完美,走进西湖大学鞠峰实验室：用微生物改变世界 活性污泥里的“小秘密”

焦点提醒：走进西湖年夜学鞠峰尝试室：用微生物改变世界 活性污泥里的“小奥秘”

作者：张弛

从中提取了青霉素的青霉菌、引发胃炎的幽门螺杆菌、用在发酵的酵母菌、甚至今朝囊括全球的新冠病毒，这些耳熟能详的名词，都有一个配合的称号——微生物。

这些具有在地球上几十亿年的细小生物，对地球天气的调理、生态均衡的保持、地球化学轮回有着不成替换的感化。但是，陪伴着人类文明的前进、工业革命的成长，地球呈现了各类问题：情况污染加重、天然资本紧缺、生物多样性被粉碎等。好在年夜天然的自我净化能够依托这些微生物“小大夫们”，来不竭调度地球“疾病”。

今天，是倡议环保的世界情况日，一路走进西湖年夜学工学院PI鞠峰的尝试室，来看看微生物是若何帮忙修复人类成长进程中给地球情况酿成的“创伤”。

鞠峰尝试室成员

活性污泥里的“小奥秘”

鞠峰的情况微生物组与生物手艺尝试室(EMBLab)位在西湖年夜学2号楼的顶楼，尝试室门口的海报清晰地引见了鞠峰的首要研究之一。

鞠峰尝试室门口的海报

今朝鞠峰率领的EMBLab首要处置情况学、微生物学与生态学的交叉学科研究，而“活性污泥与厌氧消化工艺和其微生物生态”恰是该尝试室的研究重点之一。

现今社会经济周全成长的同时，生态情况也面对很多压力，例如泥土、固体烧毁物、乐音，和水污染问题日趋严重。若何管理？

“其实全球年夜部门城市的糊口污水和工业废水都是经由过程污水处置厂来处置的。污水处置厂今朝首要依托三种路子来实现污水净化：物理感化、化学感化和生物感化。物理感化包罗不成溶在水的悬浮颗粒污染物的沉降分手；化学感化则是通����APP过外源化学试剂与污染物之间的化学反映来实现污水净化，可是本钱相对高而且可能会形成二次污染；生物感化则是基在微生物的新陈代谢进程来净化污水，这此中的最焦点和全球利用最普遍的工艺就是‘活性污泥’。”鞠峰对着海报引见道。

活性污泥絮体

活性污泥，简单理解是含有各类微生物的絮状污泥，污泥中的分歧类型微生物与废水中的无机养分物构成复杂的食品网关系。能够如许理解，像人一样，活性污泥中的微生物发展是需要年夜量耗损氧气的；有了氧气，它们就可以把这些污水中的无机碳和磷转化成本身的养分物资，剩下的产品就酿成二氧化碳。还一些微生物可经由过程硝化感化与反硝化感化处置含氮污染物，好比硝化细菌能够将氨氮氧化成亚硝酸盐与硝酸盐；反硝化细菌进一步将它们终究还原成氮气。而二氧化碳和氮气都能够顺遂排放到年夜气中，从而到达净化水质的目标。

活性污泥絮体内微生物品种和情况身分示企图

与此同时，一最先污水里经物理（与化学）法沉淀的年夜颗粒，则会搜集起来送入厌氧发酵罐，进行生物甲烷化制备。在厌氧消化进程中，糖类、卵白质、脂肪等能够被厌氧微生物加工处置后发生沼气，进一步纯化以后取得的生物甲烷能够用作汽车的燃料或用来发电。

在微生物感化下，污水获得了净化；同时，本来污水中的无机污染物还会被部门转化为可以或许被人类操纵的可再生资本。

“污水处置厂内产生的生化反映是十分复杂的，很难判定具体哪种微生物可以或许对污染物起决议感化，由于微生物之间也像人类社会一样，彼此感化、彼此影响而构成了重大的社会关系网。”鞠峰评价道。污水处置协同资本收受接管工艺中有哪些要害功能微生物？它们若何彼此感化？未来若何经由过程微生物组的精准调控来优化工艺进程？这些都是他的团队但愿进一步探讨的项目科学问题。

