广东省科学院微生物研究所副所长许玫英:发挥微生物在水产养殖环

  广东省科学院微生物研究所(以下简称“微生物所”)副所长许玫英从事微生物学研究25年,在微生物治理环境污染的理论和技术研究中取得多项创新性科研成果,带领团队构建了微生物生态网络调控响应研究体系,发现了多种电活性微生物新型代谢及电子传递机制,挖掘到多种有毒有机物的降解基因元件,合成了多个高效降解功能微生物组,建立了多项毒害性有机污染物的微生物强化治理技术。

  近日,记者就有关微生物在水体污染治理方面的问题采访了许玫英,她表示今后微生物技术将在水产养殖水质调控与污染治理方面发挥越来越大的作用。

  许玫英:改革开放后,我国工业快速发展,但由于基础设施不完善、技术水平较低、环保意识不够强等多方面的原因,水体污染问题日益凸显。我们所的环境微生物研究发展中心一直致力于环境污染的微生物强化治理理论与技术研究,早期主要关注工业废水及黑臭水体治理问题。在治理黑臭水体的过程中,我们怀疑养殖池塘的水质情况极有可能是影响周边水环境质量的重要因素。一次偶然的机会,我们承担了一项有关水产养殖污染评估及整治的研究项目,对珠江三角洲某淡水养殖主产区的水体污染特征及其对外污染贡献度开展了调研。这次调研的结果的确表明,养殖池塘的水质情况与周边的水环境质量密切相关。与工厂化养殖模式相比,由于分散式、高密度养殖池塘的养殖和管理模式相对较粗放,水体污染程度也相对较高。这些养殖池塘的尾水如果不经过净化处理就直接往外排放,对周边受纳水体将造成较大的冲击,引起水体富营养化,甚至导致水质恶化。此外,养殖过程中某些投入品在水体中的残留很容易通过生物蓄积作用而在水生动物体内累积,并通过食物链逐级放大,最终影响人体健康。所谓养鱼先养水,经过这次调研,我们团队更加深刻地认识到水产养殖水体污染治理的必要性和紧迫性。

  《海洋与渔业》:针对调研的情况,你们从微生物治理的角度提出了怎样的解决方案?

  许玫英:我们通过与海大集团等多家水产养殖企业紧密合作,系统分析了水产养殖污染的成因和特点,尤其是不同养殖模式的污染特征与微生物群落结构相关性。在这个基础上,我们以微生物代谢网络调控理论为指导,建立了华南地区规模最大的水产养殖环境净化功能菌种资源与信息库,通过研制新型环保养殖饲料、发明复合型微生态调控剂、建立功能微生物特异性强化治理关键技术,结合精准投喂养殖模式的创新,形成了兼顾水产养殖源头减排、过程调控和末端强化治理等多个环节的水体净化技术体系。这套技术不仅有效克服了传统技术的盲目性、片面性和不稳定性,显著降低饲料系数及病虫害发生率,而且基本上不会给养殖户增加养殖成本。

  《海洋与渔业》:微生物在养殖水体污染治理中是如何发挥作用的?常用的方法是什么?

  许玫英:微生物是生态系统的分解者,水体污染治理过程就是利用微生物的分解功能。不同功能特点的微生物都有各自的最适生长条件。比如硝化细菌、反硝化细菌、除磷菌、硫氧化菌和有机物降解菌等功能菌种对营养组成、pH、溶解氧等环境条件的需求就存在较大的差异。此外,在实际污染治理过程中,微生物往往是通过与周围的生物和非生物因素组成代谢网络的形式共同发挥作用的。因此,只有结合微生物代谢网络的理性构建和环境参数的定向调节,为微生物创造一个合适的微环境,才能保证目标功能菌种在处理系统中的顺利定殖和活性的高效发挥。

  污水处理中常用的微生物方法包括厌氧微生物处理法和好氧微生物处理法。在实际应用中,通常是将厌氧法和好氧法相结合,通过曝气充氧、投加填料、种植水草等措施为微生物构建合适的微环境。与工业污水相比,水产养殖水体中污染物的浓度相对较低。为了实现对水体中低浓度污染物的高效去除,必须采用对污染物具有较高的捕获降解功能活性的微生物,因此对微生物技术也提出了更高的要求。

