環境微生物組研究：讓地球更健康

作者：劉雙江（中國科學院微生物研究所所長、研究員）

來源：光明日報

現在大家對人體微生物組的重要性已經有所了解，但對地球微生物組卻並不清楚。其實，正是有了微生物，地球環境才是今天的面貌。在地球微生物組中，環境微生物是非常重要的一個組成部分，它們不僅是地球環境演化的關鍵參與者，也將在生態環境治理和保護中發揮重要作用。

微生物實驗觀察

環境微生物組是對環境污染進行生物修復的技術核心

環境微生物組學近期應關注四個重點方向

環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研究思路、技術和方法運用到環境過程的研究中，研究環境過程中微生物群體的結構、功能及其與環境的相互作用，最終利用微生物群體提升環境質量。環境微生物組與人體微生物組、農作物微生物組、傳統發酵過程微生物組等共同組成當今生物科學發展的前沿。

環境微生物組是污染環境生物修復的技術核心，可為實施生態文明建設、提高環境質量的國家目標提供資源和技術的保障。當前，結合我國環境需求，特別是為了實現國家《水污染防治行動計劃》（簡稱「水十條」）、《土壤污染防治行動計劃》（簡稱「土十條」）、《大氣污染防治行動計劃》（簡稱「大氣十條」）的目標，環境微生物組學研究應該重點關注以下研究內容。

水體微生物修復（特別是黑臭水體治理）——早在一百多年前，人類就利用微生物降解污染物的功能，發明了污水處理技術，但目前在活性污泥中我們知道的微生物種類不到其總數的15%，科學家已經啟動研究污水處理設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，從而提高設施運行效率和穩定性。「水十條」明確要求，到2020年，地級及以上城市建成區黑臭水體均控制在10%以內。解析水體黑臭形成原因、提出控制途徑和發展消除技術、保障污水處理設施高效運行等，環境微生物組技術將發揮不可替代的作用。

污染土壤微生物修復——微生物是污染土壤生物修復的主力軍，農藥、除草劑、重金屬等化學污染品主要是通過土壤微生物菌群降解和轉化作用得到消除或者被鈍化。「土十條」規定，到2020年，受污染耕地安全利用率達到90%左右，污染地塊安全利用率達到90%以上。實現上述目標，需要因地制宜的多種土壤修復技術，其中基於微生物轉化和降解的植物—微生物聯合修復技術將發揮重要作用，微生物組技術和方法，將為研究微生物、植物、污染物三者相互關係、建立土壤微生物群體調控技術等，提供關鍵微生物資源和核心技術原理。

環境微生物菌劑——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，微生物菌劑常常是技術依託的核心。近年來，微生物菌劑已經普遍應用於河道治理、污染土壤修復，但是其效果不夠穩定。這是因為微生物菌劑的效果，不僅僅取決於菌劑菌種本身對污染物的去除效率，更受到菌劑使用環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鍵因素。我國在過去十多年的研究立項中，主要關注微生物菌劑本身，對環境微生物組、菌劑與各種環境微生物組的相互作用重視不夠。

空氣微生物指數——空氣並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，構成空氣微生物組。空氣微生物既來源於當地的人類活動和自然地表過程，也可能是遠距離大氣運動輸入而來，它們構成氣溶膠，或者附著在塵埃上，其在空氣中存活時間與微生物本身抗逆能力和大氣物理化學條件有關。空氣微生物與空氣污染密切相關，據統計，呼吸道疾病發生率與空氣污染程度（例如PM2.5濃度）具有明顯的正相關，空氣中的微生物如病毒顆粒、細菌細胞及真菌的孢子（大多粒徑在0.2微米—2微米範圍）易附著在PM2.5顆粒上由氣流攜帶遷移，被人體吸入可引發人體免疫反應和呼吸道感染，病原微生物濃度高時還會引發皮膚接觸類疾病和其他嚴重疾病。「空氣微生物指數」可以用來指示空氣中微生物種群和丰度，進而評估空氣質量，並及時發現外來微生物（例如烈性病原微生物）。

儘快啟動以微生物組為主題的研究計劃或重大項目

缺乏以微生物組為主題的研究計劃和重大項目，致使我國與美國等發達國家的差距正在加大

有關資料統計表明，截止到2016年，國際上啟動了9個環境微生物組相關的研究計劃，大家比較熟悉的有海洋微生物組計劃、土壤微生物組計劃和地球微生物組計劃（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，該項目將對全球典型的環境樣本包括土壤、海洋、空氣、淡水生態系統等的微生物群落進行宏基因組測序，我國參與了部分EMP計劃。

與國外集中啟動環境微生物組計劃不同，我國在過去啟動的以「環境」和「生物資源」為主題的科技計劃或重大項目中，部分包括了環境微生物組的內容，但缺乏以微生物組為主題的研究計劃和重大項目，致使我國與美國等發達國家的差距正在加大。20世紀初，中國科學院有關專家開始推動「微生物地球」研究計劃，並於2014年啟動了土壤微生物相關的先導專項研究計劃。目前，「水圈微生物」研究計劃正在論證之中。

不少科學家都在積極呼籲，希望能夠儘快部署我國環境微生物組的系統研究。我國擁有多種多樣的生態環境，高原、濕地、森林、湖泊、沙漠、海洋等，其中蘊藏著豐富的微生物資源，儘管已經啟動了一些資源專項調查研究，但這些調查研究多從生物多樣性和物種的角度展開，今後應從微生物組的角度，全面掌握這些環境中的微生物資源、功能、相互作用及其開發利用價值，這是資源調查類專項必須提出的要求。

同時，微生物組大數據的收集、存儲、功能挖掘、開發利用等共性技術，還是我國微生物研究的薄弱環節，這是制約微生物組發展的關鍵核心，建議以戰略眼光進行先行部署。

在應用方面，建議以國家需求和工程實施為出發點，發展新一代環境微生物技術，提升我國環境質量；發展基於環境微生物組研究成果的微生物菌劑和應用技術，以用於黑臭水體治理、城市污水處理效能提升、污染土壤修復等。同時，加強應用基礎研究與成果轉化的協同發展，搭建研究機構與環保企業的溝通平台，暢通成果轉移轉化的渠道。

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