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水生植物修復(fù)技術(shù)是一種成本少、耗能低、效果好的生物－生態(tài)新技術(shù)，即利用植物的吸收、吸附作用，富集導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的氮、磷，降解、富集其它有毒有害污染物，同時由于水生植物生長對藻類的抑制作用，使水體中藻類數(shù)量降低，提高水體透明度，達到化害為利、凈化水質(zhì)的目的，實現(xiàn)水域資源的可持續(xù)發(fā)展和利用。針對不同生態(tài)環(huán)境污染，從現(xiàn)場環(huán)境中篩選和構(gòu)建具有高效污染修復(fù)的水生植物- 微生物群落體系，更具有針對性強、適應(yīng)性強、效率高、成本低和對原有生態(tài)環(huán)境沒有威脅等優(yōu)點。

項目簡介水生植物修復(fù)技術(shù)是一種成本少、耗能低、效果好的生物－生態(tài)新技術(shù)，即利用植物的吸收、吸附作用，富集導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的氮、磷，降解、富集其它有毒有害污染物，同時由于水生植物生長對藻類的抑制作用，使水體中藻類數(shù)量降低，提高水體透明度，達到化害為利、凈化水質(zhì)的目的，實現(xiàn)水域資源的可持續(xù)發(fā)展和利用。針對不同生態(tài)環(huán)境污染，從現(xiàn)場環(huán)境中篩選和構(gòu)建具有高效污染修復(fù)的水生植物- 微生物群落體系，更具有針對性強、適應(yīng)性強、效率高、成本低和對原有生態(tài)環(huán)境沒有威脅等優(yōu)點。應(yīng)用范圍北京大學工學院從選育耐鹽堿性植物新品種入手，研究并優(yōu)化不同鹽堿程度下植物組合、配伍模式，構(gòu)建鹽堿環(huán)境植被快速恢復(fù)技術(shù)。篩選高效耐鹽功能菌，利用耐鹽功能菌接種技術(shù)，進一步發(fā)揮微生物植物聯(lián)合修復(fù)作用，加快鹽堿環(huán)境改良進程。形成以生物為主，鹽堿環(huán)境改良與污水治理同步進行，實現(xiàn)鹽堿改良—污染治理—生態(tài)重建系統(tǒng)綜合技術(shù)的集成的鹽堿化濕地的修復(fù)與改良綜合技術(shù)體系。項目階段北京大學工學院以多年對微生物的研究積累，將微生物與水體植物相結(jié)合，已經(jīng)完成難降解有機磷化合物微生物——植物耦合凈化體系理論模型構(gòu)建，建立了對有機磷農(nóng)藥和難降解有機物（壬基酚等）具有高效分解能力的微生物菌群（同時可以作為微生物菌劑應(yīng)用在水環(huán)境以外的如土壤環(huán)境的修復(fù)中）篩選、培育，開發(fā)了從相應(yīng)污染環(huán)境篩選具有有機物吸收或降解功能的水生植物的技術(shù)。微生物－植物耦合水體污染治理技術(shù)比原有單一的微生物凈化方式提高70% 的效率。同樣，用生物的方式治理土壤的鹽堿化，可以增加土壤中的有機物，調(diào)節(jié)土壤中的水氣溫狀況，改變土壤結(jié)構(gòu)與特性，改善有益微生物生存繁衍的環(huán)境。通過生物措施改良的鹽堿地脫鹽持久、穩(wěn)定，且有利于水土保持以及維持生態(tài)平衡。

2 015 年我國實施了史上最嚴的環(huán)境保護法，對企業(yè)污染排放做出嚴格規(guī)定， 對違法排污企業(yè)懲罰力度大大加強。食品和藥品發(fā)酵企業(yè)的廢水/廢渣的資源化 利用是降低企業(yè)運行成本的有效途徑。發(fā)酵廢水/廢渣由于其有機質(zhì)含量高、可 生化處理性好和成分相對穩(wěn)定的特點，非常適用于微生物電化學產(chǎn)氫氣。 微生物電化學產(chǎn)氫所用到的裝置稱作微生物電解池。該裝置被質(zhì)子交換膜分 隔成一個陽極室和陰極室。在陽極室，生長在電極表面的微生物能夠降解有機物 生成二氧化碳、質(zhì)子和電子。質(zhì)子和電子分別通過質(zhì)子交換膜和外電路到達陰極， 兩者在一定的外電壓（>0.2 V）作用下在陰極生成氫氣。整個裝置可以實現(xiàn)污水 中有機物的去除，同時回收氫氣。

