環境修復與生態系統工程高度依賴于原位功能菌的挖掘和應用，但長期以來，業界普遍采用的“先養后篩”范式面臨著挑戰。由于缺乏有效的菌群原位功能快檢方法，因此通常難以快速識別和挖掘具有潛在功能的原位菌株。此外，即使能分離出功能菌，其在純培養條件下的代謝效能（如除磷效率）往往與其原位環境有巨大差異，經常導致環境修復失敗。
針對上述挑戰，中國科學院青島生物能源與過程研究所與青島科技大學、青島水務集團環境能源有限公司等單位合作，提出了“原位代謝靶向的功能菌篩選、培養和強化”（IMSCA）策略，利用單細胞拉曼分選儀，從環境樣品中直接進行單細胞精度的原位代謝功能測量和目標原位功能菌分選。研究發現，單細胞拉曼光譜中的多聚磷酸鹽峰強度可作為單細胞水平的定量生物標志物，用于評估菌株從胞外環境中去除可溶解態磷的效率，從而識別聚磷菌（PAO）。
在驗證IMSCA策略的有效性時，研究團隊選擇了污水處理這一典型場景進行測試。磷排放是水體富營養化的主要原因，而生物除磷系統的關鍵在于能從胞外環境中去除可溶解態磷元素的PAOs。利用IMSCA策略，團隊從活性污泥中“單細胞先篩后養”出多種原位高效PAOs，其中包括一種新型高效PAO——藤黃微球菌CI5-8。它具有不同于傳統PAOs的獨特聚磷機制，在好氧條件下聚磷，在厭氧條件下不釋放磷，其能量儲存依賴糖原而非聚羥基脂肪酸酯，且缺乏反硝化活性。為驗證該菌株的實際效能，研究團隊在實驗室規模的序批式反應器和小試規模的厭氧-缺氧-好氧生物脫氮除磷反應器中進行了測試。結果顯示，該菌株在處理真實污水時表現出高效除磷能力。
IMSCA策略為工業菌株的原位代謝功能評估提供了新手段，有效解決了“純培養后功能-原位功能”脫節的難題。同時，通過無需外來物種引入的“原位菌原位用”方式，完成了環境修復項目的快速閉環。由于單細胞拉曼光譜蘊含豐富多樣的原位代謝功能信息，因此該策略可廣泛服務于水體治理、土壤改良、生物制造、個人護理、精準醫療等涉及微生態修復的應用領域。
相關研究成果發表在《水研究》（Water Research）上。研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金的支持。