赋能微藻菌株作为双酚 A 生物修复的可持续底盘：瓶颈、工程策略与展望

《Algal Research》：Empowering microalgal strains as the sustainable chassis for bisphenol-A bioremediation: Bottlenecks, engineering strategies and perspectives

　　

•微藻生物质在双酚 A（BPA）修复领域受到关注。
•回顾了利用藻类生物质进行 BPA 修复的现状与瓶颈。
•强调了菌株工程对于挖掘藻类 BPA 修复潜力的必要性。
•推荐发展人工智能 - 机器学习技术在微藻介导的 BPA 修复中的应用。
•提出了增强藻类生物质以实现有效 BPA 生物增值的框架。
引言
水是所有生命形式最重要的元素，占地球表面积的 71%，尽管其中只有很小一部分是饮用水。快速工业化和人口增长带来的淡水供应急剧下降间接影响了生物的健康和福祉 [1]。快速的城市化和工业活动导致家庭、农业和工业废水向水体的排放增加，引发了人们对各种新兴污染物类别存在的担忧 [2]。这些污染物可能来自个人护理产品、药物化合物和内分泌干扰物。此类污染物可能产生负面健康影响，例如接触内分泌干扰物会增加癌症风险以及雌激素和雄激素效应 [3]。在内分泌干扰物的背景下，双酚 A（BPA；2,2-双 (4-羟基苯基) 丙烷）已成为一种关键污染物 [4]。BPA 被广泛用于玩具、医疗器械以及食品和饮料包装等产品，导致全球产量巨大 [5]。含 BPA 产品的不当处置、储存和处理会将 BPA 释放到环境中，引发人们对其对水生生态系统和食物链潜在影响的担忧 [6]。欧洲化学品管理局（ECHA）已将 BPA 归类为高度关注的物质，因为其具有内分泌干扰特性。这一特性限制了其在多种应用中的使用。BPA 通过模仿天然雌激素作为外源性雌激素发挥作用，并能在生物体中诱导内分泌干扰、遗传毒性和氧化应激 [7]。
BPA 是一种疏水性有机污染物，会在细胞脂质中生物富集，并在较高浓度下通过氧化应激和细胞损伤抑制藻类生长和光合作用 [8]（图 1）。少数研究调查了双酚类似物对绿藻的毒性影响，毒性在不同化合物以及淡水微藻物种之间存在差异；这些化合物的组合可能产生协同效应，加剧了人们对日益增加的 BPA 替代品使用可能对初级生产者产生重大长期影响的担忧 [7]。BPA 在水生生态系统中的广泛存在迫切需要各种生物、物理和化学修复技术以支持环境可持续性 [6]。现有的 BPA 去除策略仍然高度集中在物理和化学技术上，如吸附和膜技术工艺 [9], [10]。尽管已经建立了从水源中去除污染物的传统方法，但它们的技术缺陷阻碍了大规模应用。因此，用于降解难处理有机污染物的生物系统最近已成为传统物理化学处理方法的有前景的替代方案 [11], [12], [13]。包括细菌和利用漆酶和过氧化物酶的微生物酶修复方法在内的几种生物系统已被探索用于 BPA 修复，其中细菌降解在环境优势方面显著优于物理化学修复方法 [11]。光合微藻也显示出处理受 BPA 污染水体的潜力，包括在环境相关的 BPA 浓度下 [14]。
微藻是废水处理中有前景的生物系统，因为它们生长迅速、具有光合能力，并能在多种水环境条件下生长；它们不需要耕地，可以使用废水作为培养基。它们的代谢多样性也使其能够转化特定的复杂有机污染物，而光合活动支持 CO?同化和营养回收 [15]。微藻处理工艺提供了显著的好处，例如同步 CO?封存和有效同化受污染废水中的多余营养物质 [15]。微藻对于维持水生生态系统的稳定性至关重要，并已被证明能吸收和积累污染物，包括重金属和酚类化合物 [16]。微藻通过生物降解机制显著增强了 BPA 的修复。不同的微藻具有不同的生物修复率，其中小球藻（Chlorella vulgaris）和栅藻属（Scenedesmus sp.）分别被证明去除了 90% 和 82% 的 BPA [15]。微藻提供了去除 BPA 以及生产生物燃料原料的双重策略。在某些微藻中，如 C. vulgaris 和 C. mexicana，总脂肪酸和碳水化合物随着 BPA 浓度的增加而增加 [16]。微藻在环境中生物降解有机污染物的潜力表明，微藻有能力与废水处理设施相关联以去除污染物 [16]。微藻的生物修复潜力促进了更高的生长率以及高适应性 [17]。总之，这些报告证明，微藻系统确实具有修复 BPA 的内在潜力，但代价是生理和代谢特性受损，从而意味着有必要阐明生物技术策略，以利用微藻系统的生物技术潜力，同时修复 BPA 并生产生物质和代谢物。尽管在 BPA 毒性评估、废水中 BPA 监测和 BPA 修复策略领域已有大量文献，但对于微藻菌株工程以去除 BPA 的生物技术策略的含义仍未开发，尽管具有环境潜力。最近的一些研究调查了 BPA 毒性、废水处理技术以及微藻在污染物去除中的应用。然而，这些研究主要集中在评估修复效率上，很少有报告批判性地探讨可用于工程改造微藻系统以增强 BPA 去除能力的生物技术策略，同时保持细胞生理和代谢物生产力。表 1 总结了微藻在 BPA 去除中的应用，并突出了本工作的重点。