我校生態(tài)研究中心王傳寬教授研究組在生態(tài)學著名學術(shù)期刊Global Ecology and Biogeography（環(huán)境科學與生態(tài)學1區(qū)，IF = 6.045）和土壤科學著名學術(shù)期刊Soil Biology and Biochemistry（農(nóng)林科學1區(qū)，IF = 4.857）上相繼發(fā)表了題為“Effects of forest degradation on microbial communities and soil carbon cycling: A global meta-analysis”和“Trends in soil microbial communities during secondary succession”的系列研究成果，首次從兩個不同微生物分類尺度探索了宏觀生態(tài)學的演替干擾理論在微觀土壤微生物生態(tài)學中的應(yīng)用，全球數(shù)據(jù)整合分析發(fā)現(xiàn)：生態(tài)對策理論和演替干擾理論可以成功地解釋生態(tài)系統(tǒng)進展演替和逆行演替中土壤微生物群落組成和結(jié)構(gòu)的演變過程，不但推動了土壤微生物生態(tài)學研究的發(fā)展，而且對土壤固碳效應(yīng)、生態(tài)系統(tǒng)模型等都有重要意義。 土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的組分，是生物地球化學循環(huán)的重要調(diào)節(jié)者，在生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、生產(chǎn)力和固碳效應(yīng)的維持、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提供、生物多樣性保護等方面發(fā)揮著不可替代的作用。然而，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，1克土壤就含有高達10億個細菌和真菌細胞、由數(shù)萬種分類單元組成，從而給微觀生態(tài)學研究帶來了巨大挑戰(zhàn)。據(jù)論文的第一作者周正虎（博士生）和通訊作者王傳寬教授介紹，該研究團隊成功地將宏觀生態(tài)學理論應(yīng)用到微生物研究中，發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)進展演替過程中K-對策微生物越來越占優(yōu)勢，而森林退化過程中（逆行演替）r-對策微生物越來越占優(yōu)勢。他們還發(fā)現(xiàn)K-對策占優(yōu)勢的微生物群落有利于土壤有機碳的固存，r-對策占優(yōu)勢的微生物群落則會將更多的土壤碳排放到大氣中。這些成果不僅將激發(fā)微生物生態(tài)學的理論研究，而且將推進土壤微生物介導(dǎo)的碳循環(huán)過程的機理研究。

本團隊長期從事傳統(tǒng)釀造食品的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)實踐，與國內(nèi)的眾多大型釀造企業(yè)，如鎮(zhèn)江恒順、瀘州老窖、山西老陳醋、張家界大德釀造、安徽胡玉美等保持著長期的產(chǎn)學研合作。近十多年來，針對白酒、黃酒、醬油（醬）、泡菜等傳統(tǒng)釀造食品，在系統(tǒng)研究釀造微生物功能的基礎(chǔ)上，理性設(shè)計功能調(diào)控手段，達到傳承工藝特色，穩(wěn)定發(fā)酵生產(chǎn)，提升產(chǎn)品品質(zhì)的目的。

