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對高分子化學有一定的理論基礎

近日，南開大學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會出版的權威教科書《微生物》（Microbe,3rd Edition）。該書由美國密歇根大學米歇爾·斯旺森教授等編寫，介紹微生物領域最基礎和核心的知識及原理，是國際上最經典和暢銷的微生物學教科書之一。

水生植物修復技術是一種成本少、耗能低、效果好的生物－生態新技術，即利用植物的吸收、吸附作用，富集導致水體富營養化的氮、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，使水體中藻類數量降低，提高水體透明度，達到化害為利、凈化水質的目的，實現水域資源的可持續發展和利用。針對不同生態環境污染，從現場環境中篩選和構建具有高效污染修復的水生植物- 微生物群落體系，更具有針對性強、適應性強、效率高、成本低和對原有生態環境沒有威脅等優點。

項目簡介水生植物修復技術是一種成本少、耗能低、效果好的生物－生態新技術，即利用植物的吸收、吸附作用，富集導致水體富營養化的氮、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，使水體中藻類數量降低，提高水體透明度，達到化害為利、凈化水質的目的，實現水域資源的可持續發展和利用。針對不同生態環境污染，從現場環境中篩選和構建具有高效污染修復的水生植物- 微生物群落體系，更具有針對性強、適應性強、效率高、成本低和對原有生態環境沒有威脅等優點。應用范圍北京大學工學院從選育耐鹽堿性植物新品種入手，研究并優化不同鹽堿程度下植物組合、配伍模式，構建鹽堿環境植被快速恢復技術。篩選高效耐鹽功能菌，利用耐鹽功能菌接種技術，進一步發揮微生物植物聯合修復作用，加快鹽堿環境改良進程。形成以生物為主，鹽堿環境改良與污水治理同步進行，實現鹽堿改良—污染治理—生態重建系統綜合技術的集成的鹽堿化濕地的修復與改良綜合技術體系。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合，已經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建，建立了對有機磷農藥和難降解有機物（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用在水環境以外的如土壤環境的修復中）篩選、培育，開發了從相應污染環境篩選具有有機物吸收或降解功能的水生植物的技術。微生物－植物耦合水體污染治理技術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，調節土壤中的水氣溫狀況，改變土壤結構與特性，改善有益微生物生存繁衍的環境。通過生物措施改良的鹽堿地脫鹽持久、穩定，且有利于水土保持以及維持生態平衡。

2 015 年我國實施了史上最嚴的環境保護法，對企業污染排放做出嚴格規定， 對違法排污企業懲罰力度大大加強。食品和藥品發酵企業的廢水/廢渣的資源化 利用是降低企業運行成本的有效途徑。發酵廢水/廢渣由于其有機質含量高、可 生化處理性好和成分相對穩定的特點，非常適用于微生物電化學產氫氣。 微生物電化學產氫所用到的裝置稱作微生物電解池。該裝置被質子交換膜分 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、質子和電子。質子和電子分別通過質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。整個裝置可以實現污水 中有機物的去除，同時回收氫氣。

我校生態研究中心王傳寬教授研究組在生態學著名學術期刊Global Ecology and Biogeography（環境科學與生態學1區，IF = 6.045）和土壤科學著名學術期刊Soil Biology and Biochemistry（農林科學1區，IF = 4.857）上相繼發表了題為“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學的演替干擾理論在微觀土壤微生物生態學中的應用，全球數據整合分析發現：生態對策理論和演替干擾理論可以成功地解釋生態系統進展演替和逆行演替中土壤微生物群落組成和結構的演變過程，不但推動了土壤微生物生態學研究的發展，而且對土壤固碳效應、生態系統模型等都有重要意義。 土壤微生物是陸地生態系統不可或缺的組分，是生物地球化學循環的重要調節者，在生態系統的穩定性、生產力和固碳效應的維持、生態系統服務功能的提供、生物多樣性保護等方面發揮著不可替代的作用。然而，土壤微生物群落結構極其復雜，1克土壤就含有高達10億個細菌和真菌細胞、由數萬種分類單元組成，從而給微觀生態學研究帶來了巨大挑戰。據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學理論應用到微生物研究中，發現生態系統進展演替過程中K-對策微生物越來越占優勢，而森林退化過程中（逆行演替）r-對策微生物越來越占優勢。他們還發現K-對策占優勢的微生物群落有利于土壤有機碳的固存，r-對策占優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微生物生態學的理論研究，而且將推進土壤微生物介導的碳循環過程的機理研究。

本團隊長期從事傳統釀造食品的應用基礎研究和產業實踐，與國內的眾多大型釀造企業，如鎮江恒順、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學研合作。近十多年來，針對白酒、黃酒、醬油（醬）、泡菜等傳統釀造食品，在系統研究釀造微生物功能的基礎上，理性設計功能調控手段，達到傳承工藝特色，穩定發酵生產，提升產品品質的目的。

