微生物是未来治理污染的希望吗？| “自然聚焦-合成生物学”增刊

本文来自微信公众号： 自然系列 ，作者：Nature Portfolio

合成生物学家正在改造细菌，使其能以石油、塑料和有毒化学物质为食。

环境工程师Ludmilla Aristilde（右）和她的同事们致力于开发以生物技术为主导的解决方案来对抗污染。图片来源：Benjamin Barrios-Cerda/Aristilde lab

Ludmilla Aristilde一直明白，人类福祉与周围的世界息息相关。她在海地长大，曾与家人经历过两次因水污染引发的霍乱疫情。“那是我第一次意识到环境污染关乎人类健康。”她说，“当时我还很小，但我明白这是件大事。”

12岁那年，她了解到有些环境破坏是可以修复的。在一次学校组织前往太子港（Port-au-Prince）附近砍伐严重山区的旅行中，Aristilde和同学们学习了侵蚀的影响，并在俯瞰首都的光秃土地上种植了约1000棵树苗。“这让我们明白，我们可以做些什么来扭转我们行为对环境造成的后果，”Aristilde说。

如今，Aristilde是伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的一名环境工程师，致力于研究减轻环境损害的方法。她所属的合成生物学家群体正在不断壮大，他们利用生物技术解决方案来治理各种污染问题，包括微塑料、工业废料、以及含有重金属或爆炸物残留物的土壤。

科学家们主要借助含特定功能定制的DNA的微生物来实现这一目标。这些经过基因改造的微生物不仅为净化环境带来希望，也可应用于循环经济产业——尽量延长材料使用寿命而非将其丢弃——以重新利用污染物或从废物流中回收资源。

“十年前被认为不可能的事情，现在已经成为现实。”合成生物学家、LanzaTech首席创新官Michael Köpke说道。LanzaTech是一家总部位于美国斯科基的公司，致力于将工业废料和排放物转化为有用的材料。“这些技术可以帮助我们社会向循环经济模式转型，在这种模式下，我们可以尽可能多地利用废弃物来生产燃料、化学品和材料。”

尽管合成生物学为困扰地球的众多污染物提供了一种潜在解决方案，但研究人员表示，由于担心将转基因生物释放到环境中，以及缺乏政府资金和激励措施，该领域尚未充分发挥其潜力。然而，如果这些挑战能够克服，许多专家认为，经过改造的微生物可以成为重要伙伴，帮助人类清理对地球水、空气和土壤造成的一些破坏。

改造微生物

马德里国家生物技术中心的分子环境微生物学家Víctor de Lorenzo表示，利用微生物来解决环境问题的不是新概念。“上世纪80年代末曾掀起过一股热潮，人们期待利用改造细菌来解决污染、石油泄漏等林林总总的问题。”

然而，de Lorenzo指出，由于技术上的障碍以及社会对转基因生物使用的抵制——主要是出于对转基因生物健康和环境影响的担忧——早期的研究工作陷入了停滞。“渐渐地，对此感兴趣的人们转向了其他更有前景的领域。”他补充道，“整个领域一度沉寂下来。”

21世纪初，遗传学的进步以及人们对气候变化和污染影响日益增长的认识，重新激发了人们对利用微生物进行生物修复（净化受污染环境）和生物制造（将潜在污染物转化为有用产品）的兴趣。德克萨斯大学奥斯汀分校的化学工程师Hal Alper表示，过去十年中，“新技术和新方法的融合”为构建工程微生物开辟了更多可能性。他补充说，新的合成生物学工具也使得人们能够超越大肠杆菌和“烘焙酵母”（即酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae）——这些实验室里的微生物主力军和合成生物学的初始研究对象——去探索更适应特定环境和代谢任务的微生物。

环境微生物学家Víctor de Lorenzo(左)和David Rodriguez正在改造细菌，使其能够分解炸药残留的有毒污染物。图片来源：Centro Nacional de Biotecnologia

合成生物学家通常不会从头发明轮子。相反，他们会在自然界中寻找微生物——原本就能降解、利用某些污染物或富含碳的复杂废物的那些。“有些细菌通过自然演化，学会了如何消化这些化合物，”de Lorenzo说道。研究人员研究这些天然存在的微生物，以了解其代谢废物的生物化学机制，然后利用这些知识创造出效率更高的微生物。“我们希望这些过程能比细菌为自身生存所做的更快、更高效、规模更大。”Aristilde说道。“这就是合成生物学发挥作用的地方。”

Aristilde和其他研究人员利用高分辨率质谱等工具（通过测量分子量来识别化学物质），可以追踪微生物摄入和消化特定标记分子的过程。他们研究这些分子“食物”的酶促过程，以及瓶颈所在。这为他们提供了线索，以实现在实验室中改进自然过程或将其重新用于新功能，这种方法被称为理性工程。

