近二十年来，工业活动和全球人口增长对环境造成了严重影响。大量有毒废水和未经处理的废弃物被排放到环境中，这些污染物不仅导致土壤和水污染，还会引发人类的严重慢性疾病。环境污染物来源广泛，既包括自然过程，也源于人类活动，其形态多样，有固体、液体和气体。污染物通常可分为初级污染物和次级污染物，初级污染物直接排放到大气中，如碳化合物（VOCs、CO、CO2 、CH4 ）、氮化合物（NO、N2O 、NH3 ）和硫化合物（H2S 、SO2 ）等；次级污染物则是由初级污染物与大气中的其他成分发生化学反应形成的，像SO2 、HNO3 、O3 、PAN、硫酸盐和硝酸盐气溶胶等，高浓度时危害极大。

环境污染物还可细分为生物污染物和化学污染物。生物污染物包含细菌、病毒等，有害藻华（HABs）也会对渔业、水产养殖等造成重大影响。化学污染物在土壤和水生态系统中广泛存在，例如重金属、硝酸盐化合物和多环芳烃（PAHs）等，主要来源于石油精炼、化工生产和农业等行业。在农业领域，化学肥料和农药虽能为植物和土壤补充养分，但不合理使用会污染土壤和水生态系统，部分农药半衰期长，易在生物体内积累，通过食物链危害人类健康。

多环芳烃是一类含有两个到七个苯环的物质，主要由化石燃料等有机分子不完全燃烧产生。部分多环芳烃已被证实与基因改变、癌症和出生缺陷有关，对人类健康构成严重威胁。近年来的研究表明，蓝藻在多环芳烃生物修复方面具有显著潜力。例如，有研究发现不动杆菌属菌株 HAP1 与蓝藻属 S66 的共生关系可使苯并 [a] 芘降解率提高 18%；以费氏藻属为主的细菌 consortium 能在五天内降解 92% 的菲。这些研究结果凸显了蓝藻 - 细菌相互作用在多环芳烃降解中的有效性。

如今，有机磷化合物常被用作氯代烃的替代品用于害虫防治，但它们在环境中持久存在。部分有机磷化合物对人类和动物有害，尽管作为农药效果显著，但因其具有较高的生物杀伤作用，广泛使用会导致环境退化，并对非目标生物产生严重负面影响，还可能引发人类胆碱能毒性。近期有研究对从稻田分离出的蓝藻降解马拉硫磷的能力进行了探究，研究内容包括马拉硫磷对蓝藻生长的影响、蓝藻利用马拉硫磷作为磷源的能力以及培养基中磷和农药残留水平的变化，结果显示蓝藻在处理水生环境中的有机磷农药污染方面具有一定潜力。

密度超过5g/cm3 的金属元素被称为重金属，其中铜（Cu）、铁（Fe）、锌（Zn）和锰（Mn）等在植物的各种生化和生理过程中是必需的，但镉（Cd）、铅（Pb）、汞（Hg）和砷（As）等非必需重金属的存在会造成水或土壤污染，严重危害人类健康。研究表明，蓝藻在重金属生物修复方面潜力巨大。例如，对两种淡水蓝藻可变鱼腥藻（Anabaena variabilis）和聚球藻属（Synechocystis sp.）去除废水中多种重金属的能力进行研究发现，在优化条件下，可变鱼腥藻对砷（V）、镉（II）、铬（VI）和铅（II）的去除率分别为 25%、78%、54% 和 17%，而聚球藻属对部分金属的去除效率更高，对砷（V）、镉（II）、铬（VI）和铅（II）的去除率分别达到 77%、57%、91% 和 77% ，这有助于深入了解蓝藻修复机制，并凸显了蓝藻在应对重金属污染方面的潜力。

