综述：整合微生物生物修复技术、多组学研究以及新兴技术，以实现多环芳烃（PAHs）的解毒

《Journal of Microbiological Methods》：Integrating microbial bioremediation, multi-omics, and emerging technologies for polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs) detoxification

　　Shruti Khandelwal|Anuja Mishra|Swaroop Kumar Pandey 印度GLA大学生物技术系 摘要 环境有机污染物，即多环芳烃（PAHs），分布广泛且具有毒性。这些烃类物质通常由工业活动、化石燃料燃烧和原油排放产生。由于其高疏水性、生物累积倾向以及致突变、致癌、致畸和基因毒性，它们对环境和人类健康构成了重大风险。此外，PAHs的低生物可利用性和化学稳定性使得其治理变得复杂。近年来，人们探索了多种方法来减少其影响，包括传统的物理和化学处理方法；然而，这些方法往往存在去除效果不佳、成本高昂、处理过程漫长以及环境问题等问题。生物修复作为一种有前景且环保的解决方案应运而生。这种方法利用细菌、真菌、藻类和古菌等微生物，通过特定的酶途径（如双加氧酶、单加氧酶、过氧化物酶和漆酶）将PAHs转化为毒性较低的物质。基因组学和宏基因组学的进步揭示了关键的分解代谢基因（如nah、Phn、nid、pah）和调控机制，这些基因和机制增强了微生物在PAH污染环境中的抵抗力。由于PAHs的低生物可利用性和溶解度，单独使用生物修复方法效果有限，因此综合策略越来越受到重视。原位和异位方法（包括生物强化、生物刺激、堆肥和植物修复）可以促进微生物对PAHs的降解。此外，多组学平台、基于CRISPR的基因工程和人工智能（AI）等先进技术正在改变这一领域，使得靶向微生物菌株的开发成为可能，提高了生物修复效率，并建立了预测模型。本综述将PAHs的毒性、微生物降解、传统修复方法以及先进的生物技术工具整合到一个框架中，提供了关于可持续PAHs生物修复的最新和全面的概述。 引言 PAHs是环境中普遍存在的持久性有机污染物（Tazda?t和Salah-Tazda?t，2021；Patel等人，2020；Salari等人，2022）。这些烃类由两个或多个融合的苯环组成，由碳和氢原子构成，在纯状态下呈无色、白色或淡黄绿色，并具有轻微或宜人的气味（Patel等人，2020；Srivastava和Kumar，2019）。PAHs的高熔点和沸点、低蒸气压以及在水中的疏水性是其显著特征。PAHs的挥发性和溶解度并不均匀：低分子量（LMW）的PAHs（两到三个环）更易溶解和挥发，因此生物可利用性更高；而高分子量（HMW）的PAHs（三个到四个环以上）则更耐降解，因此生物可利用性较低，因为它们会牢固地附着在土壤沉积物上，阻碍微生物分解（Sharma等人，2025；Abdel-Shafy和Mansour，2016）。这些烃类在环境中的普遍存在源于多种自然和人为活动。最常见的自然来源包括草地或森林火灾、火山爆发、农业燃烧、植物和细菌代谢、石油泄漏以及造山/矿物形成过程中的地质反应（Mohapatra等人，2022；Baskaran和Byun，2024；Barathi等人，2023）。其中，农业燃烧和森林火灾是大气中PAHs的主要来源（Singh和Singh，2023）。人为活动也是环境中的PAHs来源，可分为四种类型：工业来源（涉及PAHs的分泌和形成，如钢铁生产、水泥制造、煤炭和石油产品的生产以及木材不完全燃烧）、农业来源（在低燃烧条件下燃烧农业废弃物、开放生物质燃烧）、家庭来源（如使用油/燃气灶具烹饪、煤焦化、煤油/木炉和住宅供暖）以及移动来源（如火车、船舶和飞机的排放）（Patel等人，2020；Abdel-Shafy和Mansour，2016；Gupte等人，2016；Mille等人，2024）。此外，热解、岩石成因、生物成因和成岩作用也是水环境中PAHs的三个来源。热解来源包括有机物质的部分燃烧、废物焚烧或污水处理厂、发电厂等；岩石成因来源包括工业原油和石油产品；生物成因来源包括细菌、浮游植物和藻类等生物体合成PAHs；成岩作用过程中也在沉积物中产生PAHs（Srivastava和Kumar，2019；Sharma等人，2025；Honda和Suzuki，2020）。根据全球排放数据，20世纪大气中的PAHs污染持续增加，到20世纪90年代达到峰值。然而，由于发展中国家的空气质量改善措施、高效的燃烧技术以及煤炭消耗量的减少，发达国家的PAHs排放量稳步下降（Zhu等人，2021；Shen等人，2013）。尽管总体趋势下降，PAHs污染仍然是一个主要的环境问题，尤其是在非洲和亚洲的快速发展地区，城市化、交通运输和能源需求的增加继续导致PAHs的大量释放（Yu等人，2019）。Shen等人估计了截至2030年的潜在排放量，并评估了1960年至2008年的全球平均PAHs排放量。数据显示，1995年PAHs排放量达到592,000吨的峰值后，到2008年下降至499,000吨。预计到2030年，全球排放量将减少46-71%（Shen等人，2013）。这些PAHs来源对人体健康有害（Baskaran和Byun，2024），具有基因毒性、神经毒性、免疫毒性和致癌性（见第2节）。极毒的PAHs可通过食物链、摄入、皮肤接触和呼吸进入人体，导致心血管疾病和呼吸系统问题（Salari等人，2022；Alireza Hashemi等人，2022）。进入体内后，它们会在软组织中积累并引发CYP450介导的代谢反应，产生比母体化合物更具毒性的新代谢物。研究表明，人体代谢可以将PAHs转化为更具毒性的形式，从而导致长期健康问题。此外，各种中间代谢物能够附着在DNA上，引起突变和癌症。虽然人们已经了解了急性暴露的影响，但对于长期低剂量暴露的影响仍存在重要的研究空白（Tazda?t和Salah-Tazda?t，2021；Salari等人，2022；Sharma等人，2025；Honda和Suzuki，2020；Alireza Hashemi等人，2022）。图1解释了PAHs的各种来源及其对生物的影响。