過程，使生物處理具有更高的效率、更低的成本和更好的專一性，為生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用展示了更為廣闊的前景。在此背景下，《生物工程學(xué)報(bào)》推出“環(huán)境生物技術(shù)”?？约畜w現(xiàn)本領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)和研究進(jìn)展。本專刊共收錄13篇文章，涵蓋聚焦于環(huán)境因素的微生物群落分析，難降解污染物，如多環(huán)芳烴、抗生素、石油基塑料等的研究現(xiàn)狀、降解機(jī)制，微生物鐵載體和吲哚等分子在環(huán)境污染修復(fù)中的應(yīng)用，且變廢為寶、資源化再利用等方面，較為系統(tǒng)地展示了環(huán)境生物技術(shù)的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢。

微生物群落分析對極端環(huán)境的微生物資源的挖掘有巨大的推動作用。近些年來，不依賴于培養(yǎng)的微生物群落分析方法如16S rRNA基因克隆文庫、擴(kuò)增子測序、宏基因組測序以及宏轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)等已廣泛用于極端環(huán)境的微生物多樣性、群落結(jié)構(gòu)和功能分析。中國科學(xué)院微生物研究所劉雙江、姜成英研究員團(tuán)隊(duì)采用高通量測序技術(shù)分析了云南蒙自某礦區(qū)酸礦水坑不同微環(huán)境和周邊溪水的原核微生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)差異，探究了影響群落結(jié)構(gòu)的主要因素，進(jìn)而分析了菌群的分布和適應(yīng)性及重要功能。旨在更全面地了解酸性礦山排水的形成和發(fā)展規(guī)律及其中的鐵、硫等元素生物地球化學(xué)循環(huán)，為酸性礦山排水的治理和修復(fù)以及微生物浸礦提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

多環(huán)芳烴、木質(zhì)纖維素因其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，成為了環(huán)境生物技術(shù)修復(fù)的典型污染物。其中多環(huán)芳烴因?yàn)槠錆撛诘闹禄?、致癌性和基因毒性，被美國環(huán)保局和歐共體同時確定為優(yōu)先控制的污染物，在本?？?，上海交通大學(xué)唐鴻志教授團(tuán)隊(duì)從降解途徑、降解基因、調(diào)控機(jī)制等角度對低分子量多環(huán)芳烴，主要是萘、蒽、菲、芴的降解研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹。而木質(zhì)纖維素的高效降解需要多種微生物的協(xié)同互作，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)王偉東教授團(tuán)隊(duì)從酶、純培養(yǎng)菌株和復(fù)合菌群三個方面綜述了木質(zhì)纖維素微生物降解研究進(jìn)展，著重介紹了組學(xué)技術(shù)在解析復(fù)合菌群作用機(jī)理方面的現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。

