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2 015 年我國實施了史上最嚴(yán)的環(huán)境保護(hù)法，對企業(yè)污染排放做出嚴(yán)格規(guī)定， 對違法排污企業(yè)懲罰力度大大加強(qiáng)。食品和藥品發(fā)酵企業(yè)的廢水/廢渣的資源化 利用是降低企業(yè)運行成本的有效途徑。發(fā)酵廢水/廢渣由于其有機(jī)質(zhì)含量高、可 生化處理性好和成分相對穩(wěn)定的特點，非常適用于微生物電化學(xué)產(chǎn)氫氣。 微生物電化學(xué)產(chǎn)氫所用到的裝置稱作微生物電解池。該裝置被質(zhì)子交換膜分 隔成一個陽極室和陰極室。在陽極室，生長在電極表面的微生物能夠降解有機(jī)物 生成二氧化碳、質(zhì)子和電子。質(zhì)子和電子分別通過質(zhì)子交換膜和外電路到達(dá)陰極， 兩者在一定的外電壓（>0.2 V）作用下在陰極生成氫氣。整個裝置可以實現(xiàn)污水 中有機(jī)物的去除，同時回收氫氣。

我校生態(tài)研究中心王傳寬教授研究組在生態(tài)學(xué)著名學(xué)術(shù)期刊Global Ecology and Biogeography（環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)1區(qū)，IF = 6.045）和土壤科學(xué)著名學(xué)術(shù)期刊Soil Biology and Biochemistry（農(nóng)林科學(xué)1區(qū)，IF = 4.857）上相繼發(fā)表了題為“Effects of forest degradation on microbial communities and soil carbon cycling: A global meta-analysis”和“Trends in soil microbial communities during secondary succession”的系列研究成果，首次從兩個不同微生物分類尺度探索了宏觀生態(tài)學(xué)的演替干擾理論在微觀土壤微生物生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用，全球數(shù)據(jù)整合分析發(fā)現(xiàn)：生態(tài)對策理論和演替干擾理論可以成功地解釋生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)展演替和逆行演替中土壤微生物群落組成和結(jié)構(gòu)的演變過程，不但推動了土壤微生物生態(tài)學(xué)研究的發(fā)展，而且對土壤固碳效應(yīng)、生態(tài)系統(tǒng)模型等都有重要意義。 土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的組分，是生物地球化學(xué)循環(huán)的重要調(diào)節(jié)者，在生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、生產(chǎn)力和固碳效應(yīng)的維持、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提供、生物多樣性保護(hù)等方面發(fā)揮著不可替代的作用。然而，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，1克土壤就含有高達(dá)10億個細(xì)菌和真菌細(xì)胞、由數(shù)萬種分類單元組成，從而給微觀生態(tài)學(xué)研究帶來了巨大挑戰(zhàn)。據(jù)論文的第一作者周正虎（博士生）和通訊作者王傳寬教授介紹，該研究團(tuán)隊成功地將宏觀生態(tài)學(xué)理論應(yīng)用到微生物研究中，發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)展演替過程中K-對策微生物越來越占優(yōu)勢，而森林退化過程中（逆行演替）r-對策微生物越來越占優(yōu)勢。他們還發(fā)現(xiàn)K-對策占優(yōu)勢的微生物群落有利于土壤有機(jī)碳的固存，r-對策占優(yōu)勢的微生物群落則會將更多的土壤碳排放到大氣中。這些成果不僅將激發(fā)微生物生態(tài)學(xué)的理論研究，而且將推進(jìn)土壤微生物介導(dǎo)的碳循環(huán)過程的機(jī)理研究。

本團(tuán)隊長期從事傳統(tǒng)釀造食品的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)實踐，與國內(nèi)的眾多大型釀造企業(yè)，如鎮(zhèn)江恒順、瀘州老窖、山西老陳醋、張家界大德釀造、安徽胡玉美等保持著長期的產(chǎn)學(xué)研合作。近十多年來，針對白酒、黃酒、醬油（醬）、泡菜等傳統(tǒng)釀造食品，在系統(tǒng)研究釀造微生物功能的基礎(chǔ)上，理性設(shè)計功能調(diào)控手段，達(dá)到傳承工藝特色，穩(wěn)定發(fā)酵生產(chǎn)，提升產(chǎn)品品質(zhì)的目的。