  与此同时,养殖池塘底泥的污染也不可忽视。养殖池塘底泥是鱼类残饵、排泄物、渔药等残留物的蓄积场所。在养殖过程中,这些蓄积在底泥中的污染物很容易重悬或释放到上覆水中而造成水体的二次污染。目前对于养殖池塘底泥污染的治理通常采用清塘,将养殖底泥挖走进行异地处理。但是,频繁的清塘活动不仅给生产过程带来极大的不便、降低养殖收益,而且所清理出来的底泥在运输过程中还很容易造成污染转移。其实底泥里面也有很多具有污染治理功能的微生物,但是由于环境条件不合适而使这些微生物的功能发挥不出来。通过合理使用底质改良剂对底泥环境进行调控,可以在很大程度上促进底泥中污染物的原位降解转化。

  针对水体和底泥污染治理难题,我们建立了水体复合污染的多界面微生物强化治理技术,并且在广东省多个水产养殖主产区进行推广应用,取得较好的效果。这项技术已获得了2018年度的广东省科技进步奖一等奖。非常希望能进一步与业内加强合作,让微生物技术在水产养殖水体治理中发挥更大的作用。

  许玫英:正如中国工程院院士、我们研究所的名誉所长吴清平研究员在今年的两会上所呼吁的:微生物战略资源短缺已严重制约我国微生物产业发展,核心菌种自给率低,微生物科学数据的开发和使用也存在明显不足。这种现象在我国的水产养殖行业中也相当突出。目前我国用于水产养殖水质净化的微生物菌种大部分仍依赖进口,不仅成本高,而且还存在外源微生物菌种难以有效定殖和发挥作用的问题,甚至还存在外来物种入侵的潜在生物安全问题。因此,我们需要尽快挖掘本土的功能菌种,为水产养殖环境修复提供重要的微生物资源与信息保障。

  最近我们研究所在水环境污染的微生物治理理论和技术方面又取得了多项新进展。其中,最令人兴奋的就是有关电活性微生物及其电子传递机制方面的新发现。我们知道,污染物的降解转化过程本质上就是电子的传递过程。电活性微生物是一类可以通过胞外电子传递过程驱动污染物降解转化的微生物。电缆细菌(Cablebacteria)是近几年在水体沉积物中广泛发现的一类新型的电活性微生物。它们可以通过多个细胞首尾相连而形成长达几个厘米的长线状导电菌丝,驱动沉积物上层氧气还原耦合底部硫化物氧化的产电硫氧化过程。我们还在珠三角的水体底泥中发现了多种新型的长线状电活性微生物,包括单个细胞长度超过1毫米、具有双向电子传递功能、可通过纳米导线形成长距离电子传递网络的变形赖氨酸芽胞杆菌,又称为“电网细菌(e-Netbacteria)”。要知道,普通的细菌长度都是微米级的。长线状电活性微生物可以利用其长度达到毫米、甚至厘米尺度的细胞结构,跨越多个氧化还原梯度,从而更加节能、高效地驱动污染物的降解转化。这些研究发现最近已陆续发表在Nature的子刊《NatureCommunications》及其旗下生态学著名期刊《TheISMEJournal》。

  目前微生物所已经与国际上首次发现电缆细菌的丹麦科学家LarsPeterNielsen建立了紧密的合作伙伴关系,并且与国际顶级的电微生物学研究机构“丹麦国家电微生物学中心(CenterforEletromicrobiology)”共建了“中国-丹麦电微生物学国际联合研究中心”。这些研究发现和平台条件将为水产养殖环境微生物治理新技术的建立和发展提供有力的支撑保障。

  ▲广泛存在于底泥中、具有跨越氧化还原环境进行长距离电子传递功能的电缆细菌

  个人简介:许玫英,博士,研究员,博士生导师。现任华南应用微生物国家重点实验室副主任,广东省科学院微生物研究所副所长。长期致力于环境微生物学研究,在微生物治理环境污染的理论和技术研究中取得多项创新性科研成果。先后承担了“973”、“863”、国家自然科学基金重点项目等40多项国家和省部级科研项目。(出处:海洋与渔业杂志)