同樣作為典型環(huán)境污染物的還有“白色污染”——塑料。合成塑料，包括聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)、聚苯乙烯 (PS)、聚氯乙烯 (PVC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚氨酯 (PUR) 等，因其高分子量、高疏水性及高化學(xué)鍵能的特點(diǎn)難以被微生物降解，從而在環(huán)境中長期存在和累積，“白色污染”已經(jīng)成為一個全球性問題。上海交通大學(xué)特聘教授周寧一團(tuán)隊(duì)從微生物資源及相關(guān)酶學(xué)研究方面綜述了聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚氯乙烯這6種石油基塑料的生物降解的研究現(xiàn)狀，為進(jìn)一步開展塑料生物降解研究，尋找高效的塑料降解菌株資源以及進(jìn)一步在遺傳、分子和生化水平研究塑料生物降解機(jī)理研究，從而最終實(shí)現(xiàn)合成塑料的徹底降解和高值化利用提供了借鑒。除此之外，另有兩篇綜述分別就混合在塑料中的一類有機(jī)化合物鄰苯二甲酸酯 (Phthalates esters, PAEs)、溴代阻燃劑多溴聯(lián)苯醚 (PBDEs) 的降解展開了討論。浙江大學(xué)呂鎮(zhèn)梅教授團(tuán)隊(duì)對近年來國內(nèi)外在PAEs的結(jié)構(gòu)及分類、毒理學(xué)效應(yīng)、在環(huán)境中的污染狀況、細(xì)菌降解的菌株多樣性、降解途徑及分子機(jī)制等方面的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)與回顧，以期為解決PAEs的污染問題提供一些參考。深圳大學(xué)李猛教授團(tuán)隊(duì)從PBDEs微生物降解的角度出發(fā)，分別闡釋了好氧條件和厭氧條件下細(xì)菌降解PBDEs的代謝途徑研究進(jìn)展，并結(jié)合原位降解研究推斷古菌的降解潛能，比較分析了多種降解途徑的特性和綜合因素，同時對PBDEs降解微生物未來的研究趨勢和PBDEs降解體系設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行了展望。另一種阻燃劑有機(jī)磷酸酯的降解也在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院閆艷春教授團(tuán)隊(duì)的努力下取得了突破性進(jìn)展。通過持續(xù)逐級富集，該團(tuán)隊(duì)從北京某垃圾處理廠滲透液中富集到一個混合菌群 (編號為YC-BJ1)，并在降解特性、底物譜以及物種組成多樣性3個方面對其進(jìn)行了定性鑒定。YC-BJ1混合菌群出色的環(huán)境適應(yīng)能力，高效的降解能力為有機(jī)磷阻燃劑的降解及其環(huán)境污染生物修復(fù)提供了微生物資源，并為其降解機(jī)理的探索提供了有力支持。

近年來隨著畜牧業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)以及醫(yī)療行業(yè)的快速發(fā)展，21世紀(jì)新型環(huán)境污染物開始引起廣泛的關(guān)注，其中抗生素、藥品與個人護(hù)理用品 (Pharmaceuticals and personal care products, PPCPs) 更是重中之重。蘭州大學(xué)劉璞副教授、李祥楷教授團(tuán)隊(duì)概括了近10年來抗生素降解菌株和菌群對抗生素的去除情況，綜述了應(yīng)用微生物菌群處理抗生素殘留的技術(shù)方法，同時對未來利用微生物修復(fù)法減少環(huán)境中抗生素殘留進(jìn)行了展望。作為一類新興環(huán)境微污染物，PPCPs的生物降解研究已展開了大量的工作并取得了較大進(jìn)展。深圳大學(xué)李菊英副教授團(tuán)隊(duì)總結(jié)概括了目前國內(nèi)外PPCPs生物降解方法、功能菌種類、PPCPs的生物降解特性及產(chǎn)物組成與降解途徑等，分析了PPCPs微生物降解機(jī)理，以期為新型污染物PPCPs的降解研究提供新的切入點(diǎn)。

如前所述，環(huán)境生物技術(shù)能在污染物修復(fù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用不僅因?yàn)槠淠芨咝У貎艋h(huán)境污染，更令科學(xué)家們欣喜的是可以變廢為寶。因此，如何利用環(huán)境生物技術(shù)使有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏梦镔|(zhì)，是目前乃至將來很長一段時間內(nèi)人類廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。在本?？?，首先有一篇綜述對利用活性污泥菌群混合培養(yǎng)合成聚羥基脂肪酸酯 (PHA) 進(jìn)行了討論。濟(jì)南大學(xué)李強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)綜合介紹了對利用剩余污泥合成PHA的可行性、影響剩余污泥水解酸化的因素、污泥菌群富集馴化合成PHA及其機(jī)制等方面的研究進(jìn)展，并展望了混合培養(yǎng)合成PHA的研究前景。隨后，大連理工大學(xué)曲媛媛教授團(tuán)隊(duì)在納米金銀合金合成領(lǐng)域展示了重要研究成果，研究利用真菌sp. HJ胞內(nèi)提取物合成納米金銀合金，考察了不同的金銀離子濃度比例對生物合成納米金銀合金特性的影響，此外通過透射電子顯微鏡、X射線衍射光譜等技術(shù)證明真菌sp. HJ能夠合成分散性較好的納米金銀合金，在催化還原硝基芳烴污染物方面具有潛在的應(yīng)用價值。