1 成果簡介本項目在研發(fā)過程中得到了教育部留學人員歸國基金、教育部博士點基金、自然科學基金、國家科技支撐計劃的部分支持，經(jīng)過主持單位和協(xié)作單位的聯(lián)合攻關(guān)，經(jīng)過 8 年的時間研究完成的。通過實驗室小試，開發(fā)出可將污泥停留時間和水力停留時間分離的新型多孔微生物載體，研究了好氧-厭氧耦合污泥減量化的機理。采用設(shè)計的新型載體構(gòu)建了中試裝置，進行現(xiàn)場中試和實際應(yīng)用，取得了一系列突破性的進展和成果，并成功的將該項目應(yīng)用在生活污水、河道污水和工業(yè)廢水的治理中，在項目研究過程中共申請國家發(fā)明專利 6 項（其中5 項已授權(quán)），實用新型 1 項，發(fā)表論文 30 余篇，翻譯教材 2 部。 該項目在實施過程中，主要取得如下幾個方面的技術(shù)突破： （ 1）研究了好氧-厭氧耦合體系在處理廢水的同時對污泥減量化的作用機理，開發(fā)出好氧-厭氧多次反復(fù)耦合原位污泥減量技術(shù)。 （ 2）對多孔載體的結(jié)構(gòu)及對剩余污泥的截流效果進行了全面研究。設(shè)計了一種空隙率高、對污泥截流效果好的多孔載體。 （ 3）開發(fā)出以天然高分子為助凝劑的鐵鹽混凝除磷技術(shù)。 （ 4）實現(xiàn)了該技術(shù)的實際推廣應(yīng)用，分別應(yīng)用于處理城市生活污水、農(nóng)村的生活污水、工業(yè)廢水和河道污染治理中。在高碑店污水處理廠進行的運行兩年的 103/d 的中試實驗結(jié)果表明，運行效果穩(wěn)定，在水力停留時間為 12h 時，出水 COD 保持在 60mg/L 以下，出水 SS 在 30mg/L以下，兩年不需要排泥。在廣東肇慶處理 5m3/d 的高濃度發(fā)酵制藥廢水（ COD 2000~3000 mg/L），運行近一年的實驗結(jié)果表明，在水力停留時間為 27h 時，出水 COD 保持在 100 mg/L 以下，出水 SS 在 50mg/L 以下。 在以上中試試驗研究的基礎(chǔ)上，我們將該技術(shù)推廣應(yīng)用于青島即墨市兩個社會主義新農(nóng)村的生活污水處理（日處理量 150~180 噸），上海浦東區(qū)金家村農(nóng)村生活污水處理（適于不同地理特點的 170 套反應(yīng)器，服務(wù)人口 2120 人），佛山市石角涌河道截污工程（日處理量 1000~3000噸）和河北威遠生物化工有限公司的農(nóng)藥廢水處理項目（日處理量 780 噸）。應(yīng)用結(jié)果表明該技術(shù)可以有效地去除廢水中的有機物及氮，同時實現(xiàn)原污泥減量化，而且對于用常規(guī)方法不能去除的有機物（如苯、苯酚等）也可以有效地去除。新型多孔微生物載體技術(shù)在污水處理過程中不需要對剩余污泥進行處理，運行管理簡單，運行成本低，具有廣闊的應(yīng)用前景。2 技術(shù)指標生活污水經(jīng)過處理后達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準 GB18918-2002》一級B 排放標準；處理生活污水的過程中剩余污泥減量 60~75%；處理河道污水的過程中剩余污泥減量 70~85%；多孔微生物載體的使用壽命在 10 年以上；工業(yè)污水由于種類較多，排放標準不一，需要根據(jù)具體的情況進行確定。3 應(yīng)用說明本技術(shù)主要是應(yīng)用于新建或者現(xiàn)有污水處理廠污泥減量、廢水處理方面。該技術(shù)利用多孔載體和定點曝氣技術(shù)，在反應(yīng)器中實現(xiàn)了沿載體軸向、反應(yīng)器水流和高度方向的多層次好氧-厭氧反復(fù)耦合環(huán)境，從而在同一個反應(yīng)器中實現(xiàn)好氧-厭氧微生物反應(yīng)的耦合。實驗室采用人工廢水的小試研究結(jié)果表明，該類耦合體系的 COD 去除率大于 90%，而與傳統(tǒng)廢水處理工藝相比，剩余污泥的產(chǎn)率可以減少 90%以上。 對該類耦合體系實現(xiàn)污泥減量的機理研究表明，好氧區(qū)增殖的污泥進入下游的厭氧區(qū)后發(fā)生死亡溶解釋放出胞內(nèi)蛋白質(zhì)等組分，進一步被降解成小分子物質(zhì)，這些物質(zhì)流入下游好氧區(qū)被污泥再次利用，強化了污泥的隱性增殖；而微型動物的穩(wěn)定存在強化了捕食效應(yīng)。整個過程伴隨著 CO2、 N2 的釋放，使得進水中有機物以氣體形式脫離體系，從而實現(xiàn)了廢水的凈化處理和剩余污泥的原位減量。 為了進一步將污泥停留時間和水力停留時間分離以實現(xiàn)污泥減量效果，本研究設(shè)計開發(fā)了新型的多孔微生物載體。采用設(shè)計的新型載體構(gòu)建了中試裝置，進行現(xiàn)場中試和實際應(yīng)用，取得了一系列突破性的進展和成果，驗證了新型載體的實際應(yīng)用效果，并進而成功地將該技術(shù)應(yīng)用在生活污水、河道污水和工業(yè)廢水的治理中，在處理生活污水的過程中可以使污泥減量 60~75%，處理河道污水的過程中可以使污泥減量 70~85%。4 效益分析城市污水處理廠污泥安全處置工作有其艱巨性和復(fù)雜性，特別對于污水處理規(guī)模較小，污泥厭氧發(fā)酵無法實施的地方，污泥減量化污水處理技術(shù)的應(yīng)用將成為必要的選擇。通過該技術(shù)的實施，可以大量的減少剩余污泥的產(chǎn)量，減少填埋用地，節(jié)約土地資源，避免了對環(huán)境的二次污染。同時，由于污水處理廠對污泥處理量的減少，運行費用隨之降低，而且運行管理簡單，對促進我國水處理事業(yè)的發(fā)展有積極的影響。 該技術(shù)既可以用于生活污水的處理也可以用于工業(yè)廢水的處理，適用范圍比較廣，而且在處理污水的同時可以大量的減少剩余污泥的產(chǎn)量。不僅可以減少污水處理設(shè)備的投資，而且可以節(jié)省運行費用， 適于中小規(guī)模的生活污水處理及有機工業(yè)污水處理。5 合作方式技術(shù)轉(zhuǎn)讓或合作開發(fā)。

