众多学者的智慧结晶——廖春阳、江桂斌主编《环境合成生物学》- 大数跨境

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众多学者的智慧结晶——廖春阳、江桂斌主编《环境合成生物学》

科学出版社

2025-06-16

环境合成生物学将环境科学与合成生物学交叉融合，是利用合成生物学的原理和方法，发展针对环境污染物研究与控制的生物传感监测、毒性评价、智能降解和资源化利用等技术的一门新学科。

环境污染问题是实现人与自然和谐共生、践行绿色发展理念的重大挑战。随着人类生产生活活动的不断丰富，越来越多的污染物、废弃物被排入自然环境，而环境中的污染物又会通过食物链被逐级吸收、富集和放大，不仅给环境带来了巨大的危害，还严重威胁着人们的健康。微生物是地球生态循环的天然引擎，在自然环境的自净过程中起着无可替代的作用。功能性微生物广泛存在于自然环境中，可以对各种污染物进行降解、转化或钝化。日本科学家Kenji Miyamoto 发现世界上第一例能够以聚对苯二甲酸乙二酯为主要碳源的细菌大阪堺菌（Ideonella sakaiensis），印证了天然微生物在环境修复领域的巨大潜能和应用前景，助推了全球科学家筛选功能菌株的热潮。

▲ 污染物修复常用的微生物

A. 杆菌；B. 球菌；C. 酵母；D. 霉菌；E. 衣藻；F. 蓝藻

自1989 年以来，通过筛选和驯化天然微生物，研究人员已经开发了大量高效、低成本和环境无害的生物修复技术，并广泛用于修复受污染的农田、地下水、河流、湖泊和海洋等环境。在我国，农药菌剂和石油降解菌群等已被成功地用于无公害水稻生产和重油污染区域的修复，充分说明了微生物修复在环境治理中的广阔应用前景。

然而，随着工业技术的不断发展，越来越多的新型人工化合物被创造并生产出来，这些化合物出现的速度已经远远超越了天然微生物进化出对应降解基因的速度。越来越多难以降解的新型污染物被检测出来，同时还有许多新的污染物没有便捷的识别和检测方法，因此，环境领域的研究人员正面临着新的严峻挑战。而传统环境微生物技术中的菌株筛选、驯化、人工诱变等手段，存在周期长、工作量大、定向性差等缺陷，已经无法适应当前环境修复的实际需求。因此，环境修复领域迫切需要进行技术突破与创新。

▲ 全细胞生物传感器响应环境污染物的机制

合成生物学是一门基于工程学的理念，采用“自下而上”的设计方式，系统性地对生物体表型进行改造或创造的新兴学科，目前已经成为生物学领域的重要研究方向。伴随着大量新技术的涌现，高通量筛选、数学模拟、机器学习等技术与合成生物学领域交叉融合，极大地推动了该领域的发展，也促使越来越多的传统生物学领域开始引入合成生物学的研究理念。目前，合成生物学已经为疾病治疗、医药健康、能源、工业、材料等诸多领域带来新的理念与变革。在环境污染治理需求与合成生物学自身发展的共同推动下，环境合成生物学应运而生。

环境合成生物学发展的初衷是希望以合成生物学的理念，设计发展新方法和新技术，解决传统环境生物技术难以解决的环境污染问题。根据现阶段环境领域的实际需求，环境合成生物学的研究重心主要分为三个方面：环境复合污染物的实时高效监测；有毒污染物的高效识别及多靶点毒性效应评价；污染物高效生物修复及污染物降解资源化回收。

▲ 全细胞微生物传感器示意图

在环境复合污染物的实时高效监测方面，针对现有污染物分布广泛、浓度痕量的特征，研究人员可以开发易于使用且能在大气、水体、土壤环境中完成污染物快速识别监测的高性能合成生物传感器，深入挖掘可用的基因元件、代谢途径及功能蛋白，赋予生物传感体系新的功能或极大提升现有生物传感器的性能，带来环境在线监测的深刻革命。一些具有实际应用优势的无细胞合成生物学检测方法，也陆续被研究用于实际环境中农药、重金属、抗生素类药物等的监测，极大地提高了污染物检测的效率和准确率，逐渐成为一种应对复合污染的优先策略。相较于传统的检测技术，合成生物学传感技术避免了烦琐的样品前处理过程，也不需要精密的仪器支持，监测成本低，更具有现场和原位监测的应用潜力。

▲ 多器官人体芯片作用示意图

在有毒污染物的高效识别及多靶点毒性效应评价方面，针对环境污染物的多靶点快速毒性效应评估及复合效应来源解析等难题，研究人员应开展环境污染物的高效识别及多靶点毒性效应同步关联生物传感监测与毒性评价研究。在合成生物学技术中，针对污染物识别、效应分子的高效理性设计及人工基因回路设计方面的经验，有可能为解决污染物暴露识别与效应评价偶联问题、低浓度污染物的毒性评价问题及复合暴露的健康效应评价问题提供新的解决方案。随着新污染物的不断增多和对未知毒性机制的深入探索，传统毒性评价模型已经越来越不能满足目前的研究现状，因此研究人员尝试将已知的一些模式生物和模型系统利用合成生物学原理进行定向改造，例如，建立有效的工程菌株，定向诱导分化多能干细胞，从头合成生物的靶细胞、靶器官，生产器官芯片，构建嵌合体胚胎及动物等，以满足更加深入、全面的毒性评价要求，实现对有毒污染物的高效识别和多靶点毒性的同时评价。

▲ 合成生物修饰微生物在重金属污染检测和修复中的应用

在污染物高效生物修复及污染物降解资源化回收方面，研究人员可以依据实际污染场景的特点，有针对性地选择功能菌株，并在此基础上进行系统性的强化或改造，定向增强特定的生物表型，从而获得更加高效、简便的环境修复技术。相比传统环境修复技术，通过环境合成生物学构建的修复系统或产品，具备周期短、效率高、目标明确的特点，在合成科学迅猛发展的当下，具有极其广阔的应用前景。但需要注意的是，合成生物学的理念通常伴随着遗传修饰生物体（genetically modified organism, GMO）的引入。在环境领域，GMO 的使用必须符合国家法律法规，在获得正式授权的情况下，才可以开展非封闭体系下的实验或应用；在没有获得正式授权时，仅能够在封闭体系下进行实验。实验结束后，整个体系必须遵循国家相关规定进行处理，实验成果仅能作为技术储备进行保存。

近年来，可用于合成生物学的使能技术得到了长足发展，各种基于合成生物学理论的新设计、新思路层出不穷，这是对现有环境科学研究的补充和开拓，有助于解决一系列环境科学前沿问题。《环境合成生物学》汇集了专家学者对环境领域合成生物学应用的认识和展望，以期帮助读者了解和认识环境合成生物学发展的现状，是众多学者共同努力的智慧结晶。希望本书所总结的部分成果，能够启发环境污染、健康风险、污染治理、公共卫生、生命科学和医学领域的相关科研人员与技术人员的科研创新，也希望合成生物学和环境科学的交叉带来我国环境治理的新进展。