地球大气中近 80% 的化合物是氮，氮是许多重要生物分子（如核苷酸和氨基酸）的重要组成部分。环境中无机氮含量的增加通常会促进初级生产者数量的增加，从而提高生命产量，但过量的无机氮若未被生态系统消化，可能会对一些物种产生负面影响。近期研究探索了蓝藻和微藻在去除氮方面的潜力以及它们对极端环境的适应性。比如，有研究报道了一种结合厌氧氨氧化与微藻 - 细菌共生的新型系统，用于去除废水中的氮，该系统在无需机械曝气的情况下，总氮去除效率高达 99.51%，展示了其在节能废水处理方面的潜力；还有研究考察了蓝藻结皮在模拟火星环境等平流层条件下的适应性，发现某些蓝藻，特别是束毛藻属（Scytonema），在极端条件下表现出显著的适应能力，为微生物在极端环境中的适应研究提供了有价值的见解，在天体生物学和外星殖民等领域具有潜在应用。

人为污染是由人类直接造成的污染，与自然过程（如呼吸和分解）产生的污染不同，例如化石燃料的燃烧。潜在有害微量元素（PHTE）的来源主要是高温燃烧过程，这些过程会使微量元素挥发或释放为细颗粒物。研究表明，排放到大气中的这些污染物是影响动植物的许多空气传播疾病的主要原因之一。蓝藻在修复人为废弃物方面具有显著潜力，它们能够通过代谢修饰和分泌各种代谢物来降解多种污染物，其胞外多糖具有共金属特性，可增强对重金属和类金属的降解。研究显示，蓝藻能有效修复受重金属、酚类化合物、染料、多环芳烃和石油副产品污染的场地，为解决工业过程中有毒废弃物排放问题提供了一种经济高效且公众可接受的生态友好方法，凸显了蓝藻在环境生物技术项目中的重要性，有助于减轻人为活动对生态系统的影响。

生物修复是一种利用微生物、植物和微生物产品等生物制剂来处理环境污染物的可持续且环保的方法，被认为是替代物理化学技术分解化学农药或工业废水的有效手段。在修复过程中，微生物通过酶促代谢途径加速生化过程，将污染物分解、转化、消除、固定或解毒为危害较小的物质。生物修复主要分为原位（In-situ）和异位（Ex-situ）两种类型。原位生物修复技术是从污染区域去除有害废物的实用且可靠的选择，具有成本效益高、对环境干扰小的优点，无需进行昂贵的污染挖掘和运输；而异位生物修复则是将受污染的土壤从污染区域移除，在单独的地点进行处理，虽然成本较高，但具有修复速度快、处理一致性更高的优势。

蓝藻作为地球上存在了约三十亿年的水生光合原核生物，在生物修复过程中展现出了巨大的潜力。它们位于食物链底层，能够摄取污染物，保护更高等级的物种免受污染的负面影响，还可用于生物修复放射性物质和分解化学毒物。蓝藻主要通过生物吸附、生物积累和生物转化等策略来吸收和减少污染环境中的重金属影响。

生物吸附是一种从水溶液中提取重金属的技术，通过重金属被动附着在无生命的生物质上实现。蓝藻和藻类系统进化出了这种机制，以在细胞壁周围螯合高浓度的重金属。该过程具有生物材料可重复使用、操作成本低、操作时间短且无二次化合物产生等优点。生物吸附涉及离子交换、表面络合、吸附、吸收和沉淀等多种过程，主要分为固相（生物质或生物吸附剂）和液相（含有金属的溶剂）两个阶段。蓝藻细胞表面的金属结合位点主要存在于蛋白质、脂质和细胞壁的多糖成分中，pH 值会影响其对金属离子的吸收和释放。当 pH 值下降时，金属离子会从结合位点释放，可利用这一特性回收金属阳离子并补充生物吸附剂。研究发现，胞外聚合物（EPS）介导的金属离子螯合比其他过程更有效，蓝藻产生的 EPS 由四种不同的酶合成，多种蓝藻属在去除铜（Cu）、镉（Cd）、锌（Zn）、铬（Cr）、铅（Pb）、镍（Ni）、钴（Co）或汞（Hg）等重金属方面都取得了良好的效果，最大吸附量通常在 15 - 80mg/g 干重之间，某些研究中甚至高达 300mg/g 干重。为提高金属去除效果，可利用由多种蓝藻物种、微藻和其他微生物组成的 consortium 来改善代谢物合成和金属耐受性。

