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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(shí)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(dá)到化害為利、凈化水質(zhì)的目的，實(shí)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(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、效率高、成本低和對原有生態(tài)環(huán)境沒有威脅等優(yōu)點(diǎn)。

項(xiàng)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(shí)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(dá)到化害為利、凈化水質(zhì)的目的，實(shí)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(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、效率高、成本低和對原有生態(tài)環(huán)境沒有威脅等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用范圍北京大學(xué)工學(xué)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(jìn)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(jìn)程。形成以生物為主，鹽堿環(huán)境改良與污水治理同步進(jìn)行，實(shí)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(xiàng)目階段北京大學(xué)工學(xué)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(jī)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(jī)磷農(nóng)藥和難降解有機(jī)物（壬基酚等）具有高效分解能力的微生物菌群（同時(shí)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(jī)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(jī)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(shí)施了史上最嚴(yán)的環(huán)境保護(hù)法，對企業(yè)污染排放做出嚴(yán)格規(guī)定， 對違法排污企業(yè)懲罰力度大大加強(qiáng)。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(yùn)行成本的有效途徑。發(fā)酵廢水/廢渣由于其有機(jī)質(zhì)含量高、可 生化處理性好和成分相對穩(wěn)定的特點(diǎn)，非常適用于微生物電化學(xué)產(chǎn)氫氣。 微生物電化學(xué)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(jī)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(dá)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(shí)現(xiàn)污水 中有機(jī)物的去除，同時(shí)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(xué)著名學(xué)術(shù)期刊Global Ecology and Biogeography（環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)1區(qū)，IF = 6.045）和土壤科學(xué)著名學(xué)術(shù)期刊Soil Biology and Biochemistry（農(nóng)林科學(xué)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(xué)的演替干擾理論在微觀土壤微生物生態(tài)學(xué)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(jìn)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(xué)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(xué)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(hù)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(dá)10億個細(xì)菌和真菌細(xì)胞、由數(shù)萬種分類單元組成，從而給微觀生態(tài)學(xué)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(tuán)隊(duì)成功地將宏觀生態(tài)學(xué)理論應(yīng)用到微生物研究中，發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)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(jī)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(xué)的理論研究，而且將推進(jìn)土壤微生物介導(dǎo)的碳循環(huán)過程的機(jī)理研究。

本團(tuán)隊(duì)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(shí)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(xué)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(jì)功能調(diào)控手段，達(dá)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(xiàng)目在研發(fā)過程中得到了教育部留學(xué)人員歸國基金、教育部博士點(diǎn)基金、自然科學(xué)基金、國家科技支撐計(jì)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(shí)間研究完成的。通過實(shí)驗(yàn)室小試，開發(fā)出可將污泥停留時(shí)間和水力停留時(shí)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(jī)理。采用設(shè)計(jì)的新型載體構(gòu)建了中試裝置，進(jìn)行現(xiàn)場中試和實(shí)際應(yīng)用，取得了一系列突破性的進(jìn)展和成果，并成功的將該項(xiàng)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(xiàng)目研究過程中共申請國家發(fā)明專利 6 項(xiàng)（其中5 項(xiàng)已授權(quán)），實(shí)用新型 1 項(xiàng)，發(fā)表論文 30 余篇，翻譯教材 2 部。 該項(xiàng)目在實(shí)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(shí)對污泥減量化的作用機(jī)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(jìn)行了全面研究。設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了該技術(shù)的實(shí)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(jìn)行的運(yùn)行兩年的 103/d 的中試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)行效果穩(wěn)定，在水力停留時(shí)間為 12h 時(shí)，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(yùn)行近一年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在水力停留時(shí)間為 27h 時(shí)，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(yàn)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(diǎn)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(yuǎn)生物化工有限公司的農(nóng)藥廢水處理項(xiàng)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(jī)物及氮，同時(shí)實(shí)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(jī)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(jìn)行處理，運(yùn)行管理簡單，運(yùn)行成本低，具有廣闊的應(yīng)用前景。2 技術(shù)指標(biāo)生活污水經(jīng)過處理后達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn) GB18918-2002》一級B 排放標(biāo)準(zhǔn)；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(biāo)準(zhǔn)不一，需要根據(jù)具體的情況進(jìn)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(diǎn)曝氣技術(shù)，在反應(yīng)器中實(shí)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(shí)現(xiàn)好氧-厭氧微生物反應(yīng)的耦合。實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)污泥減量的機(jī)理研究表明，好氧區(qū)增殖的污泥進(jìn)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(jìn)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(qiáng)化了污泥的隱性增殖；而微型動物的穩(wěn)定存在強(qiáng)化了捕食效應(yīng)。整個過程伴隨著 CO2、 N2 的釋放，使得進(jìn)水中有機(jī)物以氣體形式脫離體系，從而實(shí)現(xiàn)了廢水的凈化處理和剩余污泥的原位減量。 為了進(jìn)一步將污泥停留時(shí)間和水力停留時(shí)間分離以實(shí)現(xiàn)污泥減量效果，本研究設(shè)計(jì)開發(fā)了新型的多孔微生物載體。采用設(shè)計(jì)的新型載體構(gòu)建了中試裝置，進(jìn)行現(xiàn)場中試和實(shí)際應(yīng)用，取得了一系列突破性的進(jìn)展和成果，驗(yàn)證了新型載體的實(shí)際應(yīng)用效果，并進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)，由于污水處理廠對污泥處理量的減少，運(yùn)行費(fèi)用隨之降低，而且運(yùn)行管理簡單，對促進(jìn)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(shí)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(yùn)行費(fèi)用， 適于中小規(guī)模的生活污水處理及有機(jī)工業(yè)污水處理。5 合作方式技術(shù)轉(zhuǎn)讓或合作開發(fā)。

