作者：張弛
從中提取了青霉素的青霉菌、引起胃炎的幽門螺桿菌、用于發(fā)酵的酵母菌、乃至目前席卷全球的新冠病毒，這些耳熟能詳?shù)拿~，都有一個(gè)共同的稱呼——微生物。
這些存在于地球上幾十億年的微小生物，對(duì)地球氣候的調(diào)節(jié)、生態(tài)平衡的維持、地球化學(xué)循環(huán)有著不可替代的作用。然而，伴隨著人類文明的進(jìn)步、工業(yè)革命的發(fā)展，地球出現(xiàn)了各種問題：環(huán)境污染加劇、自然資源緊缺、生物多樣性被破壞等。好在大自然的自我凈化可以依靠這些微生物“小醫(yī)生們”，來不斷調(diào)理地球“疾病”。
今天，是倡議環(huán)保的世界環(huán)境日，一起走進(jìn)西湖大學(xué)工學(xué)院PI鞠峰的實(shí)驗(yàn)室，來看看微生物是如何幫助修復(fù)人類發(fā)展過程中給地球環(huán)境造成的“創(chuàng)傷”。
鞠峰實(shí)驗(yàn)室成員
活性污泥里的“小秘密”
鞠峰的環(huán)境微生物組與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(EMBLab)位于西湖大學(xué)2號(hào)樓的頂樓，實(shí)驗(yàn)室門口的海報(bào)清楚地介紹了鞠峰的主要研究之一。
鞠峰實(shí)驗(yàn)室門口的海報(bào)
目前鞠峰帶領(lǐng)的EMBLab主要從事環(huán)境學(xué)、微生物學(xué)與生態(tài)學(xué)的交叉學(xué)科研究，而“活性污泥與厭氧消化工藝及其微生物生態(tài)”正是該實(shí)驗(yàn)室的研究重點(diǎn)之一。
當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)全面發(fā)展的同時(shí)，生態(tài)環(huán)境也面臨不少壓力，例如土壤、固體廢棄物、噪音，以及水污染問題日益嚴(yán)峻。如何治理？
“其實(shí)全球大部分城市的生活污水以及工業(yè)廢水都是通過污水處理廠來處理的。污水處理廠目前主要依靠三種途徑來實(shí)現(xiàn)污水凈化：物理作用、化學(xué)作用和生物作用。物理作用包括不可溶于水的懸浮顆粒污染物的沉降分離；化學(xué)作用則是通過外源化學(xué)試劑與污染物之間的化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)污水凈化，但是成本相對(duì)高并且可能會(huì)造成二次污染；生物作用則是基于微生物的新陳代謝過程來凈化污水，這其中的最核心和全球應(yīng)用最廣泛的工藝就是‘活性污泥’。”鞠峰對(duì)著海報(bào)介紹道。
活性污泥絮體
活性污泥，簡(jiǎn)單理解是含有各種微生物的絮狀污泥，污泥中的不同類型微生物與廢水中的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物形成復(fù)雜的食物網(wǎng)關(guān)系�？梢赃@樣理解，像人一樣，活性污泥中的微生物生長(zhǎng)是需要大量消耗氧氣的；有了氧氣，它們就能把這些污水中的有機(jī)碳和磷轉(zhuǎn)化成自身的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，剩下的產(chǎn)物就變成二氧化碳。還有一些微生物可通過硝化作用與反硝化作用處理含氮污染物，比如硝化細(xì)菌可以將氨氮氧化成亞硝酸鹽與硝酸鹽；反硝化細(xì)菌進(jìn)一步將它們最終還原成氮?dú)�。而二氧化碳和氮�(dú)舛伎梢皂樌欧诺酱髿庵�，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。
活性污泥絮體內(nèi)微生物種類和環(huán)境因素示意圖
與此同時(shí)，一開始污水里經(jīng)物理（與化學(xué)）法沉淀的大顆粒，則會(huì)收集起來送入?yún)捬醢l(fā)酵罐，進(jìn)行生物甲烷化制備。在厭氧消化過程中，糖類、蛋白質(zhì)、脂肪等可以被厭氧微生物加工處理后產(chǎn)生沼氣，進(jìn)一步純化之后獲得的生物甲烷可以用作汽車的燃料或者用來發(fā)電。
在微生物作用下，污水得到了凈化；同時(shí)，原本污水中的有機(jī)污染物還會(huì)被部分轉(zhuǎn)化為能夠被人類利用的可再生資源。
“污水處理廠內(nèi)發(fā)生的生化反應(yīng)是十分復(fù)雜的，很難判斷具體哪一種微生物能夠?qū)ξ廴疚锲饹Q定作用，因?yàn)槲⑸镏g也像人類社會(huì)一樣，相互作用、相互影響而形成了龐大的社會(huì)關(guān)系網(wǎng)。”鞠峰評(píng)價(jià)道。污水處理協(xié)同資源回收工藝中有哪些關(guān)鍵功能微生物？它們?nèi)绾蜗嗷プ饔�？將來如何通過微生物組的精準(zhǔn)調(diào)控來優(yōu)化工藝過程？這些都是他的團(tuán)隊(duì)希望進(jìn)一步探究的工程科學(xué)問題。
