光生物能源：創(chuàng)變廢為寶之奇跡
——記哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境學院教授劉冰峰

本刊記者 楊 嬌

光生物能源：創(chuàng)變廢為寶之奇跡
——記哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境學院教授劉冰峰

本刊記者 楊 嬌

“能源”一詞，從被人們知之甚少到如今儼然已成為人們議論的熱點。作為一個國家乃至世界發(fā)展和經(jīng)濟增長最基本的驅(qū)動力，能源無疑是人類賴以生存的基礎，但多年來，從能源開發(fā)到能源安全再到能源緊缺等各種問題卻層出不窮。哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境學院教授劉冰峰每日的工作也與能源有關，光生物能源技術是他的研究重點，有機廢水光發(fā)酵法生物制氫技術、納米—光生物能源生產(chǎn)技術與機理，微藻油脂合成調(diào)控技術以及系統(tǒng)生物學方法研究生物能源技術等，都是劉冰峰每日要面對的工作內(nèi)容。

目前，他正在有機廢水中污染物定向生物能源轉(zhuǎn)化的道路上不斷打磨前進。

乘光生物能源之風 攻科研難關

談到如何走上這條研究之路，劉冰峰頗有感慨。他是在1998年考入哈爾濱師范大學生物技術專業(yè)的，盡管當年“高考沒有發(fā)揮好”，但在師兄的鼓勵下，他下定決心繼續(xù)深造，2005年考取了哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境科學與工程專業(yè)博士。“我本來沒想考博的，但是師兄勸我試一試，讓我聯(lián)系導師，我就冒昧地給導師寫了一封信。”出乎意料的是，導師很快給了他回復，“這讓我對自己更加有信心，相信我一定可以的”。也許正是這樣一番誤打誤撞，令劉冰峰科研生涯的大門又敞開了一片光亮。進入博士學習后，劉冰峰首先在科研方面著眼的就是有關生物能源方面的課題。

從博士畢業(yè)工作至今，劉冰峰一心都撲在了有機廢水處理與生物能源化的工作上,尤其是有機廢水的光發(fā)酵法生物制氫技術上。

早在2008年，劉冰峰就發(fā)現(xiàn)了Rhodopseudomonas faecalis的新菌株RLD-53，并采用間歇培養(yǎng)試驗確定了其最佳的生長和產(chǎn)氫條件。到現(xiàn)在，菌株RLD-53對乙酸具有高效的氫轉(zhuǎn)化率，已經(jīng)成為不爭的事實，其產(chǎn)氫能力更是高居世界前列。同時，圍繞這株產(chǎn)氫菌，針對當前光發(fā)酵細菌光能轉(zhuǎn)化效率低和產(chǎn)氫效率低下的技術瓶頸，建立了一系列增強碳源轉(zhuǎn)化效率和提升光發(fā)酵細菌產(chǎn)氫效率的強化策略，在產(chǎn)氫光發(fā)酵細菌的活性研究和工藝運行調(diào)控方面也做出了重要貢獻。

他的另一個重要發(fā)現(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了L-半胱氨酸引起的光發(fā)酵細菌自凝集促進產(chǎn)氫現(xiàn)象，并揭示了凝集機制，實現(xiàn)了光發(fā)酵細菌凝集狀態(tài)下的連續(xù)、穩(wěn)定和高效產(chǎn)氫。“同暗發(fā)酵產(chǎn)氫細菌相比，光發(fā)酵產(chǎn)氫細菌在反應器連續(xù)運行時易隨出水流失，導致反應器內(nèi)生物持有量和產(chǎn)氫效率低，這一發(fā)現(xiàn)為光發(fā)酵法生物制氫的進一步研究開辟了新的發(fā)展方向，對豐富產(chǎn)氫光發(fā)酵細菌的凝集理論有重要的理論價值和實際工程研究意義。”劉冰峰說。

要實現(xiàn)廢水中有機物的高效轉(zhuǎn)化！要降低能源生產(chǎn)成本！在研究新菌株和細菌新種的過程中，劉冰峰發(fā)現(xiàn)，自己要實現(xiàn)的這兩個目標似乎一直擺明著“矛盾”的立場。他深知，給這兩個矛盾體調(diào)解，已經(jīng)困擾了眾多科研工作者多年，但他還是迎向了這一挑戰(zhàn)。

