走进西湖大学鞠峰实验室：用微生物改变世界

作者：张弛

从中提取了青霉素的青霉菌、引起胃炎的幽门螺杆菌、用于发酵的酵母菌、乃至目前席卷全球的新冠病毒，这些耳熟能详的名词，都有一个共同的称呼——微生物。

这些存在于地球上几十亿年的微小生物，对地球气候的调节、生态平衡的维持、地球化学循环有着不可替代的作用。然而，伴随着人类文明的进步、工业革命的发展，地球出现了各种问题：环境污染加剧、自然资源紧缺、生物多样性被破坏等。好在大自然的自我净化可以依靠这些微生物“小医生们”，来不断调理地球“疾病”。

今天，是倡议环保的世界环境日，一起走进西湖大学工学院PI鞠峰的实验室，来看看微生物是如何帮助修复人类发展过程中给地球环境造成的“创伤”。

鞠峰实验室成员

活性污泥里的“小秘密”

鞠峰的环境微生物组与生物技术实验室(EMBLab)位于西湖大学2号楼的顶楼，实验室门口的海报清楚地介绍了鞠峰的主要研究之一。

鞠峰实验室门口的海报

目前鞠峰带领的EMBLab主要从事环境学、微生物学与生态学的交叉学科研究，而“活性污泥与厌氧消化工艺及其微生物生态”正是该实验室的研究重点之一。

当今社会经济全面发展的同时，生态环境也面临不少压力，例如土壤、固体废弃物、噪音，以及水污染问题日益严峻。如何治理？

“其实全球大部分城市的生活污水以及工业废水都是通过污水处理厂来处理的。污水处理厂目前主要依靠三种途径来实现污水净化：物理作用、化学作用和生物作用。物理作用包括不可溶于水的悬浮颗粒污染物的沉降分离；化学作用则是通过外源化学试剂与污染物之间的化学反应来实现污水净化，但是成本相对高并且可能会造成二次污染；生物作用则是基于微生物的新陈代谢过程来净化污水，这其中的最核心和全球应用最广泛的工艺就是‘活性污泥’。”鞠峰对着海报介绍道。

活性污泥絮体

活性污泥，简单理解是含有各种微生物的絮状污泥，污泥中的不同类型微生物与废水中的有机营养物形成复杂的食物网关系。可以这样理解，像人一样，活性污泥中的微生物生长是需要大量消耗氧气的；有了氧气，它们就能把这些污水中的有机碳和磷转化成自身的营养物质，剩下的产物就变成二氧化碳。还有一些微生物可通过硝化作用与反硝化作用处理含氮污染物，比如硝化细菌可以将氨氮氧化成亚硝酸盐与硝酸盐；反硝化细菌进一步将它们最终还原成氮气。而二氧化碳和氮气都可以顺利排放到大气中，从而达到净化水质的目的。

活性污泥絮体内微生物种类和环境因素示意图

与此同时，一开始污水里经物理（与化学）法沉淀的大颗粒，则会收集起来送入厌氧发酵罐，进行生物甲烷化制备。在厌氧消化过程中，糖类、蛋白质、脂肪等可以被厌氧微生物加工处理后产生沼气，进一步纯化之后获得的生物甲烷可以用作汽车的燃料或者用来发电。

在微生物作用下，污水得到了净化；同时，原本污水中的有机污染物还会被部分转化为能够被人类利用的可再生资源。

“污水处理厂内发生的生化反应是十分复杂的，很难判断具体哪一种微生物能够对污染物起决定作用，因为微生物之间也像人类社会一样，相互作用、相互影响而形成了庞大的社会关系网。”鞠峰评价道。污水处理协同资源回收工艺中有哪些关键功能微生物？它们如何相互作用？将来如何通过微生物组的精准调控来优化工艺过程？这些都是他的团队希望进一步探究的工程科学问题。

什么是宏基因组学？

污水处理中， 微生物有各自的分工，反应步骤环环相扣，如果其中一环出了问题，可能就会导致污水处理效果不尽如人意。怎么办？就像一个庞大且运转有序的公司，我们需要了解每一位员工的岗位职责，才能在出现问题时，第一时间找到“责任人”。

微生物十分微小且99%不被人类了解，怎么找 “责任人”？就好像再相似的两个人，他们的基因也不会是全然相同的，微生物也一样，微生物的基因组就是它们的“身份证”。

通过对全球不同污水处理厂活性污泥样品的采样分析，以及对某一个污水厂活性污泥的长期采样分析，可有效揭示活性污泥中物种和基因在时间与空间尺度上的演变规律，并将这些变化与污水处理效能的变化进行大数据关联分析，就可以预测系统的微生物学驱动机制和工艺调控措施。这里就涉及到一门新兴学科：

宏基因组学，这是一门通过研究从环境样品中直接回收的遗传物质来揭示微生物群落结构与功能的新兴学科。

“就像大家较为熟悉的人类基因组计划，通过对人类的基因组进行测序，我们可以得到健康人群和疾病人群的基因组，通过对比分析，就可以判定哪些是正常基因，哪些是不正常的。微生物也是一样的，甚至更简单一点；因为人的基因组数据大概是30亿个碱基对，但是细菌的基因组平均在4百万个碱基对左右。通过研究环境样品中所有微生物携带的基因组信息， 我们可以有效预测它们的特点，比如说携带哪些基因资源，有没有致病性，有没有抗生素耐药能力，它的耐药性有没有传播给人类致病菌？”鞠峰解释道。

