鉆堅研“微”
——記哈爾濱工業大學環境學院副教授李智靈

□ 龐紅碩

現代工業特別是石油化工、農藥產業的不斷發展，使進入自然環境的化學物質種類和數量越來越多，已經遠遠超過了自然界的恢復能力。近年來，持久性有機物對環境的污染及帶來的危害越來越引起人們的注意，大量的學者投入到有機污染物生物降解研究當中，哈爾濱工業大學環境學院副教授李智靈就是其中的一員。她以水土環境中毒害性和難降解污染物的微生物強化去除為研究重點，在持久性有機污染物的微生物強化分解轉化領域取得了一系列有創新性的豐碩的研究成果。近年來，在環境領域頂級期刊Water Research，Environmental Science &Technology等發表SCI論文40余篇，論文他引500余次，H因子為16。2014年，李智靈獲得日本生物工學會亞洲青年科研獎勵獎（The Dasilva Award)，該獎項授予在微生物領域有潛力的35歲以下亞洲籍青年研究人員且每年只獎勵1人。2015年，李智靈獲得中國微生物生態青年科技創新獎一等獎。2018年，李智靈作為編輯在德國Springer-Verlag出版社出版專著一部“Bioelectrochemistry Stimulated Environmental Remediation”。

識“微”見遠

李智靈

2001年5月22日，包括中國在內的90個國家在瑞典斯德哥爾摩簽署一項公約，決定禁止或限制使用艾氏劑、滅蟻靈、滴滴涕等12種持久性有機污染物，這12種持久性有機污染物能夠沿著食物鏈傳播并在動物體內的脂肪聚集。它們會引起過敏、先天缺陷、癌癥、免疫系統和生殖器官受損。它們都屬于環境激素，即使濃度極小，也會影響人類的內分泌系統。即使這些持久性有機污染物已經被禁止或限制使用，但這些污染已經在土壤和水中長期存在，不僅難以生物降解，而且流動性很強，能夠在世界范圍內廣泛傳播。實際上持久性有機污染物已經成為在環境中廣泛存在并嚴重威脅人類健康的全球性環境問題。

2000年，李智靈進入中國地質大學環境工程系，開始對持久性有機污染物有所了解。當時，國內對持久性有機污染物的基礎研究和應用研究基礎都比較薄弱，研究的廣度和深度都落后于發達國家。雖然當時已經有學者開始關注持久性有機污染物的生物治理法，卻沒有引起重視。當時還是學生的李智靈通過了解與學習，已經認識到微生物在環境污染治理和生態修復過程中發揮著重要的作用。在中國地質大學相繼完成本科學業和碩士學業后，李智靈進入日本名古屋大學繼續深造，師從EcoTopia科學研究所副所長片山新太教授，并獲得日本政府（文部科學省）獎學金全額資助。“其實當時我也選了很多美國學校，但是片山新太老師的研究方向與我碩士期間的研究方向十分相近。當時，我的一位學姐也在日本，所以思考了一段時間后還是決定去日本。”李智靈說道。

在日本，李智靈一待就是近6年。在這期間，李智靈依托名古屋大學這個日本頂尖、國際一流的研究型國立綜合平臺對微生物在環境污染治理和生態修復過程中的作用進行了深入研究，并作為核心人員參與“厭氧微生物技術原位分解鹵代烴及相關機制研究”“厭氧微生物作用于新型微孔材料的研究”等多項日本國家級科研項目。2013年，李智靈結束日本的博士后工作后回到祖國，落腳哈爾濱工業大學。日本的留學經歷讓她具備了很強的科研能力、豐富的科研經驗和國際化的研究視野。目前主持包括國家自然科學基金、國家博士后基金特別資助、黑龍江省自然科學基金、國家重點實驗室開放課題在內的多項國家級課題。參加微生物生態、生物技術領域國際大會并作邀請報告和口頭報告近20次，申請并授權發明專利10余項，研究成果普遍受到業內專家肯定。

研精究“微”

傳統的微生物降解持久性有機污染物的過程中，對功能微生物的分離和篩選是十分關鍵的一步。李智靈從自然環境中通過馴化、篩選、分離得到了能去除鹵代芳香族污染物的有效菌種，補充了難降解有機污染物分解菌的種質資源。然而，基于污染物的毒性，分離株很難達到徹底脫毒污染物的目的。因此如何讓分離出來的微生物更好地與其他微生物在環境中共生并有效協同達到污染物徹底脫毒的目的呢？