什么是宏基因組學(xué)？
污水處理中， 微生物有各自的分工，反應(yīng)步驟環(huán)環(huán)相扣，如果其中一環(huán)出了問題，可能就會(huì)導(dǎo)致污水處理效果不盡如人意。怎么辦？就像一個(gè)龐大且運(yùn)轉(zhuǎn)有序的公司，我們需要了解每一位員工的崗位職責(zé)，才能在出現(xiàn)問題時(shí)，第一時(shí)間找到“責(zé)任人”。
微生物十分微小且99%不被人類了解，怎么找 “責(zé)任人”？就好像再相似的兩個(gè)人，他們的基因也不會(huì)是全然相同的，微生物也一樣，微生物的基因組就是它們的“身份證”。
通過對(duì)全球不同污水處理廠活性污泥樣品的采樣分析，以及對(duì)某一個(gè)污水廠活性污泥的長(zhǎng)期采樣分析，可有效揭示活性污泥中物種和基因在時(shí)間與空間尺度上的演變規(guī)律，并將這些變化與污水處理效能的變化進(jìn)行大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，就可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)的微生物學(xué)驅(qū)動(dòng)機(jī)制和工藝調(diào)控措施。這里就涉及到一門新興學(xué)科：
宏基因組學(xué)，這是一門通過研究從環(huán)境樣品中直接回收的遺傳物質(zhì)來揭示微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的新興學(xué)科。
“就像大家較為熟悉的人類基因組計(jì)劃，通過對(duì)人類的基因組進(jìn)行測(cè)序，我們可以得到健康人群和疾病人群的基因組，通過對(duì)比分析，就可以判定哪些是正�；颍男┦遣徽５�。微生物也是一樣的，甚至更簡(jiǎn)單一點(diǎn)；因?yàn)槿说幕蚪M數(shù)據(jù)大概是30億個(gè)堿基對(duì)，但是細(xì)菌的基因組平均在4百萬個(gè)堿基對(duì)左右。通過研究環(huán)境樣品中所有微生物攜帶的基因組信息， 我們可以有效預(yù)測(cè)它們的特點(diǎn)，比如說攜帶哪些基因資源，有沒有致病性，有沒有抗生素耐藥能力，它的耐藥性有沒有傳播給人類致病菌？”鞠峰解釋道。
舉個(gè)例子，此前鞠峰在香港大學(xué)攻讀博士學(xué)位時(shí)，香港沙田污水處理廠在冬季會(huì)產(chǎn)生一種活性污泥起泡的現(xiàn)象，這對(duì)污水處理工藝影響很大，會(huì)導(dǎo)致泥水無法有效分離、出水水質(zhì)超標(biāo)。“我們利用宏基因組學(xué)手段把大部分微生物表征出來，通過5年的連續(xù)采樣分析，將微生物生態(tài)與活性污泥起泡事件通過網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行模擬分析，最后能預(yù)測(cè)出減輕起泡運(yùn)行問題的工程措施。”
再比如，活性污泥中的微生物也存在競(jìng)爭(zhēng)和捕食關(guān)系，這在動(dòng)物和植物界中也普遍存在。那么，是不是可以利用捕食性的微生物，來去除污水中難以通過物理和化學(xué)過程除掉的致病菌和抗生素耐藥菌等有害細(xì)菌？通過宏基因組學(xué)分析結(jié)合一些功能驗(yàn)證方法可以找出污泥中的捕食性微生物，判斷它們作為“生物抗生素”對(duì)抗有害細(xì)菌的潛能。這也是課題組正在尋求突破的一個(gè)基礎(chǔ)研究方向。
利用NGS和納米孔測(cè)序技術(shù)，鞠峰課題組正在進(jìn)行基因組測(cè)序挖掘。
目前，宏基因組學(xué)的發(fā)展得益于NGS （Next Generation Sequencing，下一代測(cè)序技術(shù)）的出現(xiàn)和改進(jìn)。為什么研究環(huán)境中的微生物需要采取測(cè)序的手段，而不采用傳統(tǒng)的分離培養(yǎng)手段？“自然界當(dāng)中人類目前已知的微生物其實(shí)是只有很少一部分，可能只有1%，而基于我們的有限認(rèn)知去分離培養(yǎng)微生物本身是一種限制。首先，受限于我們的先驗(yàn)知識(shí)，很多時(shí)候我們并不知道該如何富集培養(yǎng)這種微生物。其次，很多微生物是以一種共生的形態(tài)存在，分離培養(yǎng)上操作難度很大。”鞠峰解釋道，“NGS這種高通量測(cè)序手段，能一次對(duì)幾十萬到幾百萬條DNA分子進(jìn)行序列讀取，大大加快了微生物研究的步伐。”
