2019環境生物技術專刊序言

唐鴻志

序 言

唐鴻志 上海交通大學生命科學技術學院/微生物代謝國家重點實驗室教授、博士生導師 (2014年破格晉升)。2012年12月–2013年12月美國麻省理工學院訪問學者。研究方向為環境微生物學與合成生物學。目前擔任中國微生物學會-環境微生物專業委員會委員兼秘書。中國生物工程學會-合成生物學專業委員會 (籌) 委員。2016年獲得教育部自然科學一等獎 (排名第二)，2013年獲得“明治乳業生命科學獎”。曾獲得國家優秀青年基金、上海市曙光學者，上海市青年科技啟明星，上海市教委“晨光”計劃，上海交通大學“晨星計劃”、首屆“仲英青年學者”。已在、、、、、、、、等SCI期刊發表論文80篇 (第一/通訊作者45篇)。

2019環境生物技術專刊序言

唐鴻志1,2

1 上海交通大學 微生物代謝國家重點實驗室，上海 200240 2 上海交通大學 代謝與發育科學國際聯合實驗室，上海 200240

環境生物技術，作為一門由現代生物技術與環境工程相結合的新興交叉學科，已經在環境污染治理、環境監測中得到了廣泛的應用，環境友好、高效地處理有機及無機污染，同時變廢為寶生產高值化合物為從根本上解決環境問題提供了希望與支持。本專刊報道了環境生物技術在多環芳烴、抗生素、石油基塑料等環境污染物降解領域的基礎與應用研究，介紹了吲哚、微生物鐵載體等分子在生物修復中的應用，為全面認識環境污染現狀、深入開展環境生物技術研究并制定綜合治理策略等提供參考。

環境生物技術，污染物，生物修復，機制研究

化合物是人類社會發展的基礎，但人工化合物的大規模制造和使用造成了嚴重的環境污染，成為全球普遍關注的嚴峻問題。眾多的化合物釋放到生態環境中后，微生物沒有足夠的時間和充分的環境條件來“進化”其代謝途徑，因此表現出有機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，但由于在生態系統中通過食物鏈的生物濃縮作用，最終會影響人類的健康，如源于含氯有機化合物的環境荷爾蒙污染正在威脅著包括人類在內的生物生殖體系。因此，為降低污染物對環境的破壞，首先需要開發各種清潔生產工藝、生產環境友好的化合物。與此同時，必須開發減少化學物質在環境中的暴露程度，即化合物的降解或處理技術。隨著難降解化合物的污染問題日益嚴峻， 20世紀90年代，難降解化合物污染的生物修復技術的研究和應用日益引人注目，與此同時形成了環境生物技術這一系統的學科領域。

環境生物技術是一門由現代生物技術與環境工程相結合的新興交叉學科，是生物工程領域新方向，其作為一個人工技術系統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能，建立降低或消除污染物產生的生產工藝，或者能夠高效凈化環境污染以及同時生產有用物質。生物技術在處理環境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應條件溫和以及無二次污染等顯著優點，為從根本上解決環境問題提供了希望。目前生物技術應用于環境保護中主要是利用微生物，少部分利用植物作為環境污染控制的生物。生物技術已是環境保護中應用最廣的、最為重要的單項技術，其在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質的降解、清潔可再生能源的開發、廢物資源化、環境監測、污染環境的修復和污染嚴重的工業企業的清潔生產等環境保護的各個方面發揮著極為重要的作用。應用環境生物技術處理污染物時，最終產物大都是無毒無害的、穩定的物質，如二氧化碳、水和氮氣。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移，因此它是一種消除污染安全而徹底的方法。特別是現代生物技術，尤其是基因工程、細胞工程和酶工程等生物技術的飛速發展和應用，大大強化了上述環境生物處理過程，使生物處理具有更高的效率、更低的成本和更好的專一性，為生物技術在環境保護中的應用展示了更為廣闊的前景。在此背景下，《生物工程學報》推出“環境生物技術”專刊，以集中體現本領域的發展動態和研究進展。本專刊共收錄13篇文章，涵蓋聚焦于環境因素的微生物群落分析，難降解污染物，如多環芳烴、抗生素、石油基塑料等的研究現狀、降解機制，微生物鐵載體和吲哚等分子在環境污染修復中的應用，且變廢為寶、資源化再利用等方面，較為系統地展示了環境生物技術的研究進展和發展趨勢。

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

多環芳烴、木質纖維素因其復雜的結構和物理性質，成為了環境生物技術修復的典型污染物。其中多環芳烴因為其潛在的致畸性、致癌性和基因毒性，被美國環保局和歐共體同時確定為優先控制的污染物，在本專刊中，上海交通大學唐鴻志教授團隊從降解途徑、降解基因、調控機制等角度對低分子量多環芳烴，主要是萘、蒽、菲、芴的降解研究進展進行了介紹。而木質纖維素的高效降解需要多種微生物的協同互作，黑龍江八一農墾大學王偉東教授團隊從酶、純培養菌株和復合菌群三個方面綜述了木質纖維素微生物降解研究進展，著重介紹了組學技術在解析復合菌群作用機理方面的現狀和應用前景。