除此之外，本專刊還對一些新型的信號分子或者轉(zhuǎn)運(yùn)元件在環(huán)境生物技術(shù)中發(fā)揮的作用進(jìn)行了綜述。研究發(fā)現(xiàn)，吲哚不僅可以調(diào)節(jié)微生物的毒性、耐藥性、生物膜形成以及群感效應(yīng)等生理生化行為，調(diào)控植物生長發(fā)育和防御系統(tǒng)的形成過程，還能夠影響動物的腸道炎癥、細(xì)胞氧化壓力及荷爾蒙分泌等生理健康。因此吲哚在微生物代謝、動物健康和植物生長等多個方面扮演了重要角色，具有重要的生物學(xué)及生態(tài)學(xué)雙重意義。大連理工大學(xué)曲媛媛教授團(tuán)隊(duì)綜述了吲哚從生物代謝到信號傳遞的研究歷史，及其在微生物種內(nèi)或種間以及微生物-動植物之間跨界的信號傳導(dǎo)與調(diào)控作用的研究進(jìn)展，旨在為揭示復(fù)雜環(huán)境中吲哚生物代謝及信號調(diào)控的生物學(xué)意義與生態(tài)學(xué)機(jī)制提供重要的理論指導(dǎo)。鐵載體是微生物在胞內(nèi)低鐵濃度下分泌的螯合鐵的物質(zhì)，可分為兒茶酚鹽類、氧肟酸鹽類、羧酸鹽類三大類。近年來鐵載體在石油污染修復(fù)、重金屬污染修復(fù)和紙漿生物漂白等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。浙江大學(xué)胡寶蘭教授團(tuán)隊(duì)從鐵載體的分類及其轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控機(jī)制，以及鐵載體在環(huán)境污染治理與修復(fù)中的應(yīng)用等多方面進(jìn)行了介紹，并展望了鐵載體今后的應(yīng)用前景。

本?？婕傲谁h(huán)境生物技術(shù)的多方面內(nèi)容，然而對于目前環(huán)境生物技術(shù)領(lǐng)域的諸多進(jìn)展、存在的問題以及未來的研究方向仍不全面。謹(jǐn)希望本?？某霭婺軌?yàn)榄h(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展提供新的思路，吸引更多力量來共同推動生物技術(shù)領(lǐng)域的研究，為人類科研事業(yè)作出更大的貢獻(xiàn)。

Preface for special issue on environmental biotechnology (2019)

Hongzhi Tang1,2

1,,,200240,2,,200240,

Environmental biotechnology, as an emerging interdisciplinary subject combining modern biotechnology and environmental engineering, has been widely used in environmental pollution control and environmental monitoring. Efficient purification of environmental pollution and the production of useful substances have the potential to fundamentally solve environmental problems. In the present special issue, the principle and application of environmental biotechnology in the field of environmental pollutant degradation such as polycyclic aromatic hydrocarbons, antibiotics, and petroleum-based plastics has been summarized. Application of indole, microbial iron carrier and other molecules in bioremediation has been introduced. Hope to give a comprehensive view on basic environmental biotechnology, future research directions and comprehensive governance strategies.

environmental biotechnology, pollutants, bioremediation, mechanism research

October 22, 2019

唐鴻志. 2019環(huán)境生物技術(shù)專刊序言. 生物工程學(xué)報(bào), 2019, 35(11): 2031–2034.

Tang HZ. Preface for special issue on environmental biotechnology (2019). Chin J Biotech, 2019, 35(11): 2031–2034.

Hongzhi Tang. Tel: +86-21-34204066; E-mail:tanghongzhi@sjtu.edu.cn

(本文責(zé)編 陳宏宇)

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