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，一起走進西湖大學(xué)工學(xué)院PI鞠峰的實驗室，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”。
鞠峰實驗室成員
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)實驗室(EMBLab)位于西湖大學(xué)2號樓的頂樓，實驗室門口的海報清楚地介紹了鞠峰的主要研究之一。
鞠峰實驗室門口的海報
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)”正是該實驗室的研究重點之一。
當(dāng)今社會經(jīng)濟全面發(fā)展的同時，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峻。如何治理？
“其實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)來實現(xiàn)污水凈化，但是成本相對高并且可能會造成二次污染；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’。”鞠峰對著海報介紹道。
活性污泥絮體
活性污泥，簡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營養(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碳和磷轉(zhuǎn)化成自身的營養(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，比如硝化細菌可以將氨氮氧化成亞硝酸鹽與硝酸鹽；反硝化細菌進一步將它們最終還原成氮氣。而二氧化碳和氮氣都可以順利排放到大氣中，從而達到凈化水質(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，一開始污水里經(jīng)物理（與化學(xué)）法沉淀的大顆粒，則會收集起來送入?yún)捬醢l(fā)酵罐，進行生物甲烷化制備。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，原本污水中的有機污染物還會被部分轉(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，因為微生物之間也像人類社會一樣，相互作用、相互影響而形成了龐大的社會關(guān)系網(wǎng)。”鞠峰評價道。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？這些都是他的團隊希望進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，可能就會導(dǎo)致污水處理效果不盡如人意。怎么辦？就像一個龐大且運轉(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，第一時間找到“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人，他們的基因也不會是全然相同的，微生物也一樣，微生物的基因組就是它們的“身份證”。
通過對全球不同污水處理廠活性污泥樣品的采樣分析，以及對某一個污水廠活性污泥的長期采樣分析，可有效揭示活性污泥中物種和基因在時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行大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，就可以預(yù)測系統(tǒng)的微生物學(xué)驅(qū)動機制和工藝調(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劃，通過對人類的基因組進行測序，我們可以得到健康人群和疾病人群的基因組，通過對比分析，就可以判定哪些是正�；颍男┦遣徽５�。微生物也是一樣的，甚至更簡單一點；因為人的基因組數(shù)據(jù)大概是30億個堿基對，但是細菌的基因組平均在4百萬個堿基對左右。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)測它們的特點，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。
舉個例子，此前鞠峰在香港大學(xué)攻讀博士學(xué)位時，香港沙田污水處理廠在冬季會產(chǎn)生一種活性污泥起泡的現(xiàn)象，這對污水處理工藝影響很大，會導(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)模型進行模擬分析，最后能預(yù)測出減輕起泡運行問題的工程措施。”
再比如，活性污泥中的微生物也存在競爭和捕食關(guān)系，這在動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菌？通過宏基因組學(xué)分析結(jié)合一些功能驗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”對抗有害細菌的潛能。這也是課題組正在尋求突破的一個基礎(chǔ)研究方向。
利用NGS和納米孔測序技術(shù)，鞠峰課題組正在進行基因組測序挖掘。
目前，宏基因組學(xué)的發(fā)展得益于NGS （Next Generation Sequencing，下一代測序技術(shù)）的出現(xiàn)和改進。為什么研究環(huán)境中的微生物需要采取測序的手段，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是只有很少一部分，可能只有1%，而基于我們的有限認知去分離培養(yǎng)微生物本身是一種限制。首先，受限于我們的先驗知識，很多時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這種高通量測序手段，能一次對幾十萬到幾百萬條DNA分子進行序列讀取，大大加快了微生物研究的步伐。”
深海、湖泊、昆蟲……鞠峰實驗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程。除了污水處理中的微生物作用，鞠峰的研究團隊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——評估耐藥風(fēng)險
關(guān)于細菌的抗生素耐藥性，很多人已經(jīng)意識到問題的嚴重性，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。“我們利用宏基因組學(xué)手段去檢測環(huán)境樣品當(dāng)中的抗生素耐藥性基因，通過測序之后，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)測與評估環(huán)境耐藥的健康風(fēng)險。”
湖泊里的它——降解藍藻毒素
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，這是因為里面有大量的藍藻繁殖，一部分藍藻會產(chǎn)生藍藻毒素，它可以通過飲水或食物鏈進入人體，而這種物質(zhì)是對人體有害的。
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——判斷人類活動的影響
從飲用水到湖泊，鞠峰團隊的目光還投向地球上最廣闊的水體——海洋。利用NGS和納米孔測序技術(shù)，鞠峰課題組正在對從馬里亞納海溝大約11000米沉積物中發(fā)現(xiàn)的新菌株進行基因組測序挖掘。
對于海洋來說，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)性有機污染物，這說明人類活動其實對馬里亞納海溝這些深海環(huán)境都造成了一些影響。利用二三代測序技術(shù)檢測深海樣品中的特定污染物代謝基因與耐藥基因，可判斷人類活動會對海洋造成什么樣的影響。
昆蟲腸道的它——降解有機物
上面提及的海洋中難以降解的有機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菌能通過塑料薄膜降解生長
鞠峰團隊發(fā)現(xiàn)了一種昆蟲物種能咬食保鮮膜，進而從這種昆蟲腸道中分離出一些細菌和真菌，發(fā)現(xiàn)不僅是保鮮膜，這些菌株對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，看似每一個人能做的事很小，但是當(dāng)所有人的努力加到一起時，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