滇藏?zé)崛鷳B(tài)系統(tǒng)中蘊(yùn)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(xué)測序技術(shù)和生物信息學(xué)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(dú)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(rèn)知的局限性，神秘的自然界或?qū)⑦h(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的認(rèn)知。此外，組學(xué)技術(shù)的發(fā)展或?qū)⒅敢覀儗ζ溥M(jìn)化歷史進(jìn)行更全面的認(rèn)知。課題組對這些未知生命的代謝特征進(jìn)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(jìn)化基因組分析，課題組還對古菌祖先的進(jìn)化起源進(jìn)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(shí)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(yuǎn)影響。基于甲烷代謝基因的保守性，課題組對其祖先序列進(jìn)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(biāo)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(jìn)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。

本項(xiàng)目面對行業(yè)世界性技術(shù)難題，解決大腸桿菌包涵體產(chǎn)物妨礙重組蛋白質(zhì)藥物生產(chǎn)的問題；建立我國自主知識產(chǎn)權(quán)的基因工程表達(dá)載體和體系。本項(xiàng)目通過深入了解蛋白質(zhì)折疊過程、建立了微生物可溶性表達(dá)及后加工技術(shù)體系，通過多環(huán)節(jié)調(diào)控蛋白質(zhì)折疊的策略，有效解決大腸桿菌包涵體難題，高效率低成本生產(chǎn)重組蛋白質(zhì)藥物。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)發(fā)明了多種基因工程高效表達(dá)和不同層次助溶新技術(shù)及其整合；在制備環(huán)節(jié)發(fā)明了基因工程表達(dá)產(chǎn)物分離純化及后加工新技術(shù)及其集成。本項(xiàng)目獲8件發(fā)明專利授權(quán)、含1件美國專利，專利全部獲得實(shí)施許可。本項(xiàng)目技術(shù)在美

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(diǎn)針對可能引起人類疾病的細(xì)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?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）檢測三種。

本發(fā)明公開了一種微生物燃料電池的復(fù)合陽極及其制備方法。本發(fā)明復(fù)合陽極為負(fù)載季銨鹽為官能 團(tuán)的聚合物和導(dǎo)電碳粉的活性炭顆粒填料陽極，活性炭顆粒的多孔結(jié)構(gòu)附著面積大、提高了負(fù)載量。通 過將用含有負(fù)載季銨鹽為官能團(tuán)的聚合物和導(dǎo)電碳粉的混合液澆鑄活性炭顆粒填料陽極，烘干后即得到 復(fù)合陽極。本發(fā)明復(fù)合陽極在無任何外加 pH 緩沖鹽時(shí)，季銨化陰離子交換聚合物作為一種固態(tài) pH 緩 沖物質(zhì)能加快陰離子傳遞到陽極，避免了陽極 pH 下降導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。季銨