環(huán)境合成生物學(xué)將環(huán)境科學(xué)與合成生物學(xué)交叉融合，是利用合成生物學(xué)的原理和方法，發(fā)展針對(duì)環(huán)境污染物研究與控制的生物傳感監(jiān)測(cè)、毒性評(píng)價(jià)、智能降解和資源化利用等技術(shù)的一門新學(xué)科。

環(huán)境污染問題是實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生、 踐行 綠色發(fā)展理念的重大挑戰(zhàn)。隨著人類生產(chǎn)生活活動(dòng)的不斷豐富，越來(lái)越多的污染物、廢棄物被排入自然環(huán)境，而環(huán)境中的污染物又會(huì)通過食物鏈被逐級(jí)吸收、富集和放大，不僅給環(huán)境帶來(lái)了巨大的危害，還嚴(yán)重威脅著人們的健康。微生物是地球生態(tài)循環(huán)的天然引擎，在自然環(huán)境的自凈過程中起著無(wú)可替代的作用。功能性微生物廣泛存在于自然環(huán)境中，可以對(duì)各種污染物進(jìn)行降解、轉(zhuǎn)化或鈍化。日本科學(xué)家 Kenji Miyamoto 發(fā)現(xiàn)世界上第一例能夠以聚對(duì)苯二甲酸乙二酯為 主要碳源的 細(xì)菌大阪 堺 菌（

Ideonella

sakaiensis

▲ 污染物修復(fù)常用的微生物

A. 桿菌； B. 球菌； C. 酵母； D. 霉菌； E. 衣藻； F. 藍(lán)藻

自 1989 年以來(lái)，通過篩選和馴化天然微生物，研究人員已經(jīng)開發(fā)了大量高效、低成本和環(huán)境無(wú)害的生物修復(fù)技術(shù)，并廣泛用于修復(fù)受污染的農(nóng)田、地下水、河流、湖泊和海洋等環(huán)境。在我國(guó)，農(nóng)藥菌劑和石油降解菌群等已被成功地用于無(wú)公害水稻生產(chǎn)和重油污染區(qū)域的修復(fù)，充分說(shuō)明了微生物修復(fù)在環(huán)境治理中的廣闊應(yīng)用前景。

然而，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的新型人工化合物被創(chuàng)造并生產(chǎn)出來(lái)，這些化合物出現(xiàn)的速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了天然微生物進(jìn)化出對(duì)應(yīng)降解基因的速度。越來(lái)越多難以降解的新型污染物被檢測(cè)出來(lái)，同時(shí)還有許多新的污染物沒有便捷的識(shí)別和檢測(cè)方法，因此，環(huán)境領(lǐng)域的研究人員正面臨著新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。而傳統(tǒng)環(huán)境微生物技術(shù)中的菌株篩選、馴化、人工誘變等手段，存在周期長(zhǎng)、工作量大、定向性差等缺陷，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境修復(fù)的實(shí)際需求。因此，環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域迫切需要進(jìn)行技術(shù)突破與創(chuàng)新。

▲ 全細(xì)胞生物傳感器響應(yīng)環(huán)境污染物的機(jī)制

合成生物學(xué)是一門基于工程學(xué)的理念，采用“自下而上”的設(shè)計(jì)方式，系統(tǒng)性地對(duì)生物體表型進(jìn)行改造或創(chuàng)造的新興學(xué)科，目前已經(jīng)成為生物學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向。伴隨著大量新技術(shù)的涌現(xiàn)，高通量篩選、數(shù)學(xué)模擬、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)與合成生物學(xué)領(lǐng)域交叉融合，極大地推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展，也促使越來(lái)越多的傳統(tǒng)生物學(xué)領(lǐng)域開始引入合成生物學(xué)的研究理念。目前，合成生物學(xué)已經(jīng)為疾病治療、醫(yī)藥健康、能源、工業(yè)、材料等諸多領(lǐng)域帶來(lái)新的理念與變革。在環(huán)境污染治理需求與合成生物學(xué)自身發(fā)展的共同推動(dòng)下，環(huán)境合成生物學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

