《Bioresource Technology Reports》：Advances in microbial biofilm-driven bioremediation: Mechanistic breakthroughs, technological innovations, and future perspectives
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微生物生物膜通過EPS基質和QS信號調控增強污染物降解能力，研究整合CRISPR基因編輯與多組學技術優化其在重金屬、多環芳烴及微塑料污染治理中的應用，并探討實驗室高效與野外規模化應用的瓶頸與解決方案。
Nikki Agrawal|Nalini Soni|Vineet Kumar|Leena Preeti Lakra|Meesala Sudhakar|D.S.V.G.K. Kaladhar
印度恰蒂斯加爾邦比拉斯普爾阿塔爾·比哈里·瓦杰帕伊大學微生物學與生物信息學系
摘要
微生物生物膜是由微生物組成的結構化群體，它們附著在表面，并嵌入由胞外聚合物（EPS）構成的基質中，這種基質通過群體感應（QS）進行調控。群體感應機制增強了微生物的適應性、代謝多樣性以及污染物轉化能力。EPS的成分包括胞外多糖、結構蛋白、胞外核酸（DNA）、酶和生物表面活性劑，這些成分有助于污染物的滯留和協同降解，在優化條件下能夠有效去除多環芳烴、重金屬、染料和塑料。本文綜述了生物膜形成機制、群體感應調控以及控制污染物生物轉化的蛋白質-蛋白質相互作用網絡的最新進展，同時批判性地評估了實驗室成果與實際應用之間的差距。此外，還介紹了基于CRISPR的基因組編輯技術，以增強降解酶的表達、提高耐受性并實現遺傳控制，并結合了宏基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等多組學方法，以系統層面理解并預測設計出高效的生物膜群落。文章還討論了當前的研究進展、技術限制以及未來的研究方向，以支持環境治理的實際應用。
引言
頑固性污染物在空氣、水和土壤中的廣泛存在使污染問題變得復雜且具有全球性，嚴重威脅著生態系統的恢復力，并引發了對人類和環境健康的長期擔憂（Pandey等人，2017；Bhatt等人，2021；Arora和Fatima，2024；Vo等人，2024；Singh等人，2025）。污染物的持久性凸顯了迫切需要可持續且科學可靠的修復策略。在各種方法中，基于微生物生物膜的生物修復方法因其成本效益高且環境友好而受到重視（Abinandan等人，2018；Mishra等人，2022）。
生物膜是由真菌、細菌、菌藻和藍細菌等微生物組成的結構化群體，它們嵌入在胞外聚合物（EPS）中，這種基質有助于微生物的附著和集體生存（Callow，2000；Shukla等人，2014）。EPS基質能夠保護細胞免受酸性、紫外線輻射、有毒化學物質和病原體的傷害，同時促進外源污染物的酶促降解（Davey和O’toole，2000；Singh等人，2026）。與生物膜相關的微生物表現出獨特的生理過程，如營養競爭、氧氣和pH值調節以及通過群體感應（QS）協調的污染物響應基因表達（Shimada等人，2012；Balan等人，2021）。群體感應依賴于自誘導劑，這些自誘導劑調控對污染物降解和耐受性提升至關重要的基因網絡（Kong等人，2026）。
不同類型的生物膜（如顆粒狀、靜態和絮狀生物膜）被應用于流化床反應器、滴濾器和活性污泥工藝等系統中（Rajwar等人，2018）。最近的研究重點在于闡明生物膜發展的分子、遺傳和代謝機制，揭示了控制污染物吸收和降解效率的復雜蛋白質-蛋白質相互作用和調控網絡（Hall-Stoodley和Stoodley，2002；Agarwal等人，2025）。基于CRISPR的基因組編輯、合成生物學和多組學平臺等尖端技術現在可以精確工程化生物膜群體，優化降解途徑和耐受性，擴展了生物修復的應用范圍，包括塑料和新興污染物（Fida等人，2012；Mangwani等人，2017；Liu等人，2025；Sarkar和Bhattacharjee，2025b；Zhang等人，2025a）。這些方法已經發現了參與多環芳烴、重金屬、染料和塑料生物降解的關鍵代謝基因（例如bph、pah、nah、mer、ars、cat、petase）和信號級聯（Martinez-Perez等人，2025）。
然而，盡管在分子層面取得了進展，但在將實驗室規模的分子見解（如群體感應調控、EPS動態和代謝網絡建模）與實際應用聯系起來方面仍存在顯著的知識空白。本文總結了2018年至2025年的研究進展，并批判性地評估了如何將分子調控、多組學和工程化生物膜轉化為可預測的、可在現場應用的生物修復系統。彌合這一差距對于建立可擴展、可靠和可持續的環境生物技術至關重要。
本文旨在總結生物膜介導的生物修復領域的最新進展，包括形成機制、調控網絡、應用領域（多環芳烴、金屬、染料、塑料），以及基于CRISPR的基因組編輯和多組學方法在將實驗室成果轉化為實際應用方面的潛力。
生物膜：定義與特性
生物膜是結構化的、動態的微生物群體，微生物不可逆地附著在活性或惰性表面上，并嵌入自身產生的EPS基質中（Flemming等人，2016；Magana等人，2018；Abebe，2020；De Silva和Heo，2023）。這些群體通常棲息在濕潤環境中，利用周圍基質中的營養物質。三維生物膜基質含有約97%的水分，包含多糖和胞外DNA等成分。
群體感應（QS）在生物膜形成中的作用
群體感應是一種細胞間通信機制，通過產生和檢測稱為自誘導劑（AI）的小分子信號分子，使微生物能夠協調集體行為（Waters和Bassler，2005；Sharma等人，2020；Xu等人，2021）。AI分子與細胞受體的相互作用啟動信號級聯反應，從而調控生物膜相關基因的轉錄（Gera和Srivastava，2006；Mondal等人，2025）。
群體感應調控支持...
