综述：微生物生物膜驱动的生物修复技术进展：机制突破、技术创新及未来展望

《Bioresource Technology Reports》：Advances in microbial biofilm-driven bioremediation: Mechanistic breakthroughs, technological innovations, and future perspectives

微生物生物膜通过EPS基质和QS信号调控增强污染物降解能力，研究整合CRISPR基因编辑与多组学技术优化其在重金属、多环芳烃及微塑料污染治理中的应用，并探讨实验室高效与野外规模化应用的瓶颈与解决方案。

　　

Nikki Agrawal|Nalini Soni|Vineet Kumar|Leena Preeti Lakra|Meesala Sudhakar|D.S.V.G.K. Kaladhar

印度恰蒂斯加尔邦比拉斯普尔阿塔尔·比哈里·瓦杰帕伊大学微生物学与生物信息学系

摘要

微生物生物膜是由微生物组成的结构化群体，它们附着在表面，并嵌入由胞外聚合物（EPS）构成的基质中，这种基质通过群体感应（QS）进行调控。群体感应机制增强了微生物的适应性、代谢多样性以及污染物转化能力。EPS的成分包括胞外多糖、结构蛋白、胞外核酸（DNA）、酶和生物表面活性剂，这些成分有助于污染物的滞留和协同降解，在优化条件下能够有效去除多环芳烃、重金属、染料和塑料。本文综述了生物膜形成机制、群体感应调控以及控制污染物生物转化的蛋白质-蛋白质相互作用网络的最新进展，同时批判性地评估了实验室成果与实际应用之间的差距。此外，还介绍了基于CRISPR的基因组编辑技术，以增强降解酶的表达、提高耐受性并实现遗传控制，并结合了宏基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等多组学方法，以系统层面理解并预测设计出高效的生物膜群落。文章还讨论了当前的研究进展、技术限制以及未来的研究方向，以支持环境治理的实际应用。

引言

顽固性污染物在空气、水和土壤中的广泛存在使污染问题变得复杂且具有全球性，严重威胁着生态系统的恢复力，并引发了对人类和环境健康的长期担忧（Pandey等人，2017；Bhatt等人，2021；Arora和Fatima，2024；Vo等人，2024；Singh等人，2025）。污染物的持久性凸显了迫切需要可持续且科学可靠的修复策略。在各种方法中，基于微生物生物膜的生物修复方法因其成本效益高且环境友好而受到重视（Abinandan等人，2018；Mishra等人，2022）。

生物膜是由真菌、细菌、菌藻和蓝细菌等微生物组成的结构化群体，它们嵌入在胞外聚合物（EPS）中，这种基质有助于微生物的附着和集体生存（Callow，2000；Shukla等人，2014）。EPS基质能够保护细胞免受酸性、紫外线辐射、有毒化学物质和病原体的伤害，同时促进外源污染物的酶促降解（Davey和O’toole，2000；Singh等人，2026）。与生物膜相关的微生物表现出独特的生理过程，如营养竞争、氧气和pH值调节以及通过群体感应（QS）协调的污染物响应基因表达（Shimada等人，2012；Balan等人，2021）。群体感应依赖于自诱导剂，这些自诱导剂调控对污染物降解和耐受性提升至关重要的基因网络（Kong等人，2026）。

不同类型的生物膜（如颗粒状、静态和絮状生物膜）被应用于流化床反应器、滴滤器和活性污泥工艺等系统中（Rajwar等人，2018）。最近的研究重点在于阐明生物膜发展的分子、遗传和代谢机制，揭示了控制污染物吸收和降解效率的复杂蛋白质-蛋白质相互作用和调控网络（Hall-Stoodley和Stoodley，2002；Agarwal等人，2025）。基于CRISPR的基因组编辑、合成生物学和多组学平台等尖端技术现在可以精确工程化生物膜群体，优化降解途径和耐受性，扩展了生物修复的应用范围，包括塑料和新兴污染物（Fida等人，2012；Mangwani等人，2017；Liu等人，2025；Sarkar和Bhattacharjee，2025b；Zhang等人，2025a）。这些方法已经发现了参与多环芳烃、重金属、染料和塑料生物降解的关键代谢基因（例如bph、pah、nah、mer、ars、cat、petase）和信号级联（Martinez-Perez等人，2025）。

然而，尽管在分子层面取得了进展，但在将实验室规模的分子见解（如群体感应调控、EPS动态和代谢网络建模）与实际应用联系起来方面仍存在显著的知识空白。本文总结了2018年至2025年的研究进展，并批判性地评估了如何将分子调控、多组学和工程化生物膜转化为可预测的、可在现场应用的生物修复系统。弥合这一差距对于建立可扩展、可靠和可持续的环境生物技术至关重要。

本文旨在总结生物膜介导的生物修复领域的最新进展，包括形成机制、调控网络、应用领域（多环芳烃、金属、染料、塑料），以及基于CRISPR的基因组编辑和多组学方法在将实验室成果转化为实际应用方面的潜力。

生物膜：定义与特性

生物膜是结构化的、动态的微生物群体，微生物不可逆地附着在活性或惰性表面上，并嵌入自身产生的EPS基质中（Flemming等人，2016；Magana等人，2018；Abebe，2020；De Silva和Heo，2023）。这些群体通常栖息在湿润环境中，利用周围基质中的营养物质。三维生物膜基质含有约97%的水分，包含多糖和胞外DNA等成分。

群体感应（QS）在生物膜形成中的作用

群体感应是一种细胞间通信机制，通过产生和检测称为自诱导剂（AI）的小分子信号分子，使微生物能够协调集体行为（Waters和Bassler，2005；Sharma等人，2020；Xu等人，2021）。AI分子与细胞受体的相互作用启动信号级联反应，从而调控生物膜相关基因的转录（Gera和Srivastava，2006；Mondal等人，2025）。

群体感应调控支持...

