Вы также можете сделать это с помощью sed
.
echo $STRING | sed -e "s/\($PATTERN\)/[\1]/Ig"
Как было сказано выше, ваш вариант с добавлением нескольких переменных должен работать корректно
Exec=env FOO=bar /usr/bin/my_prog
Так что либо тут какой-то внешний фактор, либо вопрос не совсем правильный