综述：合成生物学微生物在工业环境中泄漏对饮用水的潜在生物安全风险综述

《Journal of Hazardous Materials》：Potential Biosafety Risks of Synthetic Biology Microorganism Leakage in Industry Settings to Drinking Water: A Review

本综述聚焦合成生物学（Synthetic Biology）迅猛发展背景下，工业高产菌株（SynBioMs）泄漏对饮用水生物安全构成的潜在威胁。文章系统阐述了SynBioMs通过废水进入自然水体、其增强的耐受性可能导致其逃避水处理消毒（如氯、UV）、在供水系统中再生长的风险机制，并探讨了生物防护（Biocontainment）策略（如营养缺陷型、基因电路）的现状与局限，呼吁在发展合成生物学经济的同时，必须同步推进泄漏控制策略与相关法规的制定。

　　

合成生物学产业的蓬勃发展

合成生物学作为一门新兴领域，正以前所未有的速度推动生物技术革新并渗透至各行各业。全球范围内，已有超过40个国家将合成生物学应用于生物技术产业，近700家机构从事相关研究。市场需求、政策支持与资本投入共同催生了合成生物学企业在世界各地的繁荣，尤其在美国、欧洲和中国形成主要聚集区。工业生物制造的核心目标是构建高产菌株，以满足大规模发酵生产的需求。

合成生物学底盘微生物的关键生物安全风险机制

理想的工业微生物底盘通常具备明确的培养条件、简单的营养需求、快速生长、对理化胁迫的高耐受性以及高效的分泌系统等特征。为了提高目标生物产品（如抗生素、有机化合物）的产量和滴度，合成生物学被广泛应用于通过膜工程、胁迫响应工程和转录因子工程等手段，增强微生物对高浓度生物产品的耐受性。然而，这些旨在提升生产性能的分子工程改造，可能同时增强了微生物对消毒剂（如氯、臭氧）的抗性，并可能赋予其在极端条件下的生存优势。

生物制造过程中提高微生物耐受性的策略

提高微生物耐受性的方法多样，主要包括膜工程（改造细胞膜组成以抵抗溶剂或产物毒性）、胁迫响应工程（强化细胞应对环境压力的内在机制）和转录因子工程（调控与耐受性相关基因的表达网络）。这些策略成功提升了工业发酵的效率，但同时也可能塑造出更具环境持久性的微生物。

SynBioMs进入自然水体的途径

工业发酵过程产生大量废水，例如每生产1吨柠檬酸约产生50-60吨废水。这些废水中含有高浓度的SynBioMs。实验室废水同样被认为是SynBioMs意外环境释放的潜在途径。未经有效处理或处理不当的废水排放，是SynBioMs进入自然水环境的主要通道。

从水消毒中逃逸并在供水系统中再生的潜力

常规饮用水处理工艺（DWTPs）包括絮凝沉淀、砂滤、臭氧氧化、生物活性炭（BAC）过滤和氯消毒等环节。研究表明，砂滤和沉淀对微生物的去除效率有限（通常低于1 log₁₀）。臭氧和氯消毒是主要的微生物灭活屏障，但一些经过工程改造的SynBioMs可能因其增强的胁迫耐受性而对臭氧和氯产生更强的抗性。紫外线（UV）消毒对某些耐受菌的灭活效果也可能不佳。更值得关注的是，泄漏的SynBioMs可能利用饮用水系统中有限的碳源进行生长，甚至继续生产其原本设计的生物产品，从而影响饮用水水质。其携带的工程基因还可能通过水平基因转移（HGT）传递给环境中的土著微生物，带来不可预见的生态风险。

SynBioMs的生物防护策略

为防范SynBioMs的环境泄漏风险，研究人员正积极开发生物防护策略。营养缺陷型设计是最直接的策略之一，使微生物必须依赖外界提供其无法自身合成的特定营养素才能生存。基因电路（如“自杀”开关）是另一种策略，可在检测到微生物逃离特定环境时触发其死亡。然而，目前尚无单一防护策略被证明完全可靠，微生物的基因组突变可能导致防护失效。美国国立卫生研究院（NIH）指南认为，SynBioMs的逃逸率低于10^-8方可接受，但尚无相关法规强制要求对SynBioMs添加防护策略。

呼吁管理机构应对SynBioMs泄漏

应对SynBioMs泄漏威胁，需要政府采取系统性措施，包括：建立和加强监管框架，制定专门法规管理SynBioMs的全生命周期；加强监测与风险评估，建立泄漏监测网络和风险评估体系；促进国际合作，共同应对这一跨国界挑战。

结论与展望

生物经济的快速发展增加了SynBioMs泄漏的可能性，这对环境和人类健康构成潜在巨大风险。用于增强微生物对生物产品耐受性的分子修饰方法，也可能同时增强其对消毒剂的抗性，增加其逃避水处理过程的风险。泄漏的高产SynBioMs有可能在饮用水系统中定殖并继续生产生物产品。当前生物防护策略的可靠性仍需提升。推动合成生物学经济发展与泄漏控制策略开发、法规制定必须同步进行。未来需重点关注高产SynBioMs在真实水环境中的归趋、消毒抗性机制、健康风险以及更可靠的生物防护系统研究。