針對這一問題，李智靈基于微生物種群共生和互生的生態學原理，提出了用“厭氧發酵—還原脫溴—氧化分解”3個步驟實現鹵代芳烴厭氧礦化的新思路，以及通過建立菌群的優化培養和有效規避功能菌與非功能菌群的營養競爭，長效維持礦化功能的操控策略。李智靈在毒害性污染物的微生物強化去除工藝上構建了鹵代芳烴微生物厭氧礦化新工藝，通過優化調控營養條件、外源電子供/受體條件，實現發酵產氫菌群、還原脫鹵菌群、氧化分解菌群和嗜氫產甲烷菌群的協同共生和互作以及五氯酚，2,4,6-三溴酚，4-氯酚等典型鹵代芳烴的長期厭氧礦化和快速徹底脫毒，解決了鹵代芳烴厭氧生物分解過程轉化不徹底和毒害性產物積累的難題。以上成果李智靈以第一作者發表在Environmental Science & Technology、Bioresource Technology等環境領域內權威期刊。

值得一提的是，對于毒害性污染物硫，李智靈從分子和基因層面揭示反硝化脫硫功能自養和異養微生物的互作關系和群落演替規律，明確核心功能微生物在生物硫回收過程的作用機制，提出了基于膜反應原理的原位單質硫回收新型工藝，實現了高污染物負荷條件下單質硫的高效回收和原位分離。她還根據硫酸還原和反硝化生態位分離的原理，開發出轉筒型反硝化脫硫反應器，實現了硫酸鹽、硝酸鹽和COD的高效同步去除。這有效解決了傳統生物除硫過程可控性差、硫回收效率低和分離困難等難題。相關成果李智靈以通訊作者發表在Water Research、Journal of Hazardous Materials等環境領域內權威期刊。這些成果為我國水土環境中難降解和毒害性有機物的生物原位修復強化提供了策略和技術支持。

積“微”成著

李智靈對氯代芳香有機化合物的微生物分解與轉化一直在進行深入的研究，針對其分解速率慢、微生物代謝能力低下等問題，李智靈提出了外加恒定負電位提供外源電子激活微生物的厭氧呼吸代謝的策略。

2015年，李智靈主持了國家自然科學基金（青年）項目“生物陰極加速氯代烴污染物還原脫氯及作用機制”。她基于電刺激提供外源電子供體強化生物脫色脫鹵的原理，實現了典型難降解污染物的快速還原脫氯、脫色和脫毒。闡明了生物陰極加速難降解污染物的本征：通過微弱外加電壓輸入，為難降解污染物提供額外的電子供體和還原力。較傳統的外加氫氣或短鏈脂肪酸等手段，避免了發酵產氫和氫化酶氧化等環節，大大加速了微生物—污染物之間的電子傳遞效率。開發廊道推流式生物電化學系統和電刺激厭氧—好氧連續流系統等新型工藝模式，實現典型難降解污染物的快速還原脫氯、脫色和脫毒，解決了限速步驟分解速率慢、微生物代謝能力低下的難題。目前為止，李智靈以第一、通訊和第二作者（第一為指導學生）在Environmental Science &Technology、Water Research等環境領域內權威期刊共發表論文25篇。

和研究室學生合照

從事研究持久性有機污染物的微生物分解轉化這么多年，李智靈一直很重視工藝上的創新和科研成果轉化。如今，國內持久性有機污染物的生物降解研究發展迅速，李智靈和她的團隊在積極推進科研成果轉化的同時，也在推動工藝往精細化發展。2017年，李智靈及其所在團隊獲得中國原環保部環境保護科學技術獎一等獎。李智靈表示，在不久的將來有關“持久性和毒害性污染物的微生物強化去除”研究會有很多新的成果呈現出來。

對于未來，李智靈不急不躁。盡管利用微生物對環境中持久性有機污染物進行分解轉化還有很多問題有待解決，但她覺得凡事都要一步一步來。她說：“科研就是一個長期積累的過程，只要目標明確，沉下心來去研究，問題總有解決的一天。”