深海、湖泊、昆蟲……鞠峰實(shí)驗(yàn)室還在研究這里的微生物
在NGS這種技術(shù)的幫助下，科學(xué)家們加快了探索微生物界的奧秘的進(jìn)程。除了污水處理中的微生物作用，鞠峰的研究團(tuán)隊(duì)也著眼于其他體系中的微生物與環(huán)境間的相互作用：飲用水、深海、湖泊，甚至昆蟲腸道，這里的微生物又有什么樣的“特別之處”？能夠?qū)Νh(huán)境修復(fù)有什么樣的幫助？
飲用水里的它——評(píng)估耐藥風(fēng)險(xiǎn)
關(guān)于細(xì)菌的抗生素耐藥性，很多人已經(jīng)意識(shí)到問題的嚴(yán)重性，開始去避免濫用抗生素。部分科學(xué)家在研究過程中，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)三角這一帶的兒童體內(nèi)含有獸用的抗生素，這說明我們的食物和飲用水很有可能已經(jīng)被抗生素污染了。
獸用抗生素主要用于水產(chǎn)畜牧的養(yǎng)殖，可以用來防病和促生長(zhǎng)。“我們利用宏基因組學(xué)手段去檢測(cè)環(huán)境樣品當(dāng)中的抗生素耐藥性基因，通過測(cè)序之后，我們利用生物信息學(xué)分析，就可以判斷樣品有哪些抗生素（比如大環(huán)內(nèi)脂、四環(huán)素等）的耐藥基因。如果能將全球各地關(guān)于抗生素耐藥基因組的數(shù)據(jù)整合起來，我們就可以嘗試通過一些算法去預(yù)測(cè)與評(píng)估環(huán)境耐藥的健康風(fēng)險(xiǎn)。”
湖泊里的它——降解藍(lán)藻毒素
在現(xiàn)在的氣候條件背景下，我們經(jīng)�？吹剿w變綠的現(xiàn)象，這是因?yàn)槔锩嬗写罅康乃{(lán)藻繁殖，一部分藍(lán)藻會(huì)產(chǎn)生藍(lán)藻毒素，它可以通過飲水或食物鏈進(jìn)入人體，而這種物質(zhì)是對(duì)人體有害的。
古人云，毒蛇出沒之處，七步之內(nèi)必有解藥，這說的是自然界的“陰陽平衡”和“相生相克”。所以藻類污染水源的解決方法也在水里的微生物身上。
眾所周知，水有自凈能力，鞠峰課題組采集了江浙一帶重要的水源地——太湖的水體樣品，在樣品中加入從藻類中提取出的毒素，觀察水體土著微生物的毒素降解能力，以探索哪些微生物能降解這類毒素以及這樣的自凈能力能否保證水源的安全。
深海里的它——判斷人類活動(dòng)的影響
從飲用水到湖泊，鞠峰團(tuán)隊(duì)的目光還投向地球上最廣闊的水體——海洋。利用NGS和納米孔測(cè)序技術(shù)，鞠峰課題組正在對(duì)從馬里亞納海溝大約11000米沉積物中發(fā)現(xiàn)的新菌株進(jìn)行基因組測(cè)序挖掘。
對(duì)于海洋來說，微生物發(fā)揮的作用非常大，且大部分微生物存在于深海沉積物里。近年來科學(xué)界從海洋深處發(fā)現(xiàn)了人工合成的可持續(xù)性有機(jī)污染物，這說明人類活動(dòng)其實(shí)對(duì)馬里亞納海溝這些深海環(huán)境都造成了一些影響。利用二三代測(cè)序技術(shù)檢測(cè)深海樣品中的特定污染物代謝基因與耐藥基因，可判斷人類活動(dòng)會(huì)對(duì)海洋造成什么樣的影響。
昆蟲腸道的它——降解有機(jī)物
上面提及的海洋中難以降解的有機(jī)物包括了人類丟擲的塑料垃圾。有沒有一些微生物能夠消化這類塑料污染物？
從昆蟲腸道中分離出一株細(xì)菌能通過塑料薄膜降解生長(zhǎng)
鞠峰團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種昆蟲物種能咬食保鮮膜，進(jìn)而從這種昆蟲腸道中分離出一些細(xì)菌和真菌，發(fā)現(xiàn)不僅是保鮮膜，這些菌株對(duì)其它塑料同樣也有降解效能。下一步他們將繼續(xù)研究這種昆蟲的腸道是分泌什么物質(zhì)來降解塑料的，并探索能否找到一些塑料降解的新方法。
瑪麗·諾頓描述的“地板下的小人”，在我們看不見的世界里各有分工、自成一套體系，生活得井井有條。微生物也像這些“小人”一樣，在肉眼不可見的世界里，平衡著自然、發(fā)揮著自己的作用。
關(guān)于保護(hù)環(huán)境、治理污染，微生物發(fā)揮著它們的作用，那么人類呢？我們能做些什么？或許我們不能像科學(xué)家一樣研究污染治理的原理，但是我們可以從身邊做起，從小事做起，隨手關(guān)燈、節(jié)約用水、慎用抗生素，我們還可以少用塑料制品，尋找綠色環(huán)保替代品……公民社會(huì)，看似每一個(gè)人能做的事很小，但是當(dāng)所有人的努力加到一起時(shí)，就可以成為一股不可忽視的力量。
來源：西湖大學(xué)公共事務(wù)部
