微生物驱动环境净化的途径：来自特刊“环境污染微生物修复（第二版）”的视角

《Processes》：Microbial Pathways for a Cleaner Environment: Perspectives from the Special Issue “Microbial Bioremediation of Environmental Pollution (2nd Edition)”

　　

由于城市化、交通、农业和工业活动，大量污染物被释放到环境中，亟需创新手段进行缓解与环境恢复。为此，研究人员开发了多种原位（in situ）和异位（ex situ）修复技术，其有效性、成本、可行性与修复时间因场地条件而异。生物修复（Bioremediation）是一项环境可持续技术，利用微生物消除、解毒或降低污染物毒性，相较常规修复方法具有成本效益高、环境友好和侵入性小的优势。除一般考量外，微生物生物修复的独特之处在于其多样的微生物途径可促进污染物从各类环境基质中去除。本概念多样性在更广泛的环境修复工作中日益重要，近期关于土壤退化、生物多样性丧失和复杂污染压力的研究表明，集成生物修复框架结合先进环境监测技术，可强化整个生态系统管理的诊断与恢复维度。 在此背景下，本期第二版“环境污染微生物生物修复”特刊汇集了科学界一系列近期高质量新颖成果，主要探讨微生物在（生物）修复过程中的复杂问题。该特刊目前在线发布于MDPI Processes期刊，包含两篇综述与五篇研究论文。 特刊文章凸显了微生物依赖专门的生化与结构机制来迁移、转化、降解或固定污染物。这些途径包括：表面活性剂介导的污染物生物可利用性提升（贡献1）、难降解聚合物（如天然橡胶）的微生物降解（贡献2）、生物采矿系统中微生物介导的金属溶解（贡献3）、食品安全中紫外辅助微生物灭活（贡献4）、低温废水处理下硝化与反硝化群落调控（贡献5）、微藻-微生物 consortium 中的烃类氧化与重金属转化（贡献6），以及海洋微藻的金属生物吸附（细胞壁架构决定吸附效率，贡献7）。 综上，这些研究展示了微生物过程的广度与适应性，表明不同的代谢路线、细胞表面相互作用和群落水平动态可被策略性利用，以设计靶向、可扩展和环境兼容的修复策略。

研究背景方面，城市化、交通运输、农业生产与工业活动持续向环境释放大量污染物，传统物理化学修复技术在成本、周期与生态侵入性上常受场地条件制约。微生物生物修复（Bioremediation）因能借助微生物代谢消除、解毒或减毒污染物，具备环境可持续、成本低和侵入性小的特点，其独特优势在于微生物可通过多样生化与结构途径在土壤、水体、废渣等基质中迁移、转化、降解或固定污染物。为系统呈现该领域前沿，研究人员在MDPI《Processes》期刊组织第二版特刊“Microbial Bioremediation of Environmental Pollution”，收录两篇综述与五篇研究论文，覆盖表面活性剂增溶、橡胶降解、生物采矿、紫外灭活、低温脱氮、藻菌协同及微藻吸附七大方向，旨在为城市韧性与自然基解决方案提供集成视角。

关键技术方法上，研究人员综合采用分子动力学模拟（Forcite模块）与解吸实验分析表面活性剂在高岭石表面行为；从工业废水与活性污泥中分离大肠杆菌（Escherichia coli AY1）与米曲霉（Aspergillus oryzae）并借扫描电镜（SEM）观察天然橡胶粉定殖与降解；通过文献计量与案例梳理评估生物采矿（Biomining）的金属回收效能；利用连续流系统结合动力学拟合与微生物学分析确定UVC辐照剂量；依托高通量测序与实时定量聚合酶链反应（qPCR）解析低温活性污泥硝化/反硝化群落；以微绿藻与甲藻为对象比较藻菌协同除烃固金属潜力；选用三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）、绿色巴夫藻（Tetraselmis suecica）与盐藻（Dunaliella salina）活体生物质测定海水中镉的生物吸附容量。

研究结果部分，1. Introduction指出生物修复依托微生物途径多样性应对复杂污染，特刊七项贡献共同证明代谢路线、表面相互作用与群落动态可被工程化利用。2. Review of Contributions下各小节结论如下：Shen等人（Contribution 1）通过分子动力学与解吸实验发现特定表面活性剂可自高岭石解吸芘（pyrene）从而提升其生物可利用性，为土壤修复中表面活性剂选型与抑浓度界定提供理论依据；EL-Wafai等人（Contribution 2）证实E. coli AY1与A. oryzae能以天然橡胶粉为碳源生长，SEM显示菌体定殖并氧化分解聚合物骨架，质量损失佐证降解发生；Cozma等人（Contribution 3）综述认为生物采矿相较火法/湿法冶金具能耗低、碳足迹小、二次污染少等优势，但受限于动力学慢、金属毒性与监管缺失；de Oliveira等人（Contribution 4）在连续流系统中测得水中UVC约2 mJ/cm²、蔬菜表面约9 mJ/cm²（标称强度2.38 mW/cm²/s）可达99%微生物削减，确立无化学品食品安全处理窗口；Zhang等人（Contribution 5）于低温污水厂活性污泥中发现氨氧化细菌（AOB）以Nitrosomonas和Nitrosospira为主，氨氧化古菌（AOA）波动大，Sinorhizobium与α-变形菌（反硝化菌）净增殖为正，进水微生物迁入塑造反硝化群落；Al-Thani与Yasseen（Contribution 6）比较微绿藻与甲藻修复烃类/重金属潜力，强调细菌真菌启动降解转化、微藻进一步代谢固定形成协同；Abalde与Torres（Contribution 7）显示T. suecica因复杂细胞壁镉吸附最高（96 h达78.11 mg/g生物质），P. tricornutum居中（27.48 mg/g，归因于低硅壁与带负电硫酸多糖），D. salina最低（10.72 mg/g，因无刚性壁），细胞壁架构直接决定吸附效率。

讨论与结论部分，研究人员指出特刊从酶解、氧化转化、吸附解吸至群落重构互补呈现微生物路径，为韧性城市系统应对污染提供集成框架。结论翻译为：通过推进从酶降解、氧化转化到吸附、解吸及微生物群落重组的互补性微生物途径，本特刊针对微生物在解决当前污染挑战以支持韧性城市系统中的扩展作用提供了集成视角。研究人员诚挚希望该合集能激发微生物修复作为自然基解决方案在可持续发展中的持续创新，以及学术界与产业界未来数年的协作努力。