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近日，南開大學(xué)王磊教授團隊首次揭示霍亂大流行菌株起源和完整進化途徑的研究成果，被寫入美國微生物學(xué)會出版的權(quán)威教科書《微生物》（Microbe,3rd Edition）。該書由美國密歇根大學(xué)米歇爾·斯旺森教授等編寫，介紹微生物領(lǐng)域最基礎(chǔ)和核心的知識及原理，是國際上最經(jīng)典和暢銷的微生物學(xué)教科書之一。

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(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(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(yán)的環(huán)境保護法，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。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(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(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(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，該研究團隊成功地將宏觀生態(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(xué)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(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(xué)人員歸國基金、教育部博士點基金、自然科學(xué)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(yuǎn)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(biāo)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(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)。

滇藏?zé)崛鷳B(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(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化歷史進行更全面的認(rèn)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(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)的基因工程表達載體和體系。本項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)明了基因工程表達產(chǎn)物分離純化及后加工新技術(shù)及其集成。本項目獲8件發(fā)明專利授權(quán)、含1件美國專利，專利全部獲得實施許可。本項目技術(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。