同樣作為典型環境污染物的還有“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、高疏水性及高化學鍵能的特點難以被微生物降解，從而在環境中長期存在和累積，“白色污染”已經成為一個全球性問題。上海交通大學特聘教授周寧一團隊從微生物資源及相關酶學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狀，為進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一步在遺傳、分子和生化水平研究塑料生物降解機理研究，從而最終實現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化合物鄰苯二甲酸酯 (Phthalates esters, PAEs)、溴代阻燃劑多溴聯苯醚 (PBDEs) 的降解展開了討論。浙江大學呂鎮梅教授團隊對近年來國內外在PAEs的結構及分類、毒理學效應、在環境中的污染狀況、細菌降解的菌株多樣性、降解途徑及分子機制等方面的相關研究進行總結與回顧，以期為解決PAEs的污染問題提供一些參考。深圳大學李猛教授團隊從PBDEs微生物降解的角度出發，分別闡釋了好氧條件和厭氧條件下細菌降解PBDEs的代謝途徑研究進展，并結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降解體系設計應用進行了展望。另一種阻燃劑有機磷酸酯的降解也在中國農業科學院研究生院閆艷春教授團隊的努力下取得了突破性進展。通過持續逐級富集，該團隊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個方面對其進行了定性鑒定。YC-BJ1混合菌群出色的環境適應能力，高效的降解能力為有機磷阻燃劑的降解及其環境污染生物修復提供了微生物資源，并為其降解機理的探索提供了有力支持。

近年來隨著畜牧業、水產養殖業以及醫療行業的快速發展，21世紀新型環境污染物開始引起廣泛的關注，其中抗生素、藥品與個人護理用品 (Pharmaceuticals and personal care products, PPCPs) 更是重中之重。蘭州大學劉璞副教授、李祥楷教授團隊概括了近10年來抗生素降解菌株和菌群對抗生素的去除情況，綜述了應用微生物菌群處理抗生素殘留的技術方法，同時對未來利用微生物修復法減少環境中抗生素殘留進行了展望。作為一類新興環境微污染物，PPCPs的生物降解研究已展開了大量的工作并取得了較大進展。深圳大學李菊英副教授團隊總結概括了目前國內外PPCPs生物降解方法、功能菌種類、PPCPs的生物降解特性及產物組成與降解途徑等，分析了PPCPs微生物降解機理，以期為新型污染物PPCPs的降解研究提供新的切入點。

如前所述，環境生物技術能在污染物修復領域得到廣泛的應用不僅因為其能高效地凈化環境污染，更令科學家們欣喜的是可以變廢為寶。因此，如何利用環境生物技術使有害物質轉變為有用物質，是目前乃至將來很長一段時間內人類廣泛關注的熱點。在本專刊中，首先有一篇綜述對利用活性污泥菌群混合培養合成聚羥基脂肪酸酯 (PHA) 進行了討論。濟南大學李強教授團隊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及其機制等方面的研究進展，并展望了混合培養合成PHA的研究前景。隨后，大連理工大學曲媛媛教授團隊在納米金銀合金合成領域展示了重要研究成果，研究利用真菌sp. HJ胞內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用價值。

除此之外，本專刊還對一些新型的信號分子或者轉運元件在環境生物技術中發揮的作用進行了綜述。研究發現，吲哚不僅可以調節微生物的毒性、耐藥性、生物膜形成以及群感效應等生理生化行為，調控植物生長發育和防御系統的形成過程，還能夠影響動物的腸道炎癥、細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，具有重要的生物學及生態學雙重意義。大連理工大學曲媛媛教授團隊綜述了吲哚從生物代謝到信號傳遞的研究歷史，及其在微生物種內或種間以及微生物-動植物之間跨界的信號傳導與調控作用的研究進展，旨在為揭示復雜環境中吲哚生物代謝及信號調控的生物學意義與生態學機制提供重要的理論指導。鐵載體是微生物在胞內低鐵濃度下分泌的螯合鐵的物質，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、重金屬污染修復和紙漿生物漂白等領域得到了廣泛應用。浙江大學胡寶蘭教授團隊從鐵載體的分類及其轉運調控機制，以及鐵載體在環境污染治理與修復中的應用等多方面進行了介紹，并展望了鐵載體今后的應用前景。

本專刊涉及了環境生物技術的多方面內容，然而對于目前環境生物技術領域的諸多進展、存在的問題以及未來的研究方向仍不全面。謹希望本專刊的出版能夠為環境生物技術的發展提供新的思路，吸引更多力量來共同推動生物技術領域的研究，為人類科研事業作出更大的貢獻。

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環境生物技術專刊序言. 生物工程學報, 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

(本文責編 陳宏宇)