《Journal of Environmental Sciences》：A critical review on bacteria-driven coupled systems for tetracycline antibiotics bioremediation: Unifying synergistic mechanisms and ARGs dissemination control
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•耦合系统突破了纯培养细菌的生存-降解代谢限制。•提出了与资源、代谢和胁迫相关的协同框架。•将抗性基因控制整合到修复设计中以降低环境风险。•我们提出了结合人工智能和合成生物学的下一代修复途径。引言四环素类抗生素广泛用于畜牧业和临床治疗，但大约50%-80%的给药四环素未被代谢
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耦合系统突破了纯培养细菌的生存-降解代谢限制。
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提出了与资源、代谢和胁迫相关的协同框架。
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将抗性基因控制整合到修复设计中以降低环境风险。
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我们提出了结合人工智能和合成生物学的下一代修复途径。
引言
四环素类抗生素广泛用于畜牧业和临床治疗，但大约50%-80%的给药四环素未被代谢即排入环境（Liao等，2021；Wang等，2024）。这种持续释放破坏了微生物生态系统，促进了抗生素抗性基因的传播，并对生态系统和人类健康构成重大风险（Peng等，2022）。因此，开发有效的、适用于现场的修复策略以减轻四环素的环境风险是全球当务之急。物理化学方法在一定程度上可以实现四环素的快速去除，尤其在高浓度废水场景中。相比之下，生物方法（尤其是利用细菌的方法）由于其反应条件温和、长期运行成本低、环境兼容性好以及具有原位修复潜力等优势，正日益受到关注（Zhang等，2023）。在优化的实验室条件下，许多纯培养细菌菌株表现出显著的四环素降解效率。
然而，在实验室条件下筛选出的高效菌株在应用到真实污染环境中时往往表现出显著的性能差距（Xia等，2023）。这一性能差距推动了研究前沿从单菌株研究向多因素协同耦合系统转移，后者旨在整合多个功能单元以提高四环素去除效率和运行稳定性。实验室中可控且充足的营养条件支持降解细菌的快速生长，而在复杂的自然环境中，细菌需要将资源优先分配给生存和种间竞争，导致用于降解功能的资源投入显著减少（Liu等，2023；Yang等，2023）。纯培养细菌的这些固有局限性限制了其在实际四环素污染修复中的大规模应用。
以往关于微生物四环素修复的综述主要针对特定的处理背景或生物降解过程的单个组成部分。Liao等（2021）考察了四环素与活性污泥之间的相互作用，重点关注了微生物抑制、生物吸附、协同代谢降解、抗性发展以及一体化处理工艺。Chen等（2022b）总结了四环素降解分离株和微生物群落、降解途径、功能基因、转化产物毒性以及自然和人工系统中抗性基因的变化。较近期的综述已转向生物降解的分子基础。Li等（2024）汇编了微生物降解反应、中间产物、开环产物及相关酶类，而Lei等（2026）进一步整合了新发现的微生物资源、环境适应性、代谢网络、关键酶、催化机制以及发现新型降解酶的策略。然而，这些综述主要围绕微生物资源、降解途径、酶学机制或特定处理环境进行组织。提到耦合技术时，通常被视为微生物降解的延伸或应用选项，而非作为一类独立的、可比的修复系统进行系统考察。
因此，目前仍缺乏对细菌驱动耦合修复的系统层面理解。不同的功能单元如何补偿纯培养细菌的固有局限性仍不清楚，生物、材料辅助、化学和电化学系统之间共享哪些协同原理，以及这些原理如何在不同的环境和工程条件下决定系统性能。现有综述也未能根据污染物浓度、资源可用性、运行稳定性、成本和规模化要求，为选择合适的耦合策略提供有限指导。此外，尽管已经讨论了抗性基因和转化产物毒性，但它们通常被作为处理后果来评估，而非从一开始就作为系统设计的约束条件纳入考量。
