口述︱中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 俞漢青教授
整理︱史方標(biāo) 、劉秋琳
荷蘭Kluyver生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室-脫氮除磷技術(shù)發(fā)展演義
實(shí)驗(yàn)室是技術(shù)的搖籃和產(chǎn)業(yè)的發(fā)源地�；钚晕勰喾ㄕQ生百年來(lái)，就有一些著名的實(shí)驗(yàn)室，憑借其優(yōu)秀的研發(fā)團(tuán)隊(duì)及研發(fā)實(shí)力，成為了百年工藝的重要助力劑。今天，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞漢青教授為我們講述對(duì)活性污泥法有重要影響的實(shí)驗(yàn)室之一——荷蘭Kluyver生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的故事。我們共同回顧這一段有趣的歷史，即：一個(gè)以基礎(chǔ)研究為主的實(shí)驗(yàn)室怎樣因?yàn)橐粋�(gè)人的到來(lái)成為了面向?qū)嶋H工程應(yīng)用的頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室？anammox（厭氧氨氧化）技術(shù)又是怎樣從發(fā)現(xiàn)、基礎(chǔ)研究走向工程應(yīng)用？該工藝又是如何僅借助小試和數(shù)學(xué)模型，就把理論導(dǎo)向了實(shí)際應(yīng)用？
Kluyver生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室是荷蘭戴爾福特理工大學(xué)(Delft University of Technology)的一個(gè)以生物技術(shù)為核心的實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境生物技術(shù)僅僅是其研究領(lǐng)域之一。其早先最突出的研究領(lǐng)域是應(yīng)用微生物，至上世紀(jì)80年代，實(shí)驗(yàn)室在生物技術(shù)前加上了“環(huán)境”二字，從此開始涉及環(huán)境領(lǐng)域。在這一過(guò)程中最有代表性的人物是喬納斯•歇斯布萊希特•昆倫（Johannes Gijsbrecht Kuenen），（以下簡(jiǎn)稱Kuenen），他最重要的貢獻(xiàn)是在其指導(dǎo)下，其學(xué)生Mulder在實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)現(xiàn)了anammox（厭氧氨氧化）細(xì)菌，而后他們開始進(jìn)行相關(guān)的基礎(chǔ)研究和機(jī)理研究，并逐漸過(guò)渡到實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用領(lǐng)域。
在這之間還有一個(gè)非常重要的人物， Mike Jetten，他曾經(jīng)是Kuenen的助手。同Kuenen一樣，此人一開始從事的是基礎(chǔ)微生物學(xué)的研究，后來(lái)去了荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué)(Radboud University Nijmegen)的生物系。其關(guān)于anammox的研究成果經(jīng)常發(fā)表于Science和Nature等頂級(jí)期刊。
如果按照這個(gè)趨勢(shì)發(fā)展，Kluyver實(shí)驗(yàn)室及上述幾人或許會(huì)一直沿著微生物學(xué)的基礎(chǔ)研究進(jìn)行下去。然而，一個(gè)人的到來(lái)將這一切改變，他就是我們所熟知的馬克•范•洛斯德萊特（Mark van Loosdrecht），水研究(Water Research)雜志的總編輯。Mark本來(lái)也是學(xué)純微生物學(xué)，在瓦赫林根大學(xué)的導(dǎo)師是以傳統(tǒng)微生物學(xué)的研究而聞名的Alexander Zehnder，Mark跟隨他主要做微生物的粘附研究。1988年Mark從瓦赫林根大學(xué)(Wageningen University)畢業(yè)去了戴爾福特理工大學(xué)，開始跟隨的并不是Kuenen，而是另外一個(gè)導(dǎo)師Sef Heijnen，主要研究代謝工程及模型，即怎樣通過(guò)微生物的多種物質(zhì)循環(huán)和代謝途徑將水中物質(zhì)分解。
在Mulder發(fā)現(xiàn)了anammox細(xì)菌之后，Kuenen和Jetten等人原本想將這一成果向科學(xué)研究方向發(fā)展，但Mark則堅(jiān)定地將這一技術(shù)帶入工程應(yīng)用領(lǐng)域。所以他后來(lái)的主要貢獻(xiàn)就是將anammox技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室小試放大到鹿特丹的生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)。在這一過(guò)程中，他參與了活性污泥法數(shù)學(xué)模組的工作，并發(fā)揮了巨大作用。他和Heijnen一起發(fā)現(xiàn)了反硝化除磷，且在反硝化除磷的基礎(chǔ)上發(fā)展了BCFS工藝。這時(shí)Mark就將相關(guān)的數(shù)學(xué)模型和代謝研究的研究成果同荷蘭做廢水處理的兩家公司合作，并開始了污水廠的建設(shè)。這樣，在荷蘭BCFS工藝（即用反硝化作用除磷的工藝），就得到了發(fā)展。該工藝實(shí)際上是在UCT（開普敦處理）工藝基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，其將脫氮除磷和氧化溝結(jié)合，設(shè)計(jì)出一個(gè)同心圓結(jié)構(gòu)，該工藝后來(lái)在歐洲廣受推崇。此外，Mark和Heijnen還提出了若干個(gè)工藝，比如Sharon（亞消化）和Canon（即生物膜內(nèi)置脫氮）工藝。