生物积累是蓝藻耐受金属的最复杂机制，在这一过程中，重金属会在细胞内靠近内膜间隙或液泡的位置积累。其解毒过程分为两个阶段，第一阶段类似于生物吸附，细胞内的主动运输系统利用代谢能量将金属运输到细胞内，随后污染物通过细胞的代谢循环在细胞内积累。这是一个能量密集型过程，金属离子在运输过程中会与细胞内的结构结合，最终在细胞内储存。在细胞内，金属会参与氧化或还原反应，可能导致细胞功能和结构完整性受损。当细胞外金属离子的浓度梯度超过细胞内时，生物积累过程就会启动，金属离子通过外膜上的孔蛋白进入周质，再进入细胞质，这一过程涉及到初级主动转运蛋白、次级载体和通道等不同蛋白质的参与。进入细胞质的金属离子会与金属结合物质（如金属硫蛋白、植物螯合素和多磷酸盐）形成复合物，细胞的代谢过程能够将进入细胞的金属转化为危害较小或无害的形式，若这一过程出现故障，过量的金属会对细胞产生有害影响。许多蓝藻物种，如聚球藻属（Synechococcus sp.）和席藻属（Phormidium）等，已被用于生物积累重金属和去除染料。研究发现，在自然气候条件下，蓝藻（如念珠藻属 Nostoc 和鱼腥藻属 Anabaena）与绿藻（如栅藻属 Ankistrodesmus）的共生组合在去除垃圾渗滤液中的铁（II）、铜（II）、铅（II）、铬（VI）和锌（II）等重金属离子方面取得了显著成效；聚球藻属 PCC 7942、念珠藻属 Nostocmuscorum 和湖球菌属 Limnococcus sp. 在通过生物积累和生物吸附去除重金属方面表现出了较高的效率。

由于有毒成分具有持久性，将其生物转化为对环境危害较小的物质或转化为非生物可利用的残留物的技术备受关注。蓝藻在受各种污染物影响的水生生态系统中占据主导地位，因此在生物转化方面具有重要研究价值。近期研究对蓝藻的生物转化能力有了新的认识，例如，朱等人的研究表明，博氏鞘丝藻（Leptolyngbya boryana）能够积累大量的砷（高达570.0mgkg?1 ），并将其转化为多种有机物种，包括二甲基砷酸（V）和氧 - 砷糖 - 磷酸；2017 年，薛等人报道了念珠藻属 Nostoc sp. PCC 7120 在接触亚砷酸盐时，能够产生一系列有机砷化合物，如砷糖和砷糖磷脂。这些研究结果突出了蓝藻中多样的生物转化途径，以及它们在修复砷污染环境方面的潜力。此外，近期的宏基因组分析揭示了各种微生物群落参与自然生物修复过程，为这些转化的基因组基础提供了新的视角。

计算机模拟生物修复技术通过预测潜在的降解途径并应用适当的酶系统，能够同时降解多种污染物，为解决生物修复相关挑战提供了新的思路。该过程涉及多种科学领域，如特定路径预测算法、分子动力学模拟（MDS）、蛋白质组学、基因组学、计算生物学、生物信息学和分子建模等。在环境污染物的生物降解和毒性评估中，计算机模拟方法得到了广泛应用，通过各种计算机辅助方法，能够在原子水平上理解生物降解过程以及酶与污染物相互作用的机制。

