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刘双江:环境微生物组研究,让地球更健康
作者:   来源:光明日报   发布者:左丽媛   日期:2016-08-26   今日/总浏览:2/2028

现在大家对人体微生物组的重要性已经有所了解,但对地球微生物组却并不清楚。其实,正是有了微生物,地球环境才是今天的面貌。在地球微生物组中,环境微生物是非常重要的一个组成部分,它们不仅是地球环境演化的关键参与者,也将在生态环境治理和保护中发挥重要作用。

环境微生物组是对环境污染进行生物修复的技术核心

环境微生物组学近期应关注四个重点方向

环境微生物组是地球微生物组的一部分,它是指把微生物组学研究思路、技术和方法运用到环境过程的研究中,研究环境过程中微生物群体的结构、功能及其与环境的相互作用,最终利用微生物群体提升环境质量。环境微生物组与人体微生物组、农作物微生物组、传统发酵过程微生物组等共同组成当今生物科学发展的前沿。

环境微生物组是污染环境生物修复的技术核心,可为实施生态文明建设、提高环境质量的国家目标提供资源和技术的保障。当前,结合我国环境需求,特别是为了实现国家《水污染防治行动计划》(简称“水十条”)、《土壤污染防治行动计划》(简称“土十条”)、《大气污染防治行动计划》(简称“大气十条”)的目标,环境微生物组学研究应该重点关注以下研究内容。

水体微生物修复(特别是黑臭水体治理)——早在一百多年前,人类就利用微生物降解污染物的功能,发明了污水处理技术,但目前在活性污泥中我们知道的微生物种类不到其总数的15%,科学家已经启动研究污水处理设施中活性污泥的微生物组,旨在彻底了解活性污泥的微生物组成及其消除污染物的原理,从而提高设施运行效率和稳定性。“水十条”明确要求,到2020年,地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内。解析水体黑臭形成原因、提出控制途径和发展消除技术、保障污水处理设施高效运行等,环境微生物组技术将发挥不可替代的作用。

污染土壤微生物修复——微生物是污染土壤生物修复的主力军,农药、除草剂、重金属等化学污染品主要是通过土壤微生物菌群降解和转化作用得到消除或者被钝化。“土十条”规定,到2020年,受污染耕地安全利用率达到90%左右,污染地块安全利用率达到90%以上。实现上述目标,需要因地制宜的多种土壤修复技术,其中基于微生物转化和降解的植物—微生物联合修复技术将发挥重要作用,微生物组技术和方法,将为研究微生物、植物、污染物三者相互关系、建立土壤微生物群体调控技术等,提供关键微生物资源和核心技术原理。

环境微生物菌剂——微生物菌剂是将一种或者多种功能微生物组合在一起,它可以有效去除水体或者土壤中污染物,无论是对污染水体还是污染土壤的生物修复,微生物菌剂常常是技术依托的核心。近年来,微生物菌剂已经普遍应用于河道治理、污染土壤修复,但是其效果不够稳定。这是因为微生物菌剂的效果,不仅仅取决于菌剂菌种本身对污染物的去除效率,更受到菌剂使用环境中微生物群落的影响,菌剂微生物与水体微生物、土壤微生物的相互作用,是制约微生物菌剂效率的关键因素。我国在过去十多年的研究立项中,主要关注微生物菌剂本身,对环境微生物组、菌剂与各种环境微生物组的相互作用重视不够。

空气微生物指数——空气并不是微生物良好的生活场所,但空气中有各种各样的微生物,构成空气微生物组。空气微生物既来源于当地的人类活动和自然地表过程,也可能是远距离大气运动输入而来,它们构成气溶胶,或者附着在尘埃上,其在空气中存活时间与微生物本身抗逆能力和大气物理化学条件有关。空气微生物与空气污染密切相关,据统计,呼吸道疾病发生率与空气污染程度(例如PM2.5浓度)具有明显的正相关,空气中的微生物如病毒颗粒、细菌细胞及真菌的孢子(大多粒径在0.2微米—2微米范围)易附着在PM2.5颗粒上由气流携带迁移,被人体吸入可引发人体免疫反应和呼吸道感染,病原微生物浓度高时还会引发皮肤接触类疾病和其他严重疾病。“空气微生物指数”可以用来指示空气中微生物种群和丰度,进而评估空气质量,并及时发现外来微生物(例如烈性病原微生物)。

尽快启动以微生物组为主题的研究计划或重大项目

缺乏以微生物组为主题的研究计划和重大项目,致使我国与美国等发达国家的差距正在加大

有关资料统计表明,截止到2016年,国际上启动了9个环境微生物组相关的研究计划,大家比较熟悉的有海洋微生物组计划、土壤微生物组计划和地球微生物组计划(EMP)。EMP旨在全方位分析地球上全部微生物群落的多样性及功能,该项目将对全球典型的环境样本包括土壤、海洋、空气、淡水生态系统等的微生物群落进行宏基因组测序,我国参与了部分EMP计划。

与国外集中启动环境微生物组计划不同,我国在过去启动的以“环境”和“生物资源”为主题的科技计划或重大项目中,部分包括了环境微生物组的内容,但缺乏以微生物组为主题的研究计划和重大项目,致使我国与美国等发达国家的差距正在加大。20世纪初,中国科学院有关专家开始推动“微生物地球”研究计划,并于2014年启动了土壤微生物相关的先导专项研究计划。目前,“水圈微生物”研究计划正在论证之中。

不少科学家都在积极呼吁,希望能够尽快部署我国环境微生物组的系统研究。我国拥有多种多样的生态环境,高原、湿地、森林、湖泊、沙漠、海洋等,其中蕴藏着丰富的微生物资源,尽管已经启动了一些资源专项调查研究,但这些调查研究多从生物多样性和物种的角度展开,今后应从微生物组的角度,全面掌握这些环境中的微生物资源、功能、相互作用及其开发利用价值,这是资源调查类专项必须提出的要求。

同时,微生物组大数据的收集、存储、功能挖掘、开发利用等共性技术,还是我国微生物研究的薄弱环节,这是制约微生物组发展的关键核心,建议以战略眼光进行先行部署。

在应用方面,建议以国家需求和工程实施为出发点,发展新一代环境微生物技术,提升我国环境质量;发展基于环境微生物组研究成果的微生物菌剂和应用技术,以用于黑臭水体治理、城市污水处理效能提升、污染土壤修复等。同时,加强应用基础研究与成果转化的协同发展,搭建研究机构与环保企业的沟通平台,畅通成果转移转化的渠道。

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