環(huán)境微生物組研究：讓地球更健康

劉雙江

環(huán)境微生物組研究：讓地球更健康

劉雙江

現(xiàn)在大家對人體微生物組的重要性已經(jīng)有所了解，但對地球微生物組卻并不清楚。其實(shí)，正是有了微生物，地球環(huán)境才是今天的面貌。在地球微生物組中，環(huán)境微生物是非常重要的一個(gè)組成部分，它們不僅是地球環(huán)境演化的關(guān)鍵參與者，也將在生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)中發(fā)揮重要作用。

環(huán)境微生物組是對環(huán)境污染進(jìn)行生物修復(fù)的技術(shù)核心

環(huán)境微生物組學(xué)近期應(yīng)關(guān)注四個(gè)重點(diǎn)方向

環(huán)境微生物組是地球微生物組的一部分，它是指把微生物組學(xué)研究思路、技術(shù)和方法運(yùn)用到環(huán)境過程的研究中，研究環(huán)境過程中微生物群體的結(jié)構(gòu)、功能及其與環(huán)境的相互作用，最終利用微生物群體提升環(huán)境質(zhì)量。環(huán)境微生物組與人體微生物組、農(nóng)作物微生物組、傳統(tǒng)發(fā)酵過程微生物組等共同組成當(dāng)今生物科學(xué)發(fā)展的前沿。

環(huán)境微生物組是污染環(huán)境生物修復(fù)的技術(shù)核心，可為實(shí)施生態(tài)文明建設(shè)、提高環(huán)境質(zhì)量的國家目標(biāo)提供資源和技術(shù)的保障。當(dāng)前，結(jié)合我國環(huán)境需求，特別是為了實(shí)現(xiàn)國家《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡稱“水十條”）、《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡稱“土十條”）、《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡稱“大氣十條”）的目標(biāo)，環(huán)境微生物組學(xué)研究應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注以下研究內(nèi)容。

水體微生物修復(fù)（特別是黑臭水體治理）——早在100多年前，人類就利用微生物降解污染物的功能，發(fā)明了污水處理技術(shù)，但目前在活性污泥中我們知道的微生物種類不到其總數(shù)的15%，科學(xué)家已經(jīng)啟動(dòng)研究污水處理設(shè)施中活性污泥的微生物組，旨在徹底了解活性污泥的微生物組成及其消除污染物的原理，從而提高設(shè)施運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。“水十條”明確要求，到2020年，地級(jí)及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)。解析水體黑臭形成原因、提出控制途徑和發(fā)展消除技術(shù)、保障污水處理設(shè)施高效運(yùn)行等，環(huán)境微生物組技術(shù)將發(fā)揮不可替代的作用。

污染土壤微生物修復(fù)——微生物是污染土壤生物修復(fù)的主力軍，農(nóng)藥、除草劑、重金屬等化學(xué)污染品主要是通過土壤微生物菌群降解和轉(zhuǎn)化作用得到消除或者被鈍化。“土十條”規(guī)定，到2020年，受污染耕地安全利用率達(dá)到90%左右，污染地塊安全利用率達(dá)到 90%以上。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要因地制宜的多種土壤修復(fù)技術(shù)，其中基于微生物轉(zhuǎn)化和降解的植物—微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)將發(fā)揮重要作用，微生物組技術(shù)和方法，將為研究微生物、植物、污染物三者相互關(guān)系、建立土壤微生物群體調(diào)控技術(shù)等，提供關(guān)鍵微生物資源和核心技術(shù)原理。

環(huán)境微生物菌劑——微生物菌劑是將一種或者多種功能微生物組合在一起，它可以有效去除水體或者土壤中污染物，無論是對污染水體還是污染土壤的生物修復(fù)，微生物菌劑常常是技術(shù)依托的核心。近年來，微生物菌劑已經(jīng)普遍應(yīng)用于河道治理、污染土壤修復(fù)，但是其效果不夠穩(wěn)定。這是因?yàn)槲⑸锞鷦┑男Ч粌H僅取決于菌劑菌種本身對污染物的去除效率，更受到菌劑使用環(huán)境中微生物群落的影響，菌劑微生物與水體微生物、土壤微生物的相互作用，是制約微生物菌劑效率的關(guān)鍵因素。我國在過去十多年的研究立項(xiàng)中，主要關(guān)注微生物菌劑本身，對環(huán)境微生物組、菌劑與各種環(huán)境微生物組的相互作用重視不夠。