甚么是宏基因组学？

污水处置中， 微生物有各自的分工，反映步调环环相扣，假如此中一环出了问题，可能就会致使污水处置结果不尽如人意。怎样办？就像一个重大且运转有序的公司，我们需要领会每位员工的岗亭职责，才能在呈现问题时，第一时候找到“义务人”。

微生物十分细小且99%不被人类领会，怎样找 “义务人”？就似乎再类似的两小我，他们的基因也不会是全然不异的，微生物也一样，微生物的基因组就是它们的“身份证”。

经由过程对全球分歧污水处置厂活性污泥样品的采样阐发，和对某一个污水厂活性污泥的持久采样阐发，可有用揭露活性污泥中物种和基因在时候与空间标准上的演化纪律，并将这些转变与污水处置效能的转变进行年夜数据联系关系阐发，便可以猜测系统的微生物学驱念头制和工艺调控办法。这里就触及到一门新兴学科：

宏基因组学，这是一门经由过程研究从情况样品中间接收受接管的遗传物资来揭露微生物群落布局与功能的新兴学科。

“就像大师较为熟习的人类基因组打算，经由过程对人类的基因组进行测序，我们能够获得健康人群和疾病人群的基因组，经由过程对照阐发，便可以鉴定哪些是一般基因，哪些是不一般的。微生物也是一样的，乃至更简单一点；由于人的基因组数据大要是30亿个碱基对，可是细菌的基因组平均在4百万个碱基对摆布。经由过程研究情况样品中所有微生物照顾的基因组消息， 我们能够有用猜测它们的特点，好比说照顾哪些基因资本，有无致病性，有无抗生素耐药能力，它的耐药性有无传布给人类致病菌？”鞠峰注释道。

举个例子，此前鞠峰在喷鼻港年夜学攻读博士学位时，喷鼻港沙田污水处置厂在冬季会发生一种活性污泥起泡的现象，这对污水处置工艺影响很年夜，会致使泥水没法有用分手、出水水质超标。“我们操纵宏基因组学手段把年夜部门微生物表征出来，经由过程5年的持续采样阐发，将微生物生态与活性污泥起泡事务经由过程收集模子进行摹拟阐发，最初能猜测出减轻起泡运转问题的项目办法。”

再好比，活性污泥中的微生物也具有合作和捕食关系，这在动物和动物界中也遍及具有。那末，是否是能够操纵捕食性的微生物，往来来往除污水中难以经由过程物理和化学进程除失落的致病菌和抗生素耐药菌等无害细菌？经由过程宏基因组学阐发连系一些功能验证方式能够找出污泥中的捕食性微生物，判定它们作为“生物抗生素”匹敌无害细菌的潜能。这也是课题组正在追求冲破的一个根本研究标的目的。

操纵NGS和纳米孔测序手艺，鞠峰课题组正在进行基因组测序发掘。

今朝，宏基因组学的成长得益在NGS （Next Generation Sequencing，下一代测序手艺）的呈现和改良。为何研究情况中的微生物需要采纳测序的手段，而不采取保守的分手培育手段？“天然界傍边人类今朝已知的微生物实际上是只要很少一部门，可能只要1%，而基在我们的无限认知去分手培育微生物自己是一种限制。起首，受限在我们的先验常识，良多时辰我们其实不晓得该若何富集培育这类微生物。其次，良多微生物是以一种共生的形态具有，分手培育上操为难度很年夜。”鞠峰注释道，“NGS这类高通量测序手段，能一次对几十万到几百万条DNA份子进行序列读取，年夜年夜加速了微生物研究的程序。”

深海、湖泊、虫豸……鞠峰尝试室还在研究这里的微生物

在NGS这类手艺的帮忙下，科学家们加速了摸索微生物界的奥妙的历程。除污水处置中的微生物感化，鞠峰的研究团队也着眼在其他系统中的微生物与情况间的彼此感化：饮用水、深海、湖泊，乃至虫豸肠道，这里的微生物又有甚么样的“特殊的地方”？可以或许对情况修复有甚么样的帮忙？

