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2025年5月7日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）联合中国科学院深圳先进技术研究院戴俊彪团队与上海交通大学唐鸿志团队，在国际顶级期刊《Nature》上发表了一项具有里程碑意义的研究成果。该研究利用合成生物学手段，成功开发出一种可在高盐环境下高效降解复杂有机污染物的新型工程菌株——VCOD-15。

这项技术为解决石化废水排放、海洋石油泄漏、微塑料污染等全球性环境问题提供了全新的生物修复路径，标志着我国在环境合成生物学领域迈出了关键一步。

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研究人员首先评估了多种潜在降解菌株的性能，最终选定“需钠弧菌（Vibrio natriegens）”作为理想的工程化底盘。该菌株在30至50 g/L高盐环境中仍能维持较高的生长活性和对有毒物质的耐受能力。

进一步分析表明，其外排泵相关基因如 marA 和 acrAB-tolC，以及ABC转运蛋白基因的表达水平显著上调，增强了其清除外来毒物的能力。同时，研究团队筛选出高效启动子P25（组成型）和PT7（诱导型），为后续基因回路设计奠定了基础。

为了提高外源DNA的整合效率，研究团队引入了来自霍乱弧菌的调控因子TfoX，成功构建了转化效率显著提升的菌株VCOD-2。该策略不仅使低至0.5 ng的DNA片段也能高效整合，还实现了抗性标记的无痕去除，降低了工程菌释放可能带来的生态风险。

此外，团队在需钠弧菌染色体中鉴定了12个中性插入位点，并确认chr2_297为最佳位点，可稳定整合长达43 kb的合成基因簇，且不影响菌株正常生长，为多基因通路串联整合提供了理想平台。

通过系统挖掘并设计多条针对典型有机污染物的代谢通路，研究人员合成了多个功能基因簇，包括：联苯降解通路（bphA1234BCDHIJK），苯酚降解通路（dmpLMNOP），萘降解通路（nahAabcdBCDEF），二苯并呋喃降解通路（dbfA1234BC），甲苯降解通路（xylMNABC）。

这些基因簇被逐一导入菌株中，构建了一系列单功能菌株（VCOD-3 至 VCOD-11），并在不同培养条件下验证其降解活性，为后续多通路整合打下坚实基础。

为克服传统方法难以整合多条代谢通路的瓶颈，研究人员开发了一种名为INTIMATE（Iterative Natural Transformation-based Assembly Technique）的新技术。

借助酵母体内组装技术，将多个降解基因簇依次导入需钠弧菌，并通过同源重组策略进行迭代整合，最终成功构建了集五大降解功能于一体的超级菌株VCOD-15。该菌株基因组中共整合了总长43 kb的功能基因簇，成为目前合成生物学领域在单一菌株中最多功能集成的案例之一。

在实验室条件下，VCOD-15在48小时内对五类代表性污染物的去除率均超过60%，其中联苯完全降解，甲苯和二苯并呋喃的降解率接近90%。这一表现显著优于天然降解菌株。

在高盐工业废水中表现出色：在氯碱废水（盐度102.5 g/L）及石油炼化废水（盐度52.5 g/L）中，普通菌株无法存活，而VCOD-15仍保持良好活性。在活性污泥反应器中，仅需12小时即可完全去除高浓度污染物；在多平行生物反应器中运行48小时后，污染物残留量低于检测限的2%，且该菌株在复杂微生物群落中占比稳定在40%以上。

土壤修复潜力初步验证：在含盐土壤中，VCOD-15对联苯、苯酚、萘和二苯并呋喃的8天净降解量分别为0.16、0.66、0.21和0.03 mmol/kg，同位素标记实验进一步证实了目标污染物的有效降解。

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本研究不仅成功开发出一种具备广阔应用前景的工程菌株，更为重要的是，建立了一个基于需钠弧菌的合成生物学工程化平台。该平台实现了从基因挖掘、代谢通路设计、基因簇组装、菌株构建、功能验证到实际环境修复的全流程闭环。

随着工业化和城市化的加速推进，复杂有机污染已成为影响生态环境和人类健康的重要问题。该研究成果提供了一种绿色、高效、低成本的生物修复方案，尤其适用于高盐、高污染的工业废水治理场景。

研究团队表示，下一步将推动VCOD-15在更多真实污染场地的应用试验，并探索其在海洋环境修复中的可行性，为全球范围内的污染防治贡献中国智慧与中国方案。

参考

Su, C., Cui, H., Wang, W. et al. Bioremediation of complex organic pollutants by engineered Vibrio natriegens. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08947-7