#科技创新看中国# 面对生态修复中原位功能菌难以快速识别、培养和应用的产业瓶颈问题，青岛能源所单细胞中心与青岛科技大学、青岛水务集团环境能源有限公司、青岛张村河水务有限公司等单位合作，开发了基于单细胞拉曼耦合培养技术（scRACS-Culture）的“原位代谢靶向的功能菌筛选、培养和强化”（IMSCA）策略，成功从城市污水处理厂的活性污泥中挖掘出一种新型高效聚磷菌（PAO），并验证了其在水质净化的实际应用，为环境修复与生态系统工程提供了新策略，相关成果发表于环境科学期刊《水研究》（Water Research）。

环境修复与生态系统工程高度依赖于原位功能菌的挖掘和应用，但长期以来，业界普遍采用的“先养后筛”范式面临着核心瓶颈。由于缺乏有效的菌群原位功能快检方法，因此通常难以快速识别和挖掘具有潜在功能的原位菌株。此外，即使能分离出功能菌，其在纯培养条件下的代谢效能（如除磷效率）往往与其原位环境有巨大差异，经常导致环境修复失败。

针对上述挑战，荆晓艳、公衍海、潘慧慧等带领的研究团队提出了原位功能菌“先筛后养”的IMSCA策略，利用与青岛星赛合作研制的单细胞拉曼分选仪，从环境样品中直接进行单细胞精度的原位代谢功能测量和目标原位功能菌分选。研究发现，单细胞拉曼光谱（SCRS）中的多聚磷酸盐（Poly-P）峰强度可作为单细胞水平的定量生物标志物，用于评估菌株从胞外环境中去除可溶解态磷的效率，从而识别聚磷菌PAO。基于Poly-P峰，研究团队成功从当地城市污水处理厂的活性污泥样品中，活体分选出具有高原位聚磷活性的一系列PAO单细胞。

后续的单细胞培养与功能验证发现，实验室纯培养PAOs的聚磷活性与其原位活性并无显著相关性，许多原位活性高的菌株在纯培养中表现低下，凸显了传统纯培养筛选的局限性。与之相反，IMSCA“原位代谢驱动式”的先筛后养则能高效挖掘这些被传统评价方法误导甚至忽略的高效原位功能菌。

在验证IMSCA策略的有效性时，研究团队选择了污水处理这一典型场景进行测试。磷排放是水体富营养化的主要原因，而生物除磷（EBPR）系统的关键在于能从胞外环境中去除可溶解态磷元素的聚磷菌PAOs。传统方法挖掘高效稳定的PAOs耗时耗力、困难重重，利用IMSCA策略，团队成功从活性污泥中“单细胞先筛后养”出多种原位高效PAOs，其中包括一种新型高效PAO——藤黄微球菌（Micrococcus luteus）CI5-8。它具有不同于传统PAOs的独特聚磷机制，在好氧条件下聚磷，在厌氧条件下不释放磷，其能量储存依赖糖原而非聚羟基脂肪酸酯（PHA），且缺乏反硝化活性。

为验证该菌株的实际效能，研究团队先后在实验室规模的序批式反应器（SBR）和小试规模的厌氧-缺氧-好氧（A/O/O）生物脱氮除磷反应器中进行了测试。结果显示其在处理真实污水时表现出高效除磷能力，代表了一类新型的高效PAO资源。

这一原位代谢靶向性的功能菌筛选、培养和强化策略，为工业菌株的原位代谢功能评估提供了新手段，有效解决了“纯培养后功能-原位功能”脱节的难题。同时，通过无需外来物种引入的“原位菌原位用”的方式，完成了环境修复项目的快速闭环。由于单细胞拉曼光谱蕴含着丰富多样的原位代谢功能信息，因此该策略可广泛服务于水体治理、土壤改良、生物制造、个人护理、精准医疗等诸多涉及微生态修复的应用领域。

该研究由青岛能源所单细胞中心徐健研究员、青岛水务集团环境能源有限公司荆玉姝等主持完成，得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

Xiaoyan Jing, Yanhai Gong, Yishang Ren, Liyan Wang, Runzhi Mu, Pengcheng Sun, Zhidian Diao, Yu Meng, Liming Huang, Xixian Wang, Jia Zhang, Jiaxuan Luan, Yuetong Ji, Bo Ma, Huihui Pan*, Yushu Jing*, Jian Xu*. Mining robust in situ phosphorus-accumulating organisms via single-cell RACS-Culture for rational ecosystem engineering. Water Research, 2025, 284:124025.