環(huán)境合成生物學(xué)發(fā)展的初衷是希望以合成生物學(xué)的理念，設(shè)計(jì)發(fā)展新方法和新技術(shù)，解決傳統(tǒng)環(huán)境生物技術(shù)難以解決的環(huán)境污染問題。根據(jù)現(xiàn)階段環(huán)境領(lǐng)域的實(shí)際需求，環(huán)境合成生物學(xué)的研究重心主要分為三個(gè)方面：環(huán)境復(fù)合污染物的實(shí)時(shí)高效監(jiān)測(cè)；有毒污染物的高 效識(shí)別及多靶點(diǎn)毒性效應(yīng)評(píng)價(jià)；污染物高效生物修復(fù)及污染物降解資源化回收。

▲ 全細(xì)胞微生物傳感器示意圖

在環(huán)境復(fù)合污染物的實(shí)時(shí)高效監(jiān)測(cè)方面，針對(duì)現(xiàn)有污染物分布廣泛、濃度痕量的特征，研究人員可以開發(fā)易于使用且能在大氣、水體、土壤環(huán)境中完成污染物快速識(shí)別監(jiān)測(cè)的高性能合成生物傳感器，深入挖掘可用的基因元件、代謝途徑及功能蛋白，賦予生物傳感體系新的功能或極大提升現(xiàn)有生物傳感器的性能，帶來(lái)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)的深刻革命。一些具有實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的無(wú)細(xì)胞合成生物學(xué)檢測(cè)方法，也陸續(xù)被研究用于實(shí)際環(huán)境中農(nóng)藥、重金屬、抗生素類藥物等的監(jiān)測(cè)，極大地提高了污染物檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確率，逐漸成為一種應(yīng)對(duì)復(fù)合污染的優(yōu)先策略。相較于傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)，合成生物學(xué)傳感技術(shù)避免了煩瑣的樣品前處理過程，也不需要精密的儀器支持，監(jiān)測(cè)成本低，更具有現(xiàn)場(chǎng)和原位監(jiān)測(cè)的應(yīng)用潛力。

▲ 多器官人體芯片作用示意圖

在有毒污染物的高效識(shí)別及多靶點(diǎn)毒性效應(yīng)評(píng)價(jià)方面，針對(duì)環(huán)境污染物的多靶點(diǎn)快速毒性效應(yīng)評(píng)估及復(fù)合效應(yīng)來(lái)源解析等難題，研究人員應(yīng)開展環(huán)境污染物的高效識(shí)別及多靶點(diǎn)毒性效應(yīng)同步關(guān)聯(lián)生物傳感監(jiān)測(cè)與毒性評(píng)價(jià)研究。在合成生物學(xué)技術(shù)中，針對(duì)污染物識(shí)別、效應(yīng)分子的高效理性設(shè)計(jì)及人工基因回路設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，有可能為解決污染物暴露識(shí)別與效應(yīng)評(píng)價(jià)偶聯(lián)問題、低濃度污染物的毒性評(píng)價(jià)問題及復(fù)合暴露的健康效應(yīng)評(píng)價(jià)問題提供新的解決方案。隨著新污染物的不斷增多和對(duì)未知毒性機(jī)制的深入探索，傳統(tǒng)毒性評(píng)價(jià)模型已經(jīng)越來(lái)越不能滿足目前的研究現(xiàn)狀，因此研究人員嘗試將已知的一些模式生物和模型系統(tǒng)利用合成生物學(xué)原理進(jìn)行定向改造，例如，建立有效的工程菌株，定向誘導(dǎo)分化多能干細(xì)胞，從頭合成生物的靶細(xì)胞、靶器官，生產(chǎn)器官芯片，構(gòu)建嵌合體胚胎及動(dòng)物等，以滿足更加深入、全面的毒性評(píng)價(jià)要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)有毒污染物的高效識(shí)別和多靶點(diǎn)毒性的同時(shí)評(píng)價(jià)。