Köpke表示，科学家可以将一种细菌的基因插入另一种细菌中，从而赋予该物种所需的性状；他们还可以合成特定应用所必需的基因，甚至是整个细菌基因组。虽然目前的技术距离生产完美优化的微生物还很遥远，但人工智能正在加速实现这一目标。上海交通大学的合成生物学家和环境微生物学家唐鸿志表示，研究人员尚未找到足够的微生物基因或酶来降解所有污染物。但他补充道：“人工智能将非常有利于酶的设计，所以我认为这会很快解决。”

代谢万花筒

科学家们目前正致力于开发生物修复技术以应对一系列挑战，包括食品生产过程中产生的废水处理以及工业废气的再利用。例如，Köpke及同事在过去20年中，一直致力于研发“吃碳”微生物，这些微生物能够将钢铁厂、炼油厂和农业废弃物排放的一氧化碳和二氧化碳转化为乙醇——乙醇随后可进一步转化为航空燃料和其他有用材料。Köpke表示，LanzaTech的这项技术目前已在全球六家商业工厂投入使用，每年生产约30万吨乙醇，并避免约50万吨二氧化碳排放。

其他研究团队则专注于清理已进入环境的污染物。例如，De Lorenzo的实验室正在改造能够降解硝基芳香族化合物的细菌，这些化合物是炸药的常见成分。“它们剧毒无比，而且化学结构非常奇特。”他说。如果这些物质留在环境中，它们会缓慢且不完全地降解，通常会转化为其他有毒的中间体。接触到这些物质的植物、动物和微生物可能会出现急性中毒反应，进而导致生物多样性、养分循环和整个生态系统功能出现长期问题。

De Lorenzo说，通过工程手段去除这些物质“可以带来质的改变”。在四月份发表的一项研究中1，他和他的同事重点研究了2,4-二硝基甲苯（DNT）的降解。DNT是三硝基甲苯（TNT）的副产物，常见于旧弹药厂周围的土壤以及TNT爆炸地点（D.Rodríguez-Espesoet al.Metab.Eng.95,90–101;2026）。De Lorenzo和他的同事从一种能够自然降解DNT的细菌中提取基因，并将其转移到恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）——一种生物技术中常用的菌种。De Lorenzo表示，虽然原始微生物能够一定程度上利用DNT，但它无法完全清除这种化合物，并且在试图消化DNT的过程中承受着巨大的压力。他和同事们让经过基因改造的恶臭假单胞菌在以DNT为唯一食物来源的条件下演化近一年，最终获得了一种独特的细菌菌株，其突变使其能够更有效地降解DNT。De Lorenzo说，与原始菌株相比，这种新菌株降解DNT的速度“更快，且无压力”，并且在实验条件下能够完全清除DNT。他希望像这样的微生物最终能够确保乌克兰、中东等地区的大片土地不会因污染而荒芜。

经基因工程改造的细菌能够有效降解污染物DNT。实验中观察到，孔的颜色越浅，说明DNT的降解水平越高。图片来源：Centro Nacional de Biotecnologia

塑料生物转化是另一项创新前沿领域，它始于2016年。当时，日本京都工艺纤维大学的工程师平贺和三（Kazumi Hiraga）和同事发现，他们在一家回收设施附近的塑料垃圾上发现的一种名为大阪堺菌（Ideonella sakaiensis）的天然细菌，演化出了能够分解聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）2的酶（S.Yoshidaet al.Science351,1196–1199;2016）。这一发现表明，研究人员可以利用这一自然发现作为起点改造微生物，以更高效地回收或清理塑料垃圾。

然而，塑料中使用的物质约有16000种，因此能分解一种聚合物的微生物和酶未必适用于另一种。例如，Alper及其同事首先改进了能够消化PET（一种相对容易分解的塑料）的细菌中的酶，然后再着手研究更复杂的塑料。Alper表示，该团队目前已成功实现了聚乙烯和聚丙烯的显著降解——由于其碳键的稳定性，这两种塑料相对PET更难被微生物代谢。

对于一些实验室而言，最终目标是通过赋予工程微生物同时处理多种污染物的能力来提高其效率。去年，唐鸿志和同事描述了一种他们利用基因工程改造的基因簇构建的海洋细菌。该菌株能够分解五种碳氢化合物：联苯、苯酚、萘、二苯并呋喃和甲苯3（C.Suet al.Nature642,1024–1033;2025）。他们对工业废水、海水和污染盐溶液进行的测试证实，该微生物能够将这些污染物转化为几种天然存在的化合物，而这些化合物可以被野生细菌代谢。自该论文发表以来，Tang及其同事已又构建了至少50个新的合成基因簇，旨在降解各种有毒物质。Tang教授说，他们已经成功地将其中十个基因簇转移到了单个细菌中。“我的目标是培育出能够降解各种毒素的细菌。”