離體過程
生物膜已在離體生物反應器中成功應用于降解農藥、重金屬、染料和多環芳烴等污染物（Boon等人，2002；Alharthi等人，2022；Dutta等人，2023）。這些生物反應器為微生物附著和生物膜形成提供了支持環境，提高了生物量保留、代謝活性和污染物降解能力（Lin等人，2012；Asri等人，2019）。
用于生物膜介導生物修復的關鍵生物反應器...
多環芳烴（PAHs）的修復
多環芳烴是廣泛存在的環境污染物，來源于農業徑流、石化廢水和工業燃燒過程（Bezza和Chirwa，2016；Zhong等人，2017）。許多多環芳烴及其氯化衍生物具有致癌性，會干擾哺乳動物的DNA復制。生物膜的形成在微生物降解多環芳烴過程中起著關鍵作用，因為它增強了微生物對污染物的耐受性并提高了代謝效率（Yadav和Chandra，2020）。
根際生物膜的污染修復潛力
促進植物生長的根際細菌（PGPR）定殖在根際并形成結構化的多物種生物膜，在污染物轉化和降解中發揮重要作用。根際定殖和生物膜的發展受特定微生物群體和環境因素（如pH值、溫度、水分含量、礦物質可用性、微生物密度和根系分泌物組成）的調控（Anitha等人，2024；Dhara等人，2026）。在根際環境中，與生物膜相關的PGPR...
CRISPR和基因工程在生物膜介導的生物修復中的應用
基因工程的最新突破為提高生物膜介導的生物修復效率和可靠性開辟了新途徑。其中，CRISPR/Cas系統作為一種精確且多功能的工具，可用于編輯微生物基因組。通過實現靶向敲除、敲入和基因沉默，CRISPR使研究人員能夠重新編程形成生物膜的微生物，從而增強其污染物降解能力（Sahoo等人，2022；Sarkar和Bhattacharjee，2025a）。
未來展望
生物膜介導的生物修復在實驗室和試點規模研究中顯示出巨大潛力，但其實際應用效果仍有待驗證。雖然基因和合成生物學方法可以在受控環境中提高降解效率，但其在自然環境中的效果受到環境變化、營養和氧氣限制以及與本地微生物群落的競爭的影響。此外，厚或成熟的生物膜可能會...監管和生物安全挑戰使用基因修飾微生物（GMMs）和基于合成生物學的生物膜進行環境修復帶來了機遇，但也引發了重要的生態和監管問題，這些問題必須在實際應用前得到解決。例如，增強EPS產生的工程特性、過度表達降解酶或合成群體感應回路可能會引發意外的基因流動、水平基因轉移和生態問題...
結論
生物膜介導的生物修復是一種有前景的污染物修復策略，但其效果取決于具體情境，這得益于微生物群體的空間組織、代謝合作和基質輔助的污染物滯留等特性。雖然在有利和受控條件下這些特性可以提高降解效率，但在異質性環境中，由于污染物分布不均和氧化還原狀態波動，其效果往往會下降。縮寫
- PAME
- 3-羥基棕櫚酸甲酯
- ACP
- �；d體蛋白
- ABC
- ATP結合盒
- AIP
- 自誘導肽
- AI-2
- Autoinducer-2
- 自誘導劑
- DSF
- 擴散信號因子
- e-DNA
- 胞外DNA
- EPS
- 胞外聚合物
- FTIR
- 傅里葉變換紅外光譜
- GEMs
- 基因工程微生物
- GMMs
- 基因修飾微生物
- HGT
- 水平基因轉移
- IAA
- 吲哚-3-乙酸
- MABR
- 膜通氣生物反應器
- MPs
- 微塑料
- 3O-C6-HSL
- N-3-氧己酰-1-高絲氨酸
人工智能（AI）聲明
作者聲明，在準備本手稿期間，僅使用人工智能（AI）輔助工具進行語言編輯、語法潤色和整體可讀性的提升。所有科學內容、概念構建、數據解釋、分析和結論均為作者的原創工作。作者已仔細審查并驗證了手稿內容的準確性、完整性和原創性。CRediT作者貢獻聲明
Nikki Agrawal：撰寫——審閱與編輯、初稿撰寫、可視化、監督、概念構建。Nalini Soni：撰寫——審閱與編輯。Vineet Kumar：撰寫——審閱與編輯。Leena Preeti Lakra：撰寫——審閱與編輯。Meesala Sudhakar：撰寫——審閱與編輯。D.S.V.G.K. Kaladhar：撰寫——審閱與編輯。利益沖突聲明
本手稿不存在利益沖突。
致謝
作者感謝阿塔爾·比哈里·瓦杰帕伊大學的行政人員和工作人員提供的幫助。Vineet Kumar感謝印度科技部生物技術部（DBT）提供的研究助理獎學金（獎勵函編號：DBT-RA/2024-25/Call-I/RA/42）。