在本综述中，我们检查了 BPA 处理的传统物理、化学和生物方法，并重点评估微藻对 BPA 暴露的生理和代谢反应。我们强调已发表的研究是否区分了水相 BPA 去除与吸附、生物富集和生物转化，我们也强调了使用合适的化学调节剂、微藻 - 细菌共培养体系、基因工程和适应性实验室进化作为潜在策略，以改善 BPA 耐受性和处理性能，同时保持生长、光合活动和代谢物生产力。我们还需要区分直接的 BPA 特定报告与其他污染物的可转移概念验证结果以及仍然具有前瞻性的方法。本综述还检查了人工智能和机器学习的已示范应用，以及它们的验证要求和在菌株选择、过程预测和控制中的潜在作用，特别关注确定基于微藻的 BPA 处理的实际可行性所需的机制、生物安全、放大、经济和监管证据。
章节摘要
双酚 A 作为新兴食品污染物
BPA 被广泛用于生产用于食品和饮料包装的聚碳酸酯塑料和环氧树脂，包括水瓶、储存容器和食品罐 [26]。BPA 可以从食品接触塑料迁移到食品和饮料中，导致通过消费暴露于人体 [27]。各种物理和化学因素，如温度、pH 值、储存时间、食品成分和食品包装方法，已知决定了 BPA 从食品储存塑料中的迁移
微藻作为潜在的绿色底盘
与现有的修复新兴污染物的物理和化学方法相比，从生态系统中去除污染物的生物方法因其固有的生物特性和环保特性而受到显著关注。在生物系统中，光合微藻因具有独特的生物技术特性，如高生长率、产油性、对恶劣环境条件的耐受性，而在污染物修复方面具有很大潜力，
用于缓解微藻修复应用的化学调节剂
如上述内容所述，利用微藻的生物技术潜力在大规模上同时修复污染物需要有前景的策略，以赋予藻类菌株忍受污染物不利影响的能力，尽管它们具有固有的生物技术特性。特别是，增强微藻菌株以有效生物修复 BPA，同时不显著损害细胞生理特性，是至关重要的
微藻 - 细菌共培养体系用于有效去除 BPA
光合微藻和细菌系统之间存在共生关系，这已被证明对双方的生长、生理和其他代谢活动互有益处，特别是在赋予在次优条件下生长的耐受性方面 [101]。这些细胞通过协调关键信号通路、交换营养、促进细胞间通信和调节引发关键表达的代谢物产生来互相帮助
通过基因工程途径改善微藻菌株以实现有效生物修复
通过基因工程改善微藻菌株代表对涉及关键代谢回路的目标关键基因进行精确过表达或下调，以增加目标酶的数量，从而有效催化目标代谢物的降解。基因工程改造的生物体在 BPA 修复方面是有效的，并显示出在 BPA 去除方面的潜在效果。然而，关于在开放培养系统中使用基因改造生物体的经济顾虑
适应性实验室进化方法用于潜在的 BPA 生物修复
适应性实验室进化（ALE）代表了一种通过使细胞长期处于次优条件下来工程改造藻类菌株的有效方式，这可以使细胞进化以适应特定条件 [124]。ALE 有助于改善更好地配备以忍受恶劣条件的菌株，而不限制其整体效率和功能。在这方面，微藻已通过不同类型的压力进化，如营养压力
实施大规模藻类 BPA 修复的限制
由于跑道池、封闭光生物反应器和混合系统提供了不同的优势，大规模实施的理想系统尚未确定。开放系统包括跑道池和开放式池，而封闭系统包括管状、平板和垂直光生物反应器 [22]。然而，开放式池塘系统由于其较低的成本和生产生物质的经济可行性，继续主导商业应用，但它们有一些限制，如容易受污染，
阻碍微藻 BPA 修复的挑战和研究空白
尽管光合微藻具有生物技术潜力，但大规模和具有商业可行性地应用微藻进行 BPA 修复仍然不实际。这主要是由于缺乏适合工业的藻类菌株、改善藻类菌株的方法、优化的遗传转化工具箱，以及对使用化学调节剂的分子机制理解不足以及这些化学品的负担能力等 [122], [142]
结论与未来展望
双酚 A（BPA）是一种已确立的毒物和内分泌干扰化合物，对人类、动物和水生生态系统构成严重风险。其在环境中的广泛出现突显了对可持续、高效和成本效益修复策略的迫切需求。尽管有物理和化学性质可用于 BPA 去除，但由于其较低的环境负担和资源回收潜力，生物处理引起了越来越多的关注。
CRediT 作者贡献声明
Juliet Ann Benny：撰写 - 原稿，可视化，验证，软件，形式分析。Selen Mathew：撰写 - 原稿，可视化，验证，软件，形式分析。Ishika Singh：撰写 - 原稿，可视化，验证，软件，形式分析。Punniyakotti Parthipan：撰写 - 原稿，调查，形式分析。Xiang Wang：撰写 - 审阅与编辑，监督，形式分析，构思。Srinivasan Balamurugan：撰写 - 审阅 & 资助
本研究由印度政府生物技术部（DBT）拉马林加苏瓦米重返工作岗位奖学金 [BT/RLF/Re-Entry/55/2018] 支持。J.A.B. 感谢 SRM 科学与艺术学院提供研究生（硕士生物技术项目）奖学金。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。
Juliet Ann Benny|Selen Mathew|Ishika Singh|Punniyakotti Parthipan|Xiang Wang|Srinivasan Balamurugan