這些工藝發(fā)展的獨(dú)特思路是通過(guò)基礎(chǔ)研究，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，直接為工程的設(shè)計(jì)、研發(fā)和優(yōu)化服務(wù)。這一思路不同于我們習(xí)慣的小試-中試-生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)-應(yīng)用的路徑，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的模擬和設(shè)計(jì)，跳過(guò)了其中的過(guò)度環(huán)節(jié)。這一系列脫氮除磷的處理工藝使Kluyver實(shí)驗(yàn)室在污水處理界占有了重要的地位。當(dāng)時(shí)恰逢80年代末、90年代初活性污泥法走向成熟之際，并且也有一些前人的模型作為基礎(chǔ)，這也是模型成功另一因素。
Kluyver實(shí)驗(yàn)室（Kluyver Lab）
Kluyver實(shí)驗(yàn)室專注于有機(jī)生命體、及生命體的各部分應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)的研究。環(huán)境微生物團(tuán)隊(duì)是該實(shí)驗(yàn)室知名的研究小組。該小組由海寧教授領(lǐng)銜的細(xì)胞工程團(tuán)隊(duì)和生物分離技術(shù)團(tuán)隊(duì)組成。研究團(tuán)隊(duì)專注于開發(fā)和優(yōu)化用于廢物處理和產(chǎn)品合成的生化工藝。研究基于對(duì)自然界中元素的微生物和生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程的探索。通過(guò)研究微生物體中的硫、氮、磷、鐵等元素及化合物的轉(zhuǎn)化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)水、氣處理工藝的開發(fā)。
馬克•范•洛斯德萊特（Mark van Loosdrecht）
馬克•范•洛斯德萊特教授現(xiàn)任代爾夫特理工大學(xué)環(huán)境生物科技領(lǐng)域教授，并且是水業(yè)最具分量的期刊之一《水研究》雜志的總編輯。博士期間的研究方向?yàn)槲⑸飳W(xué)和膠體化學(xué)的結(jié)合。
洛斯德萊特教授于1988年開始任教。其研究因成功將復(fù)雜系統(tǒng)的學(xué)術(shù)知識(shí)和新興工藝的開發(fā)結(jié)合而聞名。其最為感興趣的領(lǐng)域包括生物膜工藝、微生物營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程、微生物生態(tài)中的起貯藏作用的高分子聚合物，以及污水處理和回用的新興系統(tǒng)等。其已成功轉(zhuǎn)化為商用技術(shù)的研究成果包括雪倫工藝（Sharon）、厭氧氨氧化工藝（Anammox）以及內(nèi)芮達(dá)工藝（Nereda）。
馬克•范•洛斯德萊特教授團(tuán)隊(duì)于2012年被歐洲專利局提名“歐洲發(fā)明家獎(jiǎng)”。這項(xiàng)提名旨在表彰他們與德和威(DHV)及荷蘭水務(wù)局共同開發(fā)的Nereda®水凈化技術(shù)。此項(xiàng)發(fā)明可以以四分之一的占用空間實(shí)現(xiàn)工業(yè)和市政污水的高效處理。
作為環(huán)境生物技術(shù)界最具影響力的學(xué)者之一，洛斯德萊特教授已致力于改善環(huán)境衰退以及廢棄資源回用二十余年。除獲得過(guò)“李光耀水獎(jiǎng)”之外，他還因“對(duì)環(huán)境生物技術(shù)做出的杰出貢獻(xiàn)以及其在凈化科學(xué)，尤其是水凈化領(lǐng)域的眾多實(shí)際應(yīng)用”，于2011年被蘇黎世理工學(xué)院的授予榮譽(yù)博士頭銜。
喬納斯•歇斯布萊希特•昆寧（Johannes Gijsbrecht Kuenen）
昆寧教授早年于格羅寧根大學(xué)學(xué)習(xí)化學(xué)，主修方向?yàn)樯锘瘜W(xué)。1972年，他在該學(xué)校獲得微生物學(xué)博士學(xué)位。之后，昆寧教授輾轉(zhuǎn)美國(guó)洛杉磯加州大學(xué)攻讀博士后，結(jié)業(yè)之后回到格羅寧根大學(xué)任高級(jí)講師。1980年，昆寧被代爾夫特理工大學(xué)聘為通用及應(yīng)用微生物學(xué)教授。在該校，他參與在化學(xué)工程和材料科學(xué)系建立了生物技術(shù)小組，該小組于1982年同萊頓大學(xué)合作設(shè)立，代爾夫特-萊頓聯(lián)合生物科技研究中心（目前該機(jī)構(gòu)也吸收了瓦赫寧根大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)）。
1980年起，昆寧教授的大部分時(shí)間任微生物學(xué)和酶化學(xué)學(xué)院主席。至1998年，代爾夫特理工大學(xué)生物科學(xué)學(xué)院成立，他即成為該院主席。
自1995至1998年，昆寧教授出任荷蘭微生物學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)。2003-2005年，他擔(dān)任克魯伊夫基因及工業(yè)發(fā)酵中心的技術(shù)總監(jiān)。在學(xué)術(shù)生涯內(nèi)，昆寧教授在國(guó)際期刊、教科書、及會(huì)議論文集中共發(fā)表文章190余篇，對(duì)微生物技術(shù)的基礎(chǔ)研究和教育工作作出了重要貢獻(xiàn)。在2004年，其被授予荷蘭獅子勛章并被封為騎士。2005年，他被選為美國(guó)微生物學(xué)會(huì)會(huì)員，并于次年因其對(duì)微生物生態(tài)學(xué)的卓越貢獻(xiàn)被授予吉姆泰潔獎(jiǎng)（Jim Tiedje Award）。在2007年，又被授予環(huán)境微生物界的保潔獎(jiǎng)（Procter & Gamble Award）。
昆寧自2005年退休起，開始擔(dān)任兼職教授，并且依然活躍于微生物學(xué)界。
