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【科学讲座】庄国强:微生物相互作用及氮循环调控

2018年11月8日晚7点,中国科学院大学科学前沿进展名家系列讲座Ⅲ第170讲在玉泉路校区阶一4教室如期举行。中国科学院生态环境研究中心庄国强研究员深入浅出地为同学们介绍了环境生物技术以及氮循环功能微生物的调控。

庄老师首先介绍了生物技术的概念:以现代生命科学为基础,结合工程技术手段和其他基础学科的科学原理,按照预期目标,设计改造生物体,合成所需产品,包括基因工程、酶工程、细胞工程和发酵工程等,广泛应用于农业、医药、化工、食品、环境保护等领域。

庄老师又提到了生物技术的发展前景。固氮过程曾经在上世纪五六十年代引起了研究热潮,但是自上世纪90年代至今人们已经很少研究了,这是由于固氮菌需要消耗生物体的能量,很难高产。无论褒贬如何,转基因作物都是未来的一种可能,它可以带来高产量;而医学生物技术最受人们关注、发展迅速。庄老师认为,人类的健康、疾病的治疗、粮食的安全都是永恒的课题。

环境污染也是我们必须面对的问题,它可能制约人类的可持续发展。健康相对环境有滞后效应,在一段时间后我们必须面对环境病问题,“绿水青山就是金山银山”。庄老师如是道。

庄老师介绍到,环境生物技术始于20世纪80年代末期,以高新技术为主体,包括对传统生物技术的强化与创新。广义上讲,凡是自然界涉及环境污染控制的、与生物技术有关的技术体系,均可成为环境生物技术。

庄老师认为环境生物技术可以分为三个层次:基因工程技术为主导的现代污染防治生物技术,如基因工程菌构建、抗污染型转基因植物培育等;生物处理技术,如活性污泥法、生物膜法,及其在新的理论和技术背景下产生的强化生物处理技术和工艺等;利用天然(生态)处理系统进行污染治理的技术,如氧化塘、人工湿地系统等,其特点是最大限度地发挥自然界的生物净化功能。这与历史发展是恰好相反的。

庄老师提到目前环境生物技术还是以污染控制与修复为主,未来将是资源化利用。从范畴看,环境生物技术还是以微生物技术研究为主。

微生物不是严格意义上的分类名词和概念,包括所有单细胞的微小生物和没有细胞结构的病毒。Brock Biology Microorganisms中将微生物定义为单细胞的微小组织,它和植物细胞与动物细胞不同,可以独立生存与复制。

微生物的特点决定了其在生物治理与修复中的主导地位:微生物十分微小,故其表面积比很大,有利于与周围环境进行物质、能量、信息的交换;个体独立;结构相对简单;生长速度快,如大肠杆菌繁殖一代仅需20分钟。庄老师认为微生物影响和支撑着其他生命形式,是生命科学的基础。

地球的起源是46亿年,生物的起源接近40亿年(日本东北大学在格陵兰岛西部伊苏亚地区发现了37亿年前生命的痕迹)。微生物经过了亿万年的进化,种类和数量巨大,拥有丰富的代谢途径,参与大多数元素的循环。这都是环境生物技术领域需要的。

我们是否可以理性设计高效的微生物来进行环境治理?庄老师给出现在的答案是:基本不可以,还处在trial and error阶段。讲座结束,同学们爆发出热烈的掌声。(文/黄姹  图/伊力哈木江•玉苏扑  作者系国科大记者团成员)

讲座内容简介:

氮污染已成为我国水体、大气和土壤的重要污染源之一。作为微生物驱动的氮循环过程,理解氮循环中的微生物相互作用及调控过程,对于氮污染的治理有着重要理论价值。本讲座主要介绍微生物相互作用过程中的细菌“通讯”和氮调控的最新研究进展。

延伸阅读:

“科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月,是中国科学院大学为本科生开设的必修课程,同时欢迎研究生与教职工参加,由中国科学院大学本科部主办,讲座召集人为徐涛院士。该课程按照数学、物理、化学等13个专业,邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展,让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展,拓宽学生的学术视野,为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。