▲ 合成生物修飾微生物在重金屬污染檢測(cè)和修復(fù)中的應(yīng)用

在污染物高效生物修復(fù)及污染物降解資源化回收方面，研究人員可以依據(jù)實(shí)際污染場(chǎng)景的特點(diǎn)，有針對(duì)性地選擇功能菌株，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)性的強(qiáng)化或改造，定向增強(qiáng)特定的生物表型，從而獲得更加高效、簡(jiǎn)便的環(huán)境修復(fù)技術(shù)。相比傳統(tǒng)環(huán)境修復(fù)技術(shù)，通過環(huán)境合成生物學(xué)構(gòu)建的修復(fù)系統(tǒng)或產(chǎn)品，具備周期短、效率高、目標(biāo)明確的特點(diǎn)，在合成科學(xué)迅猛發(fā)展的當(dāng)下，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。但需要注意的是，合成生物學(xué)的理念通常伴隨著遺傳修飾生物體（ genetically modified organism, GMO ）的引入。在環(huán)境領(lǐng)域， GMO 的使用必須符合國(guó)家法律法規(guī)，在獲得正式授權(quán)的情況下，才可以開展非封閉體系下的實(shí)驗(yàn)或應(yīng)用；在沒有獲得正式授權(quán)時(shí)，僅能夠在封閉體系下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，整個(gè)體系必須遵循國(guó)家相關(guān)規(guī)定進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)成果僅能作為技術(shù)儲(chǔ)備進(jìn)行保存。

近年來(lái)，可用于合成生物學(xué)的使能技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，各種基于合成生物學(xué)理論的新設(shè)計(jì)、新思路層出不窮，這是對(duì)現(xiàn)有環(huán)境科學(xué)研究的補(bǔ)充和開拓，有助于解決一系列環(huán)境科學(xué)前沿問題。《環(huán)境合成生物學(xué)》匯集了專家學(xué)者對(duì)環(huán)境領(lǐng)域合成生物學(xué)應(yīng)用的認(rèn)識(shí)和展望，以期幫助讀者了解和認(rèn)識(shí)環(huán)境合成生物學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀，是眾多學(xué)者共同努力的智慧結(jié)晶。希望本書所總結(jié)的部分成果，能夠啟發(fā)環(huán)境污染、健康風(fēng)險(xiǎn)、污染治理、公共衛(wèi)生、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)科研人員與技術(shù)人員的科研創(chuàng)新，也希望合成生物學(xué)和環(huán)境科學(xué)的交叉帶來(lái)我國(guó)環(huán)境治理的新進(jìn)展。

中國(guó)科學(xué)院院士

2024 年2 月于北京

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環(huán)境合成生物學(xué)

廖 春陽(yáng) , 江桂斌主編

北京 : 科學(xué)出版社 ; 濟(jì)南 : 山東科學(xué)技術(shù)出版社 , 2025 . 3

( 合成生物學(xué)叢書 ).

ISBN 978 - 7 - 03 - 081330 - 5

本書由來(lái)自中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心、中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所、中國(guó)科學(xué)院武漢病毒研究所、上海交通大學(xué)、湖南大學(xué)、江漢大學(xué)等相關(guān)單位的學(xué)者共同撰寫，對(duì)污染物生物監(jiān)測(cè)、污染物毒性評(píng)價(jià)和污染物高效生物修復(fù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的闡述，對(duì)環(huán)境合成生物學(xué)所涉及的理念、理論、方法和應(yīng)用案例進(jìn)行了詳細(xì)的探討。

本文摘編自《 環(huán)境合成生物學(xué) 》（ 廖 春陽(yáng) , 江桂斌主編 . 北京 : 科學(xué)出版社 ; 濟(jì)南 : 山東科學(xué)技術(shù)出版社 , 2025 . 3 ）一書“前言”“序”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

( 合成生物學(xué)叢書 ).

ISBN 978 - 7 - 03 - 081330 - 5

責(zé)任編輯：王 靜 羅 靜 岳漫宇 劉 晶 陳 昕 張 琳

本書可供環(huán)境生態(tài)學(xué)、健康風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控、污染治理、公共衛(wèi)生、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的高年級(jí)本科生、研究生和科研人員參考使用，也可為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員提供參考。

（本文編輯：劉四旦）

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