强大合作伙伴

尽管已有工程微生物应用于发酵过程和有限应用于自然环境，但大多数仍局限于实验室。如何扩大规模，使其在现实世界中安全有效地发挥作用，仍然是一个挑战。荷兰莱顿大学的微生物学家Lennart Schada von Borzyskowski指出，首先，在优化条件下于培养皿或生物反应器中培养的微生物往往不如其野生同类适应性强，因此它们可能难以在不受控制的环境中发挥作用和生存。另一个原因是，它们被改造产生的特殊酶需要消耗能量，这会削弱微生物的耐受性。

寻找改进和实施这项技术所需的资金支持是另一个障碍。与一些生物技术（例如先进药物）不同，私人机构并不热衷于资助污染治理。“你能看到巨大的社会效益，但市场吸引力却很小。”de Lorenzo说。Köpke补充道，尽管再利用材料具有盈利潜力，但在大多数情况下，生物修复仍然不具备成本效益。然而，如果各国政府实施监管激励措施，例如碳捕获税收抵免，或强制要求可持续燃料市场混合利用废气中的再生乙醇，经济形势可能会有所改变。“这些政策能够创造稳定的需求和价格溢价。”Köpke说。

立法追究污染者对环境清理的责任是鼓励使用合成生物学解决方案的另一种途径。然而，de Lorenzo表示，总体而言，“公共机构在污染清理方面的资金投入不足”，而且这种情况短期内似乎不太可能改变。例如，美国被视作生物修复领域的全球领导者，但唐纳德·特朗普（Donald Trump）总统的政府却放松了污染控制方面的监管。

相比之下，de Lorenzo说，欧盟的进展则受阻于过度关注将工程微生物释放到环境中的潜在风险。

这些限制部分源于人们担心基因工程改造的微生物可能会开始吞噬那些本不应被降解的物质。例如，Alper指出，经过基因工程改造以分解塑料垃圾的细菌可能会成为塑料结构的“微生物白蚁”。为了规避这个问题，一些研究人员正在开发控制方法——例如，改造微生物使其只能在特定分子存在的情况下生长，或者合成基因组，改变遗传编码，使其无法在环境中长期生存。“在某种程度上，这就像竖起围栏。”Alper说道。

另一些研究人员则认为这种担忧有些过头。Schada von Borzyskowski指出，基因工程改造的微生物可能太弱，无法大量繁殖。“大多数人忽略了一个问题：它们在自然环境中能否活过哪怕一小段时间？”他补充说，各国政府对使用生物修复技术的犹豫颇具讽刺意味，因为人类正是造成大量污染排放到环境中的罪魁祸首，而基因改造的微生物正是为了帮助清理这些污染而设计的。“尽管存在很高的溢油风险，但没人质疑在海洋中建造石油钻井平台是否合理。”他说。

然而，总体而言，世界各地的政策都落后于科学发展。“这些技术可以为我们所面临的诸多挑战提供解决方案，但任何技术要想成功，都必须受到伦理规范的约束。”比利时安特卫普大学的生命科学家Varsha Aravind Paleri说，她曾研究过合成生物学的伦理问题。“目前最大的问题之一是监管不足，因为政府机构未能跟上技术发展的步伐。”

De Lorenzo认为，文化观念的转变也能极大地帮助社会接受合成生物学的潜力。他表示，与其将工程微生物视为“需要控制的风险”，不如视作“解决重要问题的盟友”和“退化生态系统的益生菌”。一些国家已经采纳了这种理念。他指出，日本长期以来一直将微生物视为生物技术的强大合作伙伴。

Aristilde也认为，如果世界能接受这一理念，细菌和其他微生物在生物技术领域的潜在益处将不可胜数。“我们才刚刚开始挖掘这些微小生物的非凡能力。”她说，“它们确实可以帮助我们开发出可持续、符合伦理且环保的解决方案，将废物转化为宝贵材料。”

Rachel Nuwer是一位居住在纽约市的自由撰稿人。

参考文献：

1.Rodríguez-Espeso,D.,del Olmo Lianes,I.,Spain,J.C.&de Lorenzo,V.Metab.Eng.95,90–101(2026).

2.Yoshida,S.et al.Science351,1196–1199(2016).

3.Su,C.et al.Nature642,1024–1033(2025).