饮用水里的它——评估耐药风险

关在细菌的抗生素耐药性，良多人已意想到问题的严峻性，最先去避免滥用抗生素。部门科学家在研究进程中，发觉长三角这一带的儿童体内含有兽用的抗生素，这申明我们的食品和饮用水很有可能已被抗生素污染了。

兽用抗生素首要用在水产畜牧的养殖，能够用来防病和促发展。“我们操纵宏基因组学手段去检测情况样品傍边的抗生素耐药性基因，经由过程测序以后，我们操纵生物消息学阐发，便可以判定样品有哪些抗生素（好比年夜环内脂、四环素等）的耐药基因。假如能将全球各地关在抗生素耐药基因组的数据整合起来，我们便可以测验考试经由过程一些算法去猜测与评估情况耐药的健康风险。”

湖泊里的它——降解蓝藻毒素

在此刻的天气前提布景下，我们常常看到水体变绿的现象，这是由于里面有年夜量的蓝藻滋生，一部门蓝藻会发生蓝藻毒素，它能够经由过程饮水或食品链进入人体，而这类物资是对人体无害的。

前人云，毒蛇出没的地方，七步以内必有解药，这说的是天然界的“阴阳均衡”和“恶马恶人骑”。所以藻类污染水源的处理方式也在水里的微生物身上。

尽人皆知，水有自净能力，鞠峰课题组收集了江浙一带主要的水源地——太湖的水体样品，在样品中插手从藻类中提掏出的毒素，不雅察水体土著微生物的毒素降解能力，以摸索哪些微生物能降解这类毒素和如许的自净能力可否包管水源的平安。

深海里的它——判定人类勾当的影响

从饮用水到湖泊，鞠峰团队的眼光还投向地球上最广漠的水体——海洋。操纵NGS和纳米孔测序手艺，鞠峰课题组正在对从马里亚纳海沟年夜约11000米堆积物中发觉的新菌株进行基因组测序发掘。

对海洋来讲，微生物阐扬的感化很是年夜，且年夜部门微生物具有在深海堆积物里。最近几年来科学界从海洋深处发觉了人工合成的可延续性无机污染物，这申明人类勾当其实对马里亚纳海沟这些深海情况都形成了一些影响。操纵二三代测序手艺检测深海样品中的特定污染物代谢基因与耐药基因，可判定人类勾当会对海洋形成甚么样的影响。

虫豸肠道的它——降解无机物

上面说起的海洋中难以降解的无机物包罗了人类丢掷的塑料垃圾。有无一些微生物可以或许消化这类塑料污染物？

从虫豸肠道平分离出一株细菌能经由过程塑料薄膜降解发展

鞠峰团队发觉了一种虫豸物种能咬食保鲜膜，进而从这类虫豸肠道平分离出一些细菌和真菌，发觉不但是保鲜膜，这些菌株对其它塑料一样也有降解效能。下一步他们将继续研究这类虫豸的肠道是排泄甚么物资来降解塑料的，并摸索可否找到一些塑料降解的新方式。

玛丽·诺顿描写的“地板下的小人”，在我们看不见的世界里各有分工、自成一套系统，糊口得层次分明。微生物也像这些“小人”一样，在肉眼不成见的世界里，均衡着天然、阐扬着本身的感化。

关在庇护情况、管理污染，微生物阐扬着它们的感化，那末人类呢？我们能做些甚么？也许我们不克不及像科学家一样研究污染管理的道理，可是我们能够从身旁做起，从小事做起，顺手关灯、节俭用水、慎用抗生素，我们还能够罕用塑料成品，寻觅绿色环保替换品……公平易近社会，看似每小我能做的事很小，可是当所有人的尽力加到一路时，便可以成为一股不成轻忽的气力。

来历：西湖年夜学公共事务部