因此，本综述从纯培养细菌到复杂耦合系统，系统地、批判性地概述了细菌驱动的四环素生物修复技术，重点关注环境中最广泛存在的四种四环素类抗生素，包括四环素、土霉素、盐酸四环素和多西环素（图1a）。本综述首先分析了四环素的全球污染状况、环境分布特征和研究热点的演变，随后总结了纯培养细菌的降解性能、代谢途径和关键影响因素，重点讨论了单菌株系统的固有工程局限性。在此基础上，系统地剖析和批判性评估了各种细菌驱动耦合系统的设计原理、协同增强机制、性能优势和面临的挑战。然后，分析了这些耦合系统在先进生物反应器中的集成及其工程应用潜力，并全面讨论了修复过程中抗性基因的命运和控制策略。
章节摘要
文献计量分析
细菌与四环素研究的文献计量特征总结于图1b和c（S1文本展示了详细的研究方法）。关键词贡献图识别出互联的簇群，涵盖环境存在、细菌生物降解、抗性基因传播、修复技术和生态风险评估（图1b）。高贡献关键词如"生物降解"、"抗性基因"、"废水处理"和"土壤修复"表明污染物
降解效率和特征转化途径
从多种环境中分离的四环素抗性细菌可以在受控实验室条件下维持降解特性（Wang等，2024）。然而，这些菌株的降解效率差异很大（表S4）。这种差异与不同细菌的代谢模式和能量获取策略密切相关（Lei等，2026）。大多数报道的高效降解细菌依赖协同代谢模式来降解四环素，利用产生的能量
细菌驱动耦合系统的构建与机制
细菌驱动耦合系统整合互补的功能单元，以重新分配代谢资源、扩展降解途径，或在不利条件下保护活性生物量。研究人员开发了广泛的各种细菌驱动耦合系统（表1）。这些系统旨在通过不同功能单元之间的协同相互作用来突破纯培养细菌的局限性，从而从根本上提高效率、稳定性和环境
耦合系统在废水生物反应器中的应用
第4节描述了不同功能单元如何在机制层面产生协同效应。工程应用要求在控制生物量保留、传质、电子供应和空间氧化还原条件的反应器构型中维持这些相互作用。因此，本节重点讨论耦合原理如何转化为先进废水生物反应器。
生物修复过程中抗性基因的控制策略
高效的四环素去除并不一定意味着生态安全。耦合系统可能会降低抗生素选择压力，但高生物量界面、生物膜和工艺扰动也可能促进抗性基因的富集或转移。因此，抗性基因的命运应作为设计准则来处理，而非仅在处理后作为终点进行评估（Ahmed等，2020）。
未来展望
本综述综合了细菌驱动四环素生物修复从纯培养细菌到复杂耦合系统的演变历程，以及它们的性能优势、工程约束和对抗性基因控制的启示。为使这些系统向高效、稳定和安全应用迈进，未来研究应优先关注四个方向。
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自适应过程控制系统：实验室到现场持续存在的差距在很大程度上反映了静态实验室设计无法
结论
本综述综合了当前关于细菌驱动四环素生物修复的知识，重点关注耦合系统的设计与机制。纯培养细菌具有固有的降解能力，但其在复杂环境中的实际应用受到代谢约束的限制。包括共培养、细菌-物化集成和先进生物反应器在内的细菌驱动耦合系统，通过
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
未引用参考文献
Wang等，2025；Wang等，2024；Wang等，2025；Wang等，2025；Wang等，2023；Wu等，2024；Zhang等，2022；Zhang等，2024；Chen等，2024；Li等，2024；Li等，2020；Li等，2024；Tang等，2025
CRediT作者贡献声明
郑帆洋：写作——审稿与编辑，写作——原稿撰写，可视化，调查，形式分析。张书栋：可视化，指导，资源，数据管理。沈立春：可视化，调查，形式分析。杨浩宇：形式分析，数据管理。王家鑫：调查，数据管理。张秋卓：写作——审稿与编辑，指导，基金获取，数据管理，概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国教育部基础学科和交叉学科突破计划（编号：JYB2025XDXM907）和国家自然科学基金（编号：52270125）的资助。
郑帆洋 | 张书栋 | 沈立春 | 杨浩宇 | 王家鑫 | 张秋卓