成果簡介：  生物脫硫是21世紀(jì)綠色化學(xué)的一個重要組成部分，適用范圍廣、實用性強(qiáng)，應(yīng)用和發(fā)展前景廣闊。氣體生物脫硫及硫磺回收是基于生物硫氧化原理建立起來的以硫磺回收為目標(biāo)的硫化氫脫除方法，具有高效、清潔、節(jié)能、無二次污染等優(yōu)點。 本項目開展微生物法脫除氣體中硫化氫及硫回收中試開發(fā)，

1 成果簡介本項目在研發(fā)過程中得到了教育部留學(xué)人員歸國基金、教育部博士點基金、自然科學(xué)基金、國家科技支撐計劃的部分支持，經(jīng)過主持單位和協(xié)作單位的聯(lián)合攻關(guān)，經(jīng)過 8 年的時間研究完成的。通過實驗室小試，開發(fā)出可將污泥停留時間和水力停留時間分離的新型多孔微生物載體，研究了好氧-厭氧耦合污泥減量化的機(jī)理。采用設(shè)計的新型載體構(gòu)建了中試裝置，進(jìn)行現(xiàn)場中試和實際應(yīng)用，取得了一系列突破性的進(jìn)展和成果，并成功的將該項目應(yīng)用在生活污水、河道污水和工業(yè)廢水的治理中，在項目研究過程中共申請國家發(fā)明專利 6 項（其中5 項已授權(quán)），實用新型 1 項，發(fā)表論文 30 余篇，翻譯教材 2 部。 該項目在實施過程中，主要取得如下幾個方面的技術(shù)突破： （ 1）研究了好氧-厭氧耦合體系在處理廢水的同時對污泥減量化的作用機(jī)理，開發(fā)出好氧-厭氧多次反復(fù)耦合原位污泥減量技術(shù)。 （ 2）對多孔載體的結(jié)構(gòu)及對剩余污泥的截流效果進(jìn)行了全面研究。設(shè)計了一種空隙率高、對污泥截流效果好的多孔載體。 （ 3）開發(fā)出以天然高分子為助凝劑的鐵鹽混凝除磷技術(shù)。 （ 4）實現(xiàn)了該技術(shù)的實際推廣應(yīng)用，分別應(yīng)用于處理城市生活污水、農(nóng)村的生活污水、工業(yè)廢水和河道污染治理中。在高碑店污水處理廠進(jìn)行的運行兩年的 103/d 的中試實驗結(jié)果表明，運行效果穩(wěn)定，在水力停留時間為 12h 時，出水 COD 保持在 60mg/L 以下，出水 SS 在 30mg/L以下，兩年不需要排泥。在廣東肇慶處理 5m3/d 的高濃度發(fā)酵制藥廢水（ COD 2000~3000 mg/L），運行近一年的實驗結(jié)果表明，在水力停留時間為 27h 時，出水 COD 保持在 100 mg/L 以下，出水 SS 在 50mg/L 以下。 在以上中試試驗研究的基礎(chǔ)上，我們將該技術(shù)推廣應(yīng)用于青島即墨市兩個社會主義新農(nóng)村的生活污水處理（日處理量 150~180 噸），上海浦東區(qū)金家村農(nóng)村生活污水處理（適于不同地理特點的 170 套反應(yīng)器，服務(wù)人口 2120 人），佛山市石角涌河道截污工程（日處理量 1000~3000噸）和河北威遠(yuǎn)生物化工有限公司的農(nóng)藥廢水處理項目（日處理量 780 噸）。應(yīng)用結(jié)果表明該技術(shù)可以有效地去除廢水中的有機(jī)物及氮，同時實現(xiàn)原污泥減量化，而且對于用常規(guī)方法不能去除的有機(jī)物（如苯、苯酚等）也可以有效地去除。新型多孔微生物載體技術(shù)在污水處理過程中不需要對剩余污泥進(jìn)行處理，運行管理簡單，運行成本低，具有廣闊的應(yīng)用前景。