1 成果簡介本項目在研發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，經過主持單位和協作單位的聯合攻關，經過 8 年的時間研究完成的。通過實驗室小試，開發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。采用設計的新型載體構建了中試裝置，進行現場中試和實際應用，取得了一系列突破性的進展和成果，并成功的將該項目應用在生活污水、河道污水和工業廢水的治理中，在項目研究過程中共申請國家發明專利 6 項（其中5 項已授權），實用新型 1 項，發表論文 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，開發出好氧-厭氧多次反復耦合原位污泥減量技術。 （ 2）對多孔載體的結構及對剩余污泥的截流效果進行了全面研究。設計了一種空隙率高、對污泥截流效果好的多孔載體。 （ 3）開發出以天然高分子為助凝劑的鐵鹽混凝除磷技術。 （ 4）實現了該技術的實際推廣應用，分別應用于處理城市生活污水、農村的生活污水、工業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 的中試實驗結果表明，運行效果穩定，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 的高濃度發酵制藥廢水（ COD 2000~3000 mg/L），運行近一年的實驗結果表明，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上，我們將該技術推廣應用于青島即墨市兩個社會主義新農村的生活污水處理（日處理量 150~180 噸），上海浦東區金家村農村生活污水處理（適于不同地理特點的 170 套反應器，服務人口 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藥廢水處理項目（日處理量 780 噸）。應用結果表明該技術可以有效地去除廢水中的有機物及氮，同時實現原污泥減量化，而且對于用常規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，具有廣闊的應用前景。2 技術指標生活污水經過處理后達到《城鎮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；工業污水由于種類較多，排放標準不一，需要根據具體的情況進行確定。3 應用說明本技術主要是應用于新建或者現有污水處理廠污泥減量、廢水處理方面。該技術利用多孔載體和定點曝氣技術，在反應器中實現了沿載體軸向、反應器水流和高度方向的多層次好氧-厭氧反復耦合環境，從而在同一個反應器中實現好氧-厭氧微生物反應的耦合。實驗室采用人工廢水的小試研究結果表明，該類耦合體系的 COD 去除率大于 90%，而與傳統廢水處理工藝相比，剩余污泥的產率可以減少 90%以上。 對該類耦合體系實現污泥減量的機理研究表明，好氧區增殖的污泥進入下游的厭氧區后發生死亡溶解釋放出胞內蛋白質等組分，進一步被降解成小分子物質，這些物質流入下游好氧區被污泥再次利用，強化了污泥的隱性增殖；而微型動物的穩定存在強化了捕食效應。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污泥減量效果，本研究設計開發了新型的多孔微生物載體。采用設計的新型載體構建了中試裝置，進行現場中試和實際應用，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用效果，并進而成功地將該技術應用在生活污水、河道污水和工業廢水的治理中，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雜性，特別對于污水處理規模較小，污泥厭氧發酵無法實施的地方，污泥減量化污水處理技術的應用將成為必要的選擇。通過該技術的實施，可以大量的減少剩余污泥的產量，減少填埋用地，節約土地資源，避免了對環境的二次污染。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的發展有積極的影響。 該技術既可以用于生活污水的處理也可以用于工業廢水的處理，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量。不僅可以減少污水處理設備的投資，而且可以節省運行費用， 適于中小規模的生活污水處理及有機工業污水處理。5 合作方式技術轉讓或合作開發。

滇藏熱泉生態系統中蘊含著豐富的微生物資源，包含大量的系統發育位置未知且功能奇特的神秘、新穎的微生物類群。課題組結合宏基因組學測序技術和生物信息學手段從中重構出14個具有甲烷/烷烴代謝能力的微生物基因組（圖1），其系統發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)中發現其具有產甲烷功能。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下產甲烷能力的發現表明我們目前對此門認知的局限性，神秘的自然界或將遠遠超出我們的認知。此外，組學技術的發展或將指引我們對其進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，并發現除卻傳統的氫營養型產甲烷菌外，還有多種氫依賴的甲基營養性產甲烷菌，他們可吸收熱泉生態系統中多種甲基底物以完成甲烷的產生（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，研究發現對于具有產甲烷能力的微生物類群，其甲烷代謝關鍵基因mcrABG相對較為保守，并無明顯的水平基因轉移時間發生；而對于烷烴氧化的微生物類群，水平基因轉移對其多樣性塑造有著深遠影響。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，從而來推測祖先序列的最適生長溫度，結果表明具有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。

本項目面對行業世界性技術難題，解決大腸桿菌包涵體產物妨礙重組蛋白質藥物生產的問題；建立我國自主知識產權的基因工程表達載體和體系。本項目通過深入了解蛋白質折疊過程、建立了微生物可溶性表達及后加工技術體系，通過多環節調控蛋白質折疊的策略，有效解決大腸桿菌包涵體難題，高效率低成本生產重組蛋白質藥物。在生產環節發明了多種基因工程高效表達和不同層次助溶新技術及其整合；在制備環節發明了基因工程表達產物分離純化及后加工新技術及其集成。本項目獲8件發明專利授權、含1件美國專利，專利全部獲得實施許可。本項目技術在美