本課題研發(fā)用于海洋環(huán)境（海水及水產(chǎn)品）中病毒、致病菌等病 原微生物、重點針對可能引起人類疾病的細菌和病毒（如總桿菌數(shù)、 大腸桿菌、糞鏈球菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌、銅綠假單孢菌、金黃色葡萄球 菌、腺病毒、腸道病毒、甲肝病毒、副溶血弧菌、創(chuàng)傷弧菌、沙門氏 菌及李斯特菌）快速檢測的分子生物技術(shù)，為研制用于這些微生物的 現(xiàn)場監(jiān)測手段和設(shè)備奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。檢測方法采用基因芯片檢 測、蛋白質(zhì)檢測和聚合酶鏈式反應(yīng)（PCR）檢測三種

傳統(tǒng)發(fā)酵通常采用固態(tài)多菌種釀造，其功能微生物組成復(fù)雜，其形成的微生態(tài)在釀造的過程中一直處于動態(tài)的平衡，這種微生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的揭示對提升傳統(tǒng)釀造食品的營養(yǎng)價值、風味保持具有重要意義，通過現(xiàn)代的微生態(tài)技術(shù)，認識釀造微生物群落結(jié)構(gòu)及其功能，并加以理性應(yīng)用，既是重要的基礎(chǔ)科學問題，又是行業(yè)技術(shù)升級的關(guān)鍵。實驗室長期從事傳統(tǒng)釀造食品的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)實踐，與國內(nèi)的眾多 大型釀造企業(yè)，如鎮(zhèn)江恒順、瀘州老窖、山西老陳醋、張家界大德釀造、安徽胡玉美等保持著長期的產(chǎn)學研合作。近十多年來，針對白酒、黃酒、醬油（醬）、泡菜等傳統(tǒng)釀造食品，在系統(tǒng)研究釀造微生物功能的基礎(chǔ)上，理性設(shè)計功能調(diào)控手段，達到傳承工藝特色，穩(wěn)定發(fā)酵生產(chǎn)，提升產(chǎn)品品質(zhì)的目的。 創(chuàng)新要點 （1）系統(tǒng)建立了復(fù)雜釀造微生物群落結(jié)構(gòu)解析和微量代謝產(chǎn)物精確分析的技術(shù)體系，解決了妨礙定量研究傳統(tǒng)釀造食品微生物群落結(jié)構(gòu)以及精確其復(fù)雜組份的技術(shù)難題。 （2）創(chuàng)新了傳統(tǒng)釀造功能微生物高效篩選技術(shù)，從傳統(tǒng)食醋等釀造過程中分離獲得近百株背景明確、安全可靠、發(fā)酵性能優(yōu)良的微生物，形成了完備的釀造用菌種庫，包括乳酸菌、醋酸菌、酵母菌、米曲霉等。 （3）首次提出了傳統(tǒng)釀造菌群生物強化策略，構(gòu)建了釀造微生物群落功能強化技術(shù)體系并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，促進了傳統(tǒng)釀造生產(chǎn)的三個可控（釀造微生物群落功能可控、釀造過程可控、產(chǎn)品品質(zhì)可控）。