圍繞這個課題，他構建了暗發(fā)酵—光發(fā)酵耦合產(chǎn)能工藝系統(tǒng)及最佳耦合匹配機制。當然，說起來簡單，做起來卻并不容易，真正讓他有所突破的是一個重要的靈感——“底物梯級利用＋耦合產(chǎn)能”。在這個新思路的指引下，他建立了游離態(tài)的暗發(fā)酵細菌和固定化光發(fā)酵細菌一步法和兩步法的耦合產(chǎn)氫體系；同時設計了新型暗發(fā)酵—光發(fā)酵細菌一體式產(chǎn)氫反應器。如此一來，就使得暗發(fā)酵細菌與光發(fā)酵細菌在空間生態(tài)位上相對分離，而代謝底物可自由聯(lián)通，從而有效地解決了暗光兩類微生物在生態(tài)位上的差異。“與單一暗發(fā)酵產(chǎn)氫相比，利用我們的方法，使產(chǎn)氫量提高了2至3倍，最終實現(xiàn)了廢水中有機物的梯級轉(zhuǎn)化和深度產(chǎn)能。”劉冰峰說。

育人、科研齊頭并進

多年以來，劉冰峰毫不懈怠科研的進程，他早就做好了打一場長期戰(zhàn)役的準備，而在他的科研生涯中，也常常遇到極具挑戰(zhàn)性的事。

“傳統(tǒng)的富油微藻的選育方法過程繁瑣、費時、費力而且成本極高”，劉冰峰舉例道，針對這個難題，他采用尼羅紅熒光染色法對產(chǎn)油微藻進行快速、高通量的篩選，由此獲得了高含油（52%）微藻新藻株Scenedesmus sp.R-16。與此同時，結(jié)合使用 60Co-γ射線誘變技術獲得了富油微藻突變株Scenedesmus.sp Z-4，這種富油微藻突變株相比于出發(fā)藻株，油脂產(chǎn)率和含量分別提高113%和71.3%。這個結(jié)果令劉冰峰喜上眉梢，也令他更堅定了在科研道路上有條不紊地走下去。

眾所周知，如果單單利用傳統(tǒng)油脂提取方法，那么耗時、費力、毒性大、成本高等一系列關鍵問題都將成為限制條件，尤其是具有厚細胞壁的微藻油脂難于檢測的技術障礙更是令劉冰峰著實苦惱。但困難面前，他也有對策——超聲輔助與三維熒光技術結(jié)合快速檢測微藻油脂含量的新方法就是其中之一，此法具有所需樣品量少、靈敏度高、易于操作的優(yōu)點，為后續(xù)微藻生物柴油的研究奠定了堅實的基礎。在此之外，他還闡明了多種營養(yǎng)因子對微藻細胞生長和油脂合成的調(diào)控與響應規(guī)律，有效地探索出了微藻高生長率和高產(chǎn)油率的最佳培養(yǎng)條件。

和學生在一起

科研的道路上也離不開自身能力的提高。2014年，劉冰峰到美國得州農(nóng)工大學系統(tǒng)生物學方向做訪問學者，國外的生活與工作也給了劉冰峰不一樣的體驗。“我的英語其實是在讀博以后自學的，由于科研需要和為出國做準備，我經(jīng)歷了一段痛苦的學習英語之路。”劉冰峰說道。可是，“苦功夫”并沒有白費，現(xiàn)在，劉冰峰早已能自如地翻看英文的科研材料，也能把英語熟練運用到自己的工作中。

出國帶給他的“副產(chǎn)品”絕不只是英文能力的提高。他坦言，在國外的日子里，從入學到科研再到畢業(yè)留校，每個身份轉(zhuǎn)變好像都與以往并沒有什么不同。“但等到自己真正從學生轉(zhuǎn)變成老師，才有了不一樣的感受，學生與老師之間必然會遇到一些問題，但更多的是責任。”劉冰峰表示。

除了繁重的科研工作之外，在學生培養(yǎng)上，劉冰峰會定期組織學生進行學習和思想交流，及時發(fā)現(xiàn)學生存在的問題并進行正確的引導。“交流是必須的，要學會傾聽學生的聲音。”此外，他教導學生如何正確處理同學之間及師生之間的關系，使其和平相處，和諧發(fā)展。在他看來，學生是需要引導的，而作為老師，身上就擔負著這樣的責任。在擔任班主任期間，劉冰峰所帶的班級成績連續(xù)4個學年排名專業(yè)第一，優(yōu)秀成績學生比例突出，并榮獲“三好班級標兵”稱號。

“我的研究方向一直沒有變，我也一直想把這個方向做下去，我總覺得，人一生總要有一個可以堅守的東西，這就是我所要堅守的。”劉冰峰說道。在未來，劉冰峰希望在現(xiàn)有的生物能源的基礎上，一步步向污染物處理、生態(tài)修復等方向拓展。“學科結(jié)合也是一個必經(jīng)之路，也許會對有機廢水的治理更有利。”科研與教學，劉冰峰定會勇往直前，義無反顧。