在进行计算机模拟研究时，需要运用多种计算技术来预测潜在的降解策略或途径，以便在利用微生物处理环境中新释放的不受控制的污染物之前做好准备。为了便于评估微生物生物修复的创新和应用，目前已有许多数据库和计算机工具可供使用。研究人员可以通过计算方法预测毒素生物降解的可能路径，从而研究微生物消除环境污染物的可能性。由于这些预测方法揭示的代谢途径较为复杂，尤其是在细胞环境中，因此需要对其相对可行性进行评估。计算机模拟生物修复将基于规则的分解代谢和微生物数据库相结合，常用方法包括代谢工程、计算机模拟毒性评估以及分子对接和模拟等。尽管存在一些传统的局限性，但它能够提供原子水平相互作用的信息，并利用基于规则的途径更轻松地筛选各种可降解的化学物质。在对污染物或酶的降解信息了解较少的情况下，它通过使用与计算生物学领域中有效的方法类似的复杂计算方法，推动了生物学理论的发展。

地球上约有 2000 - 8000 种蓝藻，其中一些蓝藻含有对生物修复过程至关重要的蛋白质，如氧化还原酶、金属硫蛋白等。例如，莫拉莱斯鉴定出了来自鱼腥藻属 Anabaena PCC 7119 的氧化还原酶 PCC7119 铁氧还蛋白：铁氧还蛋白 - NADP + 还原酶（PDB ID：1EWY），该酶在光合作用中催化铁氧还蛋白（Fd）向 NADP + 的关键电子转移，是将光能转化为化学能的关键步骤，有助于维持光合电子传递链中电子流的平衡；来自蓝丝藻属 Cyanothece 51,142 的 Cce_0566（PDB ID：3NJ2）属于未知功能结构域（DUF）269 家族，参与固氮过程，可能对固氮酶复合物的生物合成、组装、运输或插入起到关键作用；来自念珠藻属 Nostoc sp. PCC 7120 的碱性 / 中性转化酶 Inv - B（PDB ID：5Z74）在异型胞的固氮发育过程中对蔗糖的水解起着重要作用，其缺失会影响碳通量和糖原积累，进而破坏氮固定，影响碳 - 氮平衡和整体生长，凸显了其在蓝藻生理学中的重要性。

生物修复可处理的物质包括烃类、原油、农药、石油副产品、酚类、抗生素、木质素、洗涤剂、有机磷、多环芳烃、儿茶酚、萘、菲等。在早期研究中，发现苯噻草胺和克百威与固氮酶的相互作用具有一定前景。通过文献综述和研究，筛选出了 14 种烃类和 3 种有机金属化合物用于分子对接，其中烃类包括蒽、菲、苯并 [a] 芘、二甲苯、咖啡酸、丁香酚、伞形酮（UMB）、色甘酸、白花丹醌、芒果苷、白藜芦醇（RES）、穗花杉双黄酮、松脂醇和铁载体，有机金属化合物包括三甲基胂、2,2’,5,5’ - 四氯 - 4,4’ - 双（甲基磺酰基）联苯和 3,3’,4,4’ - 四氯联苯（TCB）。

研究人员利用蛋白质制备工作流程对从蛋白质数据库（https://www.rcsb.org/search）检索到的三种蛋白质的晶体结构进行处理，然后使用薛定谔公司的 Sitemap 模块预测结合位点并生成受体网格，以位点得分大于 0.5 为筛选标准选择最佳位点。针对每种受体，创建了一个尺寸为的受体网格，以最佳结合位点的质心为中心。为容纳所有对接位置，对 14 种烃类和 3 种有机金属化合物使用了更大的包围盒（ ）。使用 Glide 对接算法的标准精度（SP）模式，将总共 17 种配体与三种蛋白质进行对接，整个计算研究使用薛定谔套件 2022 - 2023 版本完成。

在对接研究中，三种最有前景的配体是 TCB、UMB 和 RES。研究详细分析了配体与目标蛋白的相互作用，发现了参与结合的关键氨基酸。例如，在 RES 与 1EWY 的相互作用中，疏水氨基酸丙氨酸（ALA，160, 45）、酪氨酸（TYR，104, 79, 303）、亮氨酸（LEU，102, 78）、半胱氨酸（CYS，98, 41, 117）和缬氨酸（VAL，99, 116）发挥了重要作用，精氨酸（ARG，100, 77）和谷氨酸（GLH，301）分别提供了正电荷和负电荷相互作用；在 3<