滇藏熱泉生態(tài)系統(tǒng)中蘊含著豐富的微生物資源，包含大量的系統(tǒng)發(fā)育位置未知且功能奇特的神秘、新穎的微生物類群。課題組結(jié)合宏基因組學測序技術(shù)和生物信息學手段從中重構(gòu)出14個具有甲烷/烷烴代謝能力的微生物基因組（圖1），其系統(tǒng)發(fā)育多樣性極高且獨特，廣泛分布于韋斯特古菌門、哪吒古菌門(Nezharchaeota)等TACK超級門中。值得一提的是，該課題組首次于奇古菌門(Thaumarchaeota)中發(fā)現(xiàn)其具有產(chǎn)甲烷功能。此前，奇古菌門以其好氧氨氧化能力而為眾人所熟知，而課題組首次對其厭氧狀態(tài)下產(chǎn)甲烷能力的發(fā)現(xiàn)表明我們目前對此門認知的局限性，神秘的自然界或?qū)⑦h遠超出我們的認知。此外，組學技術(shù)的發(fā)展或?qū)⒅敢覀儗ζ溥M化歷史進行更全面的認知。課題組對這些未知生命的代謝特征進行了揭示，并發(fā)現(xiàn)除卻傳統(tǒng)的氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌外，還有多種氫依賴的甲基營養(yǎng)性產(chǎn)甲烷菌，他們可吸收熱泉生態(tài)系統(tǒng)中多種甲基底物以完成甲烷的產(chǎn)生（圖2）。通過進化基因組分析，課題組還對古菌祖先的進化起源進行了推測，研究發(fā)現(xiàn)對于具有產(chǎn)甲烷能力的微生物類群，其甲烷代謝關(guān)鍵基因mcrABG相對較為保守，并無明顯的水平基因轉(zhuǎn)移時間發(fā)生；而對于烷烴氧化的微生物類群，水平基因轉(zhuǎn)移對其多樣性塑造有著深遠影響?；诩淄榇x基因的保守性，課題組對其祖先序列進行了序列重構(gòu)，從而來推測祖先序列的最適生長溫度，結(jié)果表明具有mcrABG標記基因的微生物類群或起源于高溫生境（圖3）。另外，由于 TACK和ASGARD超級門中，以及廣古菌門中大部分支系均具有甲烷/烷烴代謝能力，且相應(yīng)微生物相比其它同支系微生物有著更為悠久的進化歷史，因此，課題組猜測地球早期生命中，古菌的祖先或具有甲烷和烷烴代謝能力。

利用現(xiàn)代分子生物學方法對傳統(tǒng)抗血清制備技術(shù)進行改造，突破 了過去抗血清生產(chǎn)經(jīng)驗為主造成的不確定性和不系統(tǒng)性，提高了抗血 清制備的技術(shù)含量和生產(chǎn)效率。有效去除抗血清中的非特異性抗體， 從而實現(xiàn)抗體制備的標準化和規(guī)模化生產(chǎn)，同時也降低了生產(chǎn)成本。 免疫磁珠分離技術(shù)的最突出的優(yōu)點是特異性強，可以明顯提高檢 測的靈敏性，縮短病原體的檢測時間一至數(shù)天，并且可從復(fù)雜的樣品 中直接分離病原體，降低標本中抑制物的干擾，提高靈敏度。 已生產(chǎn)出 3 種診斷血清產(chǎn)品，包括“致病性大腸桿菌 O 抗原診 斷血清試劑盒”、“大腸桿菌 H 抗原全套診斷血清試劑盒”和“志賀氏菌 O 抗原全套診斷血清試劑盒”，共計 147 種高特異性抗體。 經(jīng)中 國 CDC 使用證實，該血清具有反應(yīng)速度快、特異性強的特點，與日 本生研同類血清質(zhì)量相當，遠優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品。 繼續(xù)在市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，再進行 11 種改類試劑盒的研發(fā)和生 產(chǎn)，填補國內(nèi)外市場空白。 本項目完成后，實施單位將可生產(chǎn) 12 種診斷血清試劑盒（包括 前期已完成開發(fā)的 3 種），按每個疾控中心每年需求每種試劑盒一套 計算，總需求量約 1200 套。此外，進出口檢驗檢疫單位對某些種類 的血清亦有一定需求，約為 300 套。按每套試劑盒平均 1 萬元的售價 計算，每年的市場可達 1500 萬元。 免疫磁珠分離試劑盒可廣泛應(yīng)用于臨床檢驗，食品檢驗，水質(zhì)／ 環(huán)境檢驗，獸藥檢驗等，市場非常之大，現(xiàn)主要的生產(chǎn)商為國外的 Dynal 和 Matrix 公司，以 Dynal 公司為例，其每年可創(chuàng)造數(shù)十億美元 的銷售額。由于依賴進口，國內(nèi)多家疾病預(yù)防控制和出入境檢驗檢疫 單位已經(jīng)向項目實施單位提出了產(chǎn)品的開發(fā)意向。該產(chǎn)品研發(fā)成本約 為每毫升 600 元，銷售價格在每毫升 2000 元左右，顯示了良好的市 場前景。