CREST | 苏格兰农业学院Gupta团队：基于酶和微藻的生物技术修复水系统中微污染物的进展

导 读

英国苏格兰农业学院Vijai Kumar Gupta团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“基于酶和微藻的生物技术修复水系统中微污染物的进展（Developments in enzyme and microalgae based biotechniques to remediate micropollutants from aqueous systems—A review; 2022, 52(10): 1684-1729）”的综述。

微污染物指以微量 (µg/L) 进入水系统的人为污染物，包括杀虫剂、药物化合物、多环芳烃 (PAH)、有机化学品及其代谢物等。由于微污染物表现出相当大的生态毒性和对人类健康的不利影响，微污染物已经成为关键的环境问题。然而，当前涉及的高级氧化工艺和膜技术的微污染物修复方法成本高，需要消耗过多的化学品和大量能源，形成难以管理的有害副产品和污泥。基于此，氧化漆酶和过氧化物酶的使用，微藻和微藻-细菌联合体正在成为新的绿色替代品以修复受污染的水系统中的微污染物。本综述详细介绍了在通过降解、钝化、吸附、生物积累和共代谢等方式在微污染物修复中应用绿色的生物技术取得的最新进展，并对这些生物技术的优点、应用、当前发展、缺点和未来前景进行了批判性讨论。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

微污染物可以通过多种途径进入环境。农业、制药、医院和家庭等多个行业产生的废物通过废物处理厂或作为垃圾填埋场进行处理，导致微污染物被吸收到地表水或地下水等水系统中，最终进入家庭消费并进入人体，从而产生不利影响（图2）。生物技术被认为是减少环境中微污染物的重要绿色途径。但是，它们要求环境条件足以使修复有效进行。影响微污染物降解的一些关键因素包括操作参数、反应器配置和修复物种的类型。由于微污染物具有多种化学结构，因此在选择生物技术时，重要的是要考虑其他因素，例如反应性、溶解度、分子量、疏水性和电荷。

图2 微污染物进入环境的途径

由于能够产生广泛的酶和次生代谢物，生物技术的最新发展集中在利用相关微生物以修复微污染物。真菌（异养真核生物）、细菌（异养原核生物）、微藻（光合异养、自养和混养）已被证明可以通过多种细胞机制成功降解各种微污染物。它们不仅是绿色和可再生的，而且它们的后处理废水是一种有价值的副产品，可以用作生物燃料、肥料或动物饲料。当微藻-细菌共生联合体与传统的活性污泥（CAS）系统结合使用时，由于微藻可以通过光合作用将细菌呼吸释放的CO₂转化为氧气，它们可以潜在地降低微生物曝气所需的高能量需求。此外，微藻-细菌和/或微藻-微藻共培养可以表现出除共生之外的多种相互作用，包括寄生、共生、中立和竞争，这会极大地影响它们的修复效率（图3）。这些相互作用本质上是动态的，并且会随着时间的推移而发展。

图3 原生微生物群落与碳资源微污染物降解微生物菌株之间的相互作用

微污染物修复的生物技术具体包括基于酶和微藻的修复生物技术以及使用组学的增强生物技术。与其它技术相比，基于酶的修复生物技术具有更大的操作灵活性，可以在更恶劣的条件下使用，并且可以切割木质素多酚结构，因此使其成为绝佳选择用于修复难降解微污染物。然而，尽管基于酶的生物技术是修复的绝佳选择，但它们也带来了一些挑战，例如源微生物的识别和分离以及酶的寿命较短等。钝化方法已证明可以实现长寿和稳定性，从而使酶具有更好的可用性，在某些情况下甚至提高了它们的修复效率。因此，必须详细了解与各种钝化方法相关的机制。

虽然在过去的几十年里，微藻在废水处理中用于修复碳、磷和氮等营养物质的成功案例已得到充分证明，但直到最近才开始研究使用微藻修复微污染物。与传统的废水处理技术相比，微藻策略是绿色、更高效和更具成本效益的选择。在当前情况下，微污染物已成为环境日益受到关注的问题，基于微藻的生物技术可以与废水处理系统相结合，成为一种更便宜的修复途径。此外，微藻可以利用生物精炼厂中的副产品（微藻/微生物生物质）作为原料来生产各种生物产品，例如富含蛋白质的饲料/食品、生物塑料、肥料。微藻可以通过光自养（使用光、CO₂和营养物）、异养（使用水、碳和无机盐）和混合营养（光自养和异养的组合）方法生长。这在选择微藻菌株以创建修复设置方面起着重要作用。然而，基于微藻的技术仍在实验室范围内进行，需要通过跨学科研究进行进一步研究，以实现可扩展性和商业化。

此外，使用转录组学、基因组学、蛋白质组学和代谢组学等多组学策略的进一步研究可以揭示物种和群落特异性的相互作用。基因组学和宏基因组学研究已导致在不同微生物中鉴定出几种基因，从而检测与其生物转化相关的酶。微污染物降解菌株的基因组对于使用其他组学方法非常重要。对这些基因组的研究可以作为更好地了解微生物酶的特性及其在微污染物生物修复中的应用的基础。

总结与展望

生物技术在各种环境条件下对一系列微污染物起作用的多功能性使其成为一个有意义的研究领域。将这些技术与其他物理、化学和生物技术结合应用的前景使其成为一个有吸引力的选择，大大提高了单个技术的效率。目前的研究已经确定了许多混合模型，例如同时进行的生物修复过程或用于微污染物修复的序批式反应器。这些系统旨在去除传统处理技术流出物中残留的难降解化合物。对微生物酶途径的进一步探索有助于设计更好的修复技术，克服微生物处理带来的限制。在选择和设计能够有效修复目标微污染物的生物技术时，对其本地微生物群落、酶和共污染物的废水环境特征也很重要。后续需要持续的研究关注来增强对水环境中生态、生理和动力学过程的基本理解。通过本综述中的讨论，可以得出结论，这些新兴的生物技术具有巨大的潜力，可以在可持续废水管理和减轻微污染物的生态毒理学影响方面发挥关键作用。

作者简介

第一作者简介：

Zeba Usmani，爱沙尼亚塔林理工大学化学与生物技术系研究人员，研究领域为生物科学与环境，目前正在开展“放线菌金属蛋白在木质素解聚和土壤化学中的作用”等研究项目，已发表学术论文五十余篇。

通讯作者简介：

Vijai Kumar Gupta，博士，英国苏格兰农业学院（SRUC）生物精炼和先进材料研究中心、安全和改进食品中心的高级研究员和组长，欧洲真菌学协会的秘书，美国微生物学会的国家大使，印度国家农业科学院院士，印度微生物科学院院士。是生物质价值化、微生物工程生物技术、酶和生物工艺技术、生物活性天然产物和功能性微生物组相互作用领域的领先专家之一。为Elsevier、Wiley-Blackwell、Taylor and Francis、Springer-Nature、CABI、Nova Science 和De Gruyter 等国际知名出版商编辑了39本书。已在国际知名期刊上发表了两百余篇论文，H指数为57。

|撰稿：贺斯雪

|编排：曾镜羽

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