合成生物学的工程化设计理念，推动了微生物组人工合成的快速发展。但现有的技术水平和对微生物组变异规律理解的局限，导致合成微生物组从实验室到工业应用仍面临重大挑战。尤其是以酚醛废水为代表的高浓高毒工业废水治理，含有高浓度苯酚、甲醛等生物毒性极强的化合物，COD浓度高达4-5万，常规生化处理仅能降解几千COD，效率较低、工艺复杂，需要微生物组具备强大的抗压能力，以适应剧烈的环境波动，维持稳定高效的处理效果。

中国科学院天津工业生物技术研究所黄志勇研究员带领的应用微生物生态工程研究团队，开发多相介质变换菌群驯化技术，获得具有稳定功能的工程微生物组，用于酚醛废水处理取得突破。研究团队利用该技术，通过连续的摇瓶定向驯化、小试装置上的水相-气相条件下震荡式生物强化、中试装置上的水相条件下系统进化，构建出功能稳定的工程微生物组；并以工程微生物组为核心设计了一步好氧处理工艺，可稳定降解COD 40000 mg/L，酚浓度4200 mg/L，甲醛浓度6000 mg/L的酚醛废水，实现达标排放。驯化过程涉及从水相到气相的过渡，为筛选更适应复杂环境且更具韧性的微生物组提供了复杂的瞬态环境，研究发现气相驯化阶段发展出了全面的酚醛代谢菌群，以及多种缺乏完整酚醛代谢路径但是具备聚羟基丁酸酯（PHB）合成能力的物种，PHB作为碳和能量储备，使微生物能够在营养匮乏的情况下存活，这在气相驯化阶段的非稳态条件中尤为重要，增强了微生物组的环境适应性。团队解析了酚醛功能微生物组驯化与应用过程中的群落组装机制，发现在工程应用阶段微生物组保持了较高的生物多样性和功能冗余度，且驯化过程筛选保留了关键核心物种及其正向协作关系，在应用阶段微生物组网络特征更加复杂，负相关比例得到提高，揭示了其应用阶段的微生物组稳定性特征。该研究为工业废水处理工程应用中的人工微生物组构建提供了新启示，对于跨越从实验室到工业应用的转化面临的重大障碍具有现实意义。

该研究工作获得国家重点研发计划的资助，研究成果在Communications biology上发表。天津工业生物技术研究所赵维工程师为第一作者，侍浏洋工程师、韩一凡副研究员、王兴彪副研究员为共同作者，黄志勇研究员为论文的通讯作者。

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图1 利用“多相介质变换菌群驯化技术”开发工程微生物组的概念图

图2 不同驯化阶段酚醛废水中污染物的含量及微生物组的处理效率

图3 微生物组中不同的系统发育类群（簇bin）在不同阶段的群落组装机制

图4 驯化阶段和工程应用阶段存在共享的物种相互作用

图5 不同阶段样本中参与苯酚和甲醛代谢途径的酶的主要贡献者。不同的符号代表不同的阶段。（○:BF,△:MUB,□:Water,☆:Eng,◇:CH, ⬠:HMAJ）