离体过程

生物膜已在离体生物反应器中成功应用于降解农药、重金属、染料和多环芳烃等污染物（Boon等人，2002；Alharthi等人，2022；Dutta等人，2023）。这些生物反应器为微生物附着和生物膜形成提供了支持环境，提高了生物量保留、代谢活性和污染物降解能力（Lin等人，2012；Asri等人，2019）。

用于生物膜介导生物修复的关键生物反应器...

多环芳烃（PAHs）的修复

多环芳烃是广泛存在的环境污染物，来源于农业径流、石化废水和工业燃烧过程（Bezza和Chirwa，2016；Zhong等人，2017）。许多多环芳烃及其氯化衍生物具有致癌性，会干扰哺乳动物的DNA复制。生物膜的形成在微生物降解多环芳烃过程中起着关键作用，因为它增强了微生物对污染物的耐受性并提高了代谢效率（Yadav和Chandra，2020）。

根际生物膜的污染修复潜力

促进植物生长的根际细菌（PGPR）定殖在根际并形成结构化的多物种生物膜，在污染物转化和降解中发挥重要作用。根际定殖和生物膜的发展受特定微生物群体和环境因素（如pH值、温度、水分含量、矿物质可用性、微生物密度和根系分泌物组成）的调控（Anitha等人，2024；Dhara等人，2026）。在根际环境中，与生物膜相关的PGPR...

CRISPR和基因工程在生物膜介导的生物修复中的应用

基因工程的最新突破为提高生物膜介导的生物修复效率和可靠性开辟了新途径。其中，CRISPR/Cas系统作为一种精确且多功能的工具，可用于编辑微生物基因组。通过实现靶向敲除、敲入和基因沉默，CRISPR使研究人员能够重新编程形成生物膜的微生物，从而增强其污染物降解能力（Sahoo等人，2022；Sarkar和Bhattacharjee，2025a）。

未来展望

生物膜介导的生物修复在实验室和试点规模研究中显示出巨大潜力，但其实际应用效果仍有待验证。虽然基因和合成生物学方法可以在受控环境中提高降解效率，但其在自然环境中的效果受到环境变化、营养和氧气限制以及与本地微生物群落的竞争的影响。此外，厚或成熟的生物膜可能会...

监管和生物安全挑战使用基因修饰微生物（GMMs）和基于合成生物学的生物膜进行环境修复带来了机遇，但也引发了重要的生态和监管问题，这些问题必须在实际应用前得到解决。例如，增强EPS产生的工程特性、过度表达降解酶或合成群体感应回路可能会引发意外的基因流动、水平基因转移和生态问题...

结论

生物膜介导的生物修复是一种有前景的污染物修复策略，但其效果取决于具体情境，这得益于微生物群体的空间组织、代谢合作和基质辅助的污染物滞留等特性。虽然在有利和受控条件下这些特性可以提高降解效率，但在异质性环境中，由于污染物分布不均和氧化还原状态波动，其效果往往会下降。

缩写

PAME
3-羟基棕榈酸甲酯
ACP
酰基载体蛋白
ABC
ATP结合盒
AIP
自诱导肽
AI-2
Autoinducer-2
自诱导剂
DSF
扩散信号因子
e-DNA
胞外DNA
EPS
胞外聚合物
FTIR
傅里叶变换红外光谱
GEMs
基因工程微生物
GMMs
基因修饰微生物
HGT
水平基因转移
IAA
吲哚-3-乙酸
MABR
膜通气生物反应器
MPs
微塑料
3O-C6-HSL
N-3-氧己酰-1-高丝氨酸

人工智能（AI）声明

作者声明，在准备本手稿期间，仅使用人工智能（AI）辅助工具进行语言编辑、语法润色和整体可读性的提升。所有科学内容、概念构建、数据解释、分析和结论均为作者的原创工作。作者已仔细审查并验证了手稿内容的准确性、完整性和原创性。

CRediT作者贡献声明

Nikki Agrawal：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、监督、概念构建。Nalini Soni：撰写——审阅与编辑。Vineet Kumar：撰写——审阅与编辑。Leena Preeti Lakra：撰写——审阅与编辑。Meesala Sudhakar：撰写——审阅与编辑。D.S.V.G.K. Kaladhar：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

本手稿不存在利益冲突。

致谢

作者感谢阿塔尔·比哈里·瓦杰帕伊大学的行政人员和工作人员提供的帮助。Vineet Kumar感谢印度科技部生物技术部（DBT）提供的研究助理奖学金（奖励函编号：DBT-RA/2024-25/Call-I/RA/42）。