举个例子，此前鞠峰在香港大学攻读博士学位时，香港沙田污水处理厂在冬季会产生一种活性污泥起泡的现象，这对污水处理工艺影响很大，会导致泥水无法有效分离、出水水质超标。“我们利用宏基因组学手段把大部分微生物表征出来，通过5年的连续采样分析，将微生物生态与活性污泥起泡事件通过网络模型进行模拟分析，最后能预测出减轻起泡运行问题的工程措施。”

再比如，活性污泥中的微生物也存在竞争和捕食关系，这在动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，来去除污水中难以通过物理和化学过程除掉的致病菌和抗生素耐药菌等有害细菌？通过宏基因组学分析结合一些功能验证方法可以找出污泥中的捕食性微生物，判断它们作为“生物抗生素”对抗有害细菌的潜能。这也是课题组正在寻求突破的一个基础研究方向。

利用NGS和纳米孔测序技术，鞠峰课题组正在进行基因组测序挖掘。

目前，宏基因组学的发展得益于NGS （Next Generation Sequencing，下一代测序技术）的出现和改进。为什么研究环境中的微生物需要采取测序的手段，而不采用传统的分离培养手段？“自然界当中人类目前已知的微生物其实是只有很少一部分，可能只有1%，而基于我们的有限认知去分离培养微生物本身是一种限制。首先，受限于我们的先验知识，很多时候我们并不知道该如何富集培养这种微生物。其次，很多微生物是以一种共生的形态存在，分离培养上操作难度很大。”鞠峰解释道，“NGS这种高通量测序手段，能一次对几十万到几百万条DNA分子进行序列读取，大大加快了微生物研究的步伐。”

深海、湖泊、昆虫……鞠峰实验室还在研究这里的微生物

在NGS这种技术的帮助下，科学家们加快了探索微生物界的奥秘的进程。除了污水处理中的微生物作用，鞠峰的研究团队也着眼于其他体系中的微生物与环境间的相互作用：饮用水、深海、湖泊，甚至昆虫肠道，这里的微生物又有什么样的“特别之处”？能够对环境修复有什么样的帮助？

饮用水里的它——评估耐药风险

关于细菌的抗生素耐药性，很多人已经意识到问题的严重性，开始去避免滥用抗生素。部分科学家在研究过程中，发现长三角这一带的儿童体内含有兽用的抗生素，这说明我们的食物和饮用水很有可能已经被抗生素污染了。

兽用抗生素主要用于水产畜牧的养殖，可以用来防病和促生长。“我们利用宏基因组学手段去检测环境样品当中的抗生素耐药性基因，通过测序之后，我们利用生物信息学分析，就可以判断样品有哪些抗生素（比如大环内脂、四环素等）的耐药基因。如果能将全球各地关于抗生素耐药基因组的数据整合起来，我们就可以尝试通过一些算法去预测与评估环境耐药的健康风险。”

湖泊里的它——降解蓝藻毒素

在现在的气候条件背景下，我们经常看到水体变绿的现象，这是因为里面有大量的蓝藻繁殖，一部分蓝藻会产生蓝藻毒素，它可以通过饮水或食物链进入人体，而这种物质是对人体有害的。

古人云，毒蛇出没之处，七步之内必有解药，这说的是自然界的“阴阳平衡”和“相生相克”。所以藻类污染水源的解决方法也在水里的微生物身上。

众所周知，水有自净能力，鞠峰课题组采集了江浙一带重要的水源地——太湖的水体样品，在样品中加入从藻类中提取出的毒素，观察水体土著微生物的毒素降解能力，以探索哪些微生物能降解这类毒素以及这样的自净能力能否保证水源的安全。

深海里的它——判断人类活动的影响

从饮用水到湖泊，鞠峰团队的目光还投向地球上最广阔的水体——海洋。利用NGS和纳米孔测序技术，鞠峰课题组正在对从马里亚纳海沟大约11000米沉积物中发现的新菌株进行基因组测序挖掘。

对于海洋来说，微生物发挥的作用非常大，且大部分微生物存在于深海沉积物里。近年来科学界从海洋深处发现了人工合成的可持续性有机污染物，这说明人类活动其实对马里亚纳海沟这些深海环境都造成了一些影响。利用二三代测序技术检测深海样品中的特定污染物代谢基因与耐药基因，可判断人类活动会对海洋造成什么样的影响。

昆虫肠道的它——降解有机物

上面提及的海洋中难以降解的有机物包括了人类丢掷的塑料垃圾。有没有一些微生物能够消化这类塑料污染物？

从昆虫肠道中分离出一株细菌能通过塑料薄膜降解生长

鞠峰团队发现了一种昆虫物种能咬食保鲜膜，进而从这种昆虫肠道中分离出一些细菌和真菌，发现不仅是保鲜膜，这些菌株对其它塑料同样也有降解效能。下一步他们将继续研究这种昆虫的肠道是分泌什么物质来降解塑料的，并探索能否找到一些塑料降解的新方法。

玛丽·诺顿描述的“地板下的小人”，在我们看不见的世界里各有分工、自成一套体系，生活得井井有条。微生物也像这些“小人”一样，在肉眼不可见的世界里，平衡着自然、发挥着自己的作用。

关于保护环境、治理污染，微生物发挥着它们的作用，那么人类呢？我们能做些什么？或许我们不能像科学家一样研究污染治理的原理，但是我们可以从身边做起，从小事做起，随手关灯、节约用水、慎用抗生素，我们还可以少用塑料制品，寻找绿色环保替代品……公民社会，看似每一个人能做的事很小，但是当所有人的努力加到一起时，就可以成为一股不可忽视的力量。

来源：西湖大学公共事务部