2 技術(shù)指標(biāo)生活污水經(jīng)過處理后達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn) GB18918-2002》一級B 排放標(biāo)準(zhǔn)；處理生活污水的過程中剩余污泥減量 60~75%；處理河道污水的過程中剩余污泥減量 70~85%；多孔微生物載體的使用壽命在 10 年以上；工業(yè)污水由于種類較多，排放標(biāo)準(zhǔn)不一，需要根據(jù)具體的情況進(jìn)行確定。3 應(yīng)用說明本技術(shù)主要是應(yīng)用于新建或者現(xiàn)有污水處理廠污泥減量、廢水處理方面。該技術(shù)利用多孔載體和定點曝氣技術(shù)，在反應(yīng)器中實現(xiàn)了沿載體軸向、反應(yīng)器水流和高度方向的多層次好氧-厭氧反復(fù)耦合環(huán)境，從而在同一個反應(yīng)器中實現(xiàn)好氧-厭氧微生物反應(yīng)的耦合。實驗室采用人工廢水的小試研究結(jié)果表明，該類耦合體系的 COD 去除率大于 90%，而與傳統(tǒng)廢水處理工藝相比，剩余污泥的產(chǎn)率可以減少 90%以上。 對該類耦合體系實現(xiàn)污泥減量的機(jī)理研究表明，好氧區(qū)增殖的污泥進(jìn)入下游的厭氧區(qū)后發(fā)生死亡溶解釋放出胞內(nèi)蛋白質(zhì)等組分，進(jìn)一步被降解成小分子物質(zhì)，這些物質(zhì)流入下游好氧區(qū)被污泥再次利用，強(qiáng)化了污泥的隱性增殖；而微型動物的穩(wěn)定存在強(qiáng)化了捕食效應(yīng)。整個過程伴隨著 CO2、 N2 的釋放，使得進(jìn)水中有機(jī)物以氣體形式脫離體系，從而實現(xiàn)了廢水的凈化處理和剩余污泥的原位減量。 為了進(jìn)一步將污泥停留時間和水力停留時間分離以實現(xiàn)污泥減量效果，本研究設(shè)計開發(fā)了新型的多孔微生物載體。采用設(shè)計的新型載體構(gòu)建了中試裝置，進(jìn)行現(xiàn)場中試和實際應(yīng)用，取得了一系列突破性的進(jìn)展和成果，驗證了新型載體的實際應(yīng)用效果，并進(jìn)而成功地將該技術(shù)應(yīng)用在生活污水、河道污水和工業(yè)廢水的治理中，在處理生活污水的過程中可以使污泥減量 60~75%，處理河道污水的過程中可以使污泥減量 70~85%。4 效益分析城市污水處理廠污泥安全處置工作有其艱巨性和復(fù)雜性，特別對于污水處理規(guī)模較小，污泥厭氧發(fā)酵無法實施的地方，污泥減量化污水處理技術(shù)的應(yīng)用將成為必要的選擇。通過該技術(shù)的實施，可以大量的減少剩余污泥的產(chǎn)量，減少填埋用地，節(jié)約土地資源，避免了對環(huán)境的二次污染。同時，由于污水處理廠對污泥處理量的減少，運行費用隨之降低，而且運行管理簡單，對促進(jìn)我國水處理事業(yè)的發(fā)展有積極的影響。 該技術(shù)既可以用于生活污水的處理也可以用于工業(yè)廢水的處理，適用范圍比較廣，而且在處理污水的同時可以大量的減少剩余污泥的產(chǎn)量。不僅可以減少污水處理設(shè)備的投資，而且可以節(jié)省運行費用， 適于中小規(guī)模的生活污水處理及有機(jī)工業(yè)污水處理。5 合作方式技術(shù)轉(zhuǎn)讓或合作開發(fā)。