空氣微生物指數(shù)——空氣并不是微生物良好的生活場所，但空氣中有各種各樣的微生物，構(gòu)成空氣微生物組。空氣微生物既來源于當(dāng)?shù)氐娜祟惢顒?dòng)和自然地表過程，也可能是遠(yuǎn)距離大氣運(yùn)動(dòng)輸入而來，它們構(gòu)成氣溶膠，或者附著在塵埃上，其在空氣中存活時(shí)間與微生物本身抗逆能力和大氣物理化學(xué)條件有關(guān)。空氣微生物與空氣污染密切相關(guān)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，呼吸道疾病發(fā)生率與空氣污染程度（例如PM2.5濃度）具有明顯的正相關(guān)，空氣中的微生物如病毒顆粒、細(xì)菌細(xì)胞及真菌的孢子（大多粒徑在0.2～2 μm）易附著在PM2.5顆粒上由氣流攜帶遷移，被人體吸入可引發(fā)人體免疫反應(yīng)和呼吸道感染，病原微生物濃度高時(shí)還會(huì)引發(fā)皮膚接觸類疾病和其他嚴(yán)重疾病。“空氣微生物指數(shù)”可以用來指示空氣中微生物種群和豐度，進(jìn)而評(píng)估空氣質(zhì)量，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)外來微生物（例如烈性病原微生物）。

盡快啟動(dòng)以微生物組為主題的研究計(jì)劃或重大項(xiàng)目

缺乏以微生物組為主題的研究計(jì)劃和重大項(xiàng)目，致使我國與美國等發(fā)達(dá)國家的差距正在加大

有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)表明，截止到2016年，國際上啟動(dòng)了9個(gè)環(huán)境微生物組相關(guān)的研究計(jì)劃，大家比較熟悉的有海洋微生物組計(jì)劃、土壤微生物組計(jì)劃和地球微生物組計(jì)劃（EMP）。EMP旨在全方位分析地球上全部微生物群落的多樣性及功能，該項(xiàng)目將對全球典型的環(huán)境樣本包括土壤、海洋、空氣、淡水生態(tài)系統(tǒng)等的微生物群落進(jìn)行宏基因組測序，我國參與了部分 EMP計(jì)劃。

與國外集中啟動(dòng)環(huán)境微生物組計(jì)劃不同，我國在過去啟動(dòng)的以“環(huán)境”和“生物資源”為主題的科技計(jì)劃或重大項(xiàng)目中，部分包括了環(huán)境微生物組的內(nèi)容，但缺乏以微生物組為主題的研究計(jì)劃和重大項(xiàng)目，致使我國與美國等發(fā)達(dá)國家的差距正在加大。20世紀(jì)初，中國科學(xué)院有關(guān)專家開始推動(dòng)“微生物地球”研究計(jì)劃，并于2014年啟動(dòng)了土壤微生物相關(guān)的先導(dǎo)專項(xiàng)研究計(jì)劃。目前，“水圈微生物”研究計(jì)劃正在論證之中。

不少科學(xué)家都在積極呼吁，希望能夠盡快部署我國環(huán)境微生物組的系統(tǒng)研究。我國擁有多種多樣的生態(tài)環(huán)境，高原、濕地、森林、湖泊、沙漠、海洋等，其中蘊(yùn)藏著豐富的微生物資源，盡管已經(jīng)啟動(dòng)了一些資源專項(xiàng)調(diào)查研究，但這些調(diào)查研究多從生物多樣性和物種的角度展開，今后應(yīng)從微生物組的角度，全面掌握這些環(huán)境中的微生物資源、功能、相互作用及其開發(fā)利用價(jià)值，這是資源調(diào)查類專項(xiàng)必須提出的要求。

同時(shí)，微生物組大數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、功能挖掘、開發(fā)利用等共性技術(shù)，還是我國微生物研究的薄弱環(huán)節(jié)，這是制約微生物組發(fā)展的關(guān)鍵核心，建議以戰(zhàn)略眼光進(jìn)行先行部署。

在應(yīng)用方面，建議以國家需求和工程實(shí)施為出發(fā)點(diǎn)，發(fā)展新一代環(huán)境微生物技術(shù)，提升我國環(huán)境質(zhì)量；發(fā)展基于環(huán)境微生物組研究成果的微生物菌劑和應(yīng)用技術(shù)，以用于黑臭水體治理、城市污水處理效能提升、污染土壤修復(fù)等。同時(shí)，加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究與成果轉(zhuǎn)化的協(xié)同發(fā)展，搭建研究機(jī)構(gòu)與環(huán)保企業(yè)的溝通平臺(tái)，暢通成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的渠道。?

【作者單位：中國科學(xué)院微生物研究所】

（摘自《光明日報(bào)》2016-08-26第10版）