本課題研發(fā)用于海洋環(huán)境（海水及水產(chǎn)品）中病毒、致病菌等病 原微生物、重點針對可能引起人類疾病的細(xì)菌和病毒（如總桿菌數(shù)、 大腸桿菌、糞鏈球菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌、銅綠假單孢菌、金黃色葡萄球 菌、腺病毒、腸道病毒、甲肝病毒、副溶血弧菌、創(chuàng)傷弧菌、沙門氏 菌及李斯特菌）快速檢測的分子生物技術(shù)，為研制用于這些微生物的 現(xiàn)場監(jiān)測手段和設(shè)備奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。檢測方法采用基因芯片檢 測、蛋白質(zhì)檢測和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）檢測三種

傳統(tǒng)發(fā)酵通常采用固態(tài)多菌種釀造，其功能微生物組成復(fù)雜，其形成的微生態(tài)在釀造的過程中一直處于動態(tài)的平衡，這種微生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的揭示對提升傳統(tǒng)釀造食品的營養(yǎng)價值、風(fēng)味保持具有重要意義，通過現(xiàn)代的微生態(tài)技術(shù)，認(rèn)識釀造微生物群落結(jié)構(gòu)及其功能，并加以理性應(yīng)用，既是重要的基礎(chǔ)科學(xué)問題，又是行業(yè)技術(shù)升級的關(guān)鍵。實驗室長期從事傳統(tǒng)釀造食品的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)實踐，與國內(nèi)的眾多 大型釀造企業(yè)，如鎮(zhèn)江恒順、瀘州老窖、山西老陳醋、張家界大德釀造、安徽胡玉美等保持著長期的產(chǎn)學(xué)研合作。近十多年來，針對白酒、黃酒、醬油（醬）、泡菜等傳統(tǒng)釀造食品，在系統(tǒng)研究釀造微生物功能的基礎(chǔ)上，理性設(shè)計功能調(diào)控手段，達(dá)到傳承工藝特色，穩(wěn)定發(fā)酵生產(chǎn)，提升產(chǎn)品品質(zhì)的目的。 創(chuàng)新要點 （1）系統(tǒng)建立了復(fù)雜釀造微生物群落結(jié)構(gòu)解析和微量代謝產(chǎn)物精確分析的技術(shù)體系，解決了妨礙定量研究傳統(tǒng)釀造食品微生物群落結(jié)構(gòu)以及精確其復(fù)雜組份的技術(shù)難題。 （2）創(chuàng)新了傳統(tǒng)釀造功能微生物高效篩選技術(shù)，從傳統(tǒng)食醋等釀造過程中分離獲得近百株背景明確、安全可靠、發(fā)酵性能優(yōu)良的微生物，形成了完備的釀造用菌種庫，包括乳酸菌、醋酸菌、酵母菌、米曲霉等。 （3）首次提出了傳統(tǒng)釀造菌群生物強(qiáng)化策略，構(gòu)建了釀造微生物群落功能強(qiáng)化技術(shù)體系并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，促進(jìn)了傳統(tǒng)釀造生產(chǎn)的三個可控（釀造微生物群落功能可控、釀造過程可控、產(chǎn)品品質(zhì)可控）。

滇藏?zé)崛鷳B(tài)系統(tǒng)中蘊含著豐富的微生物資源，包含大量的系統(tǒng)發(fā)育位置未知且功能奇特的神秘、新穎的微生物類群。課題組結(jié)合宏基因組學(xué)測序技術(shù)和生物信息學(xué)手段從中重構(gòu)出14個具有甲烷/烷烴代謝能力的微生物基因組（圖1），其系統(tǒng)發(fā)育多樣性極高且獨特，廣泛分布于韋斯特古菌門、哪吒古菌門(Nezharchaeota)等TACK超級門中。值得一提的是，該課題組首次于奇古菌門(Thaumarchaeota)中發(fā)現(xiàn)其具有產(chǎn)甲烷功能。此前，奇古菌門以其好氧氨氧化能力而為眾人所熟知，而課題組首次對其厭氧狀態(tài)下產(chǎn)甲烷能力的發(fā)現(xiàn)表明我們目前對此門認(rèn)知的局限性，神秘的自然界或?qū)⑦h(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的認(rèn)知。此外，組學(xué)技術(shù)的發(fā)展或?qū)⒅敢覀儗ζ溥M(jìn)化歷史進(jìn)行更全面的認(rèn)知。課題組對這些未知生命的代謝特征進(jìn)行了揭示，并發(fā)現(xiàn)除卻傳統(tǒng)的氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌外，還有多種氫依賴的甲基營養(yǎng)性產(chǎn)甲烷菌，他們可吸收熱泉生態(tài)系統(tǒng)中多種甲基底物以完成甲烷的產(chǎn)生（圖2）。通過進(jìn)化基因組分析，課題組還對古菌祖先的進(jìn)化起源進(jìn)行了推測，研究發(fā)現(xiàn)對于具有產(chǎn)甲烷能力的微生物類群，其甲烷代謝關(guān)鍵基因mcrABG相對較為保守，并無明顯的水平基因轉(zhuǎn)移時間發(fā)生；而對于烷烴氧化的微生物類群，水平基因轉(zhuǎn)移對其多樣性塑造有著深遠(yuǎn)影響。基于甲烷代謝基因的保守性，課題組對其祖先序列進(jìn)行了序列重構(gòu)，從而來推測祖先序列的最適生長溫度，結(jié)果表明具有mcrABG標(biāo)記基因的微生物類群或起源于高溫生境（圖3）。另外，由于 TACK和ASGARD超級門中，以及廣古菌門中大部分支系均具有甲烷/烷烴代謝能力，且相應(yīng)微生物相比其它同支系微生物有著更為悠久的進(jìn)化歷史，因此，課題組猜測地球早期生命中，古菌的祖先或具有甲烷和烷烴代謝能力。

利用現(xiàn)代分子生物學(xué)方法對傳統(tǒng)抗血清制備技術(shù)進(jìn)行改造，突破 了過去抗血清生產(chǎn)經(jīng)驗為主造成的不確定性和不系統(tǒng)性，提高了抗血 清制備的技術(shù)含量和生產(chǎn)效率。有效去除抗血清中的非特異性抗體， 從而實現(xiàn)抗體制備的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化生產(chǎn)，同時也降低了生產(chǎn)成本。 免疫磁珠分離技術(shù)的最突出的優(yōu)點是特異性強(qiáng)，可以明顯提高檢 測的靈敏性，縮短病原體的檢測時間一至數(shù)天，并且可從復(fù)雜的樣品 中直接分離病原體，降低標(biāo)本中抑制物的干擾，提高靈敏度。 已生產(chǎn)出 3 種診斷血清產(chǎn)品，包括“致病性大腸桿菌 O 抗原診 斷血清試劑盒”、“大腸桿菌 H 抗原全套診斷血清試劑盒”和“志賀氏菌 O 抗原全套診斷血清試劑盒”，共計 147 種高特異性抗體。 經(jīng)中 國 CDC 使用證實，該血清具有反應(yīng)速度快、特異性強(qiáng)的特點，與日 本生研同類血清質(zhì)量相當(dāng)，遠(yuǎn)優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品。 繼續(xù)在市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行 11 種改類試劑盒的研發(fā)和生 產(chǎn)，填補(bǔ)國內(nèi)外市場空白。 本項目完成后，實施單位將可生產(chǎn) 12 種診斷血清試劑盒（包括 前期已完成開發(fā)的 3 種），按每個疾控中心每年需求每種試劑盒一套 計算，總需求量約 1200 套。此外，進(jìn)出口檢驗檢疫單位對某些種類 的血清亦有一定需求，約為 300 套。按每套試劑盒平均 1 萬元的售價 計算，每年的市場可達(dá) 1500 萬元。 免疫磁珠分離試劑盒可廣泛應(yīng)用于臨床檢驗，食品檢驗，水質(zhì)／ 環(huán)境檢驗，獸藥檢驗等，市場非常之大，現(xiàn)主要的生產(chǎn)商為國外的 Dynal 和 Matrix 公司，以 Dynal 公司為例，其每年可創(chuàng)造數(shù)十億美元 的銷售額。由于依賴進(jìn)口，國內(nèi)多家疾病預(yù)防控制和出入境檢驗檢疫 單位已經(jīng)向項目實施單位提出了產(chǎn)品的開發(fā)意向。該產(chǎn)品研發(fā)成本約 為每毫升 600 元，銷售價格在每毫升 2000 元左右，顯示了良好的市 場前景。

本項目面對行業(yè)世界性技術(shù)難題，解決大腸桿菌包涵體產(chǎn)物妨礙重組蛋白質(zhì)藥物生產(chǎn)的問題；建立我國自主知識產(chǎn)權(quán)的基因工程表達(dá)載體和體系。本項目通過深入了解蛋白質(zhì)折疊過程、建立了微生物可溶性表達(dá)及后加工技術(shù)體系，通過多環(huán)節(jié)調(diào)控蛋白質(zhì)折疊的策略，有效解決大腸桿菌包涵體難題，高效率低成本生產(chǎn)重組蛋白質(zhì)藥物。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)發(fā)明了多種基因工程高效表達(dá)和不同層次助溶新技術(shù)及其整合；在制備環(huán)節(jié)發(fā)明了基因工程表達(dá)產(chǎn)物分離純化及后加工新技術(shù)及其集成。本項目獲8件發(fā)明專利授權(quán)、含1件美國專利，專利全部獲得實施許可。本項目技術(shù)在美