——记中国科学院生态环境研究中心副研究员刘文宗

　　本刊记者  庞红硕
　　
　　

　　
　　技术更替，古来便遵循优胜劣汰之道。人们常常会欣然赞颂革新技术带给现代城市发展建设的光鲜一面，却难能深入了解伴随新型产业、技术的崛起而悄然破土的系列问题。城市，既是人群生活的高密度汇聚区，也是工业产能的高效率集成区，存在大量工业和生活废水、污染物的排放。
　　剩余污泥作为城市污水处理的必然产物，含有大量有机物、丰富氮磷营养物以及重金属等，具有较高的回收利用价值。
　　近年来，随着城市污水处理水平的显著提升，大量剩余污泥该怎样处理才能避免二次污染成为环境工程领域亟待解决的新难题。据调查，城市剩余污泥当中有机物含量可高达55%～60%，其中氮、磷的存在形式为有机态，具有释放缓慢、肥效持久等特性。基于该性质，其可通过融合微生物技术转化生成清洁能源甲烷，取得净化污染物并创造实用应用价值的双重效益。被化学与微生物复杂关系一路吸引，中国科学院生态环境研究中心副研究员刘文宗从事废水、污泥生物转化与资源回收研究近10年。回首过去，立足当下，面向未来，他的工作离不开污泥厌氧转化、碳源梯级利用和甲烷生成，亦抛不开功能微生物和生物电子传递。
　　

加快“变废为宝”速度

　　在我国，填埋、海洋处理和焚烧等传统处置剩余污泥的方式不仅无法满足环保、可持续发展的要求，还会进一步加剧二次污染给生存环境造成的压力。显而易见，时代需要环境领域新技术、新研究的迭起。
　　站在百余年水处理研究的桥头，污泥厌氧消化的出现是充满希望的征兆。在无氧条件下，它由兼性菌和厌氧细菌将污泥中可生物降解的有机物转化为二氧化碳、水和甲烷等，是污泥减量化与稳定化的惯用手段之一。因转化物符合环境友好型社会的建设标准，同时助推了清洁资源的出产，污泥厌氧消化技术的升级具有着重要的环境、资源倡导意义。但从目前来看，形势却并不容乐观。“城市剩余污泥厌氧产甲烷速率能否获得突破性提高是推动污水处理厂污泥能源化处置的重要驱动力，但传统剩余污泥能源回收过程碳源转化速率和产甲烷速率低，成为制约该领域发展的关键因素。”刘文宗说。
　　在哈尔滨工业大学学习期间，在美国宾州州立大学、俄克拉荷马大学稍作停留后，刘文宗决定在中国科学院环境生态研究中心攻坚攻难。前期的学习、工作经历对他而言不仅是一个知识累积和经验收获的过程，更明显的作用是凝结形成了透过眼睛观察世界和融入切身体会的新思维。他坦言，远赴海外见识到全新的科研平台并不会立竿见影在行为方式上对自己造成影响，倒是由于中外思想的交叉碰撞让他在思考层面产生了微妙的变化。
　　2015年，在国家自然科学基金青年基金项目“微生物催化电解促进剩余污泥产甲烷新型工艺及定向调控”的研究基础之上，刘文宗又顺利拿下有关“微生物电解过程中甲烷转化及电极—生物界面电子还原机制”的面上项目。对待此类理论机制性研究，刘文宗有一番自己的态度，“任何新技术都不是凭空出世的，恰恰是最原始、最基础的东西对研究的创新最具指导价值。我们是从根源上理顺思路，在以往的认知原理、反应规律的基础上寻求突破”。
　　以提高城市剩余污泥转化和产甲烷速率为目标，重点揭示耦合厌氧消化体系微生物反应界面的电子传递与还原过程及污泥产甲烷强化机制，刘文宗带领项目团队基于复合电导材料和不同功能微生物信息传递界面间的电子传递/质子还原进行原位解析。与此同时，他们还采用微电极系统剖析新型基底材料同生物膜功能群间的影响与作用过程机制，拓展微生物信号分子对主要功能菌群的调控策略。面对耦合体系中核心菌群功能构建、电子传递调控与强化等影响污泥降解产甲烷速率的难点问题，他们阐述了基于电子传递的碳源转化功能菌互作网络路径并提出生物阴极驱动促进产甲烷机制，发展了提升污泥中存在碳源的转化电子调控有效手段。“我们提出的研究思路和方法均具有创新性，有望在生物电极材料优化与高效功能菌群构建上为污泥处理与能源回收技术发掘突破口，为污泥资源化带来良好的现实意义和发展前景。”
　　

提升“变废为宝”水平

　　科研是一个循序渐进的过程。刘文宗表示，从理想化到实际应用，兴趣是坚持研究的推进剂，而经验则是在时间的长河中渐渐趟出来的。思索、坚持、改变，这是他给自身的概括，他说：“每个人的故事和经历是不一样的，但不管以什么角度出发，大家都在科研的道路上前行。我既然选择了一个动态且模糊的过程，就姑且先不考虑不甚清晰的格局，目前能做和要做的是向前走一步，再走一步。”
　　在思考中步履坚定，他顺应局势为研究掌舵护航。
　　在厌氧消化的深入挖掘中，针对在厌氧生物处理中占据核心位置的功能菌，刘文宗指出，当前相关的调控和影响手段尚少，并且承担代谢产能实质过程的电子传递对功能菌主导的碳、氮转化机制也还未明晰。“厌氧转化是一个周期较长的微生物降解过程，这就限制了该技术的应用，使现有的工业工艺滞后于国家发展需求。”所以，如何实现慢生菌等功能性菌群的强化和调控仍需不停探索。
　　总结前一个阶段的项目经验，在2017年度最新的“电极电子传递促进污染厌氧代谢系统慢生菌功能强化研究”项目当中，刘文宗树立下加快污泥生物厌氧处理效率的目标。基于电极电子传递促进代谢的机制，围绕种间电子传递对厌氧代谢过程的碳和氮生物转化促进效果，以及电子传递对相关厌氧功能菌的生长方式、代谢路径影响开展重点探索，他们解析电极生物膜、微尺度环境空间中的主要功能菌的强化协作过程，综合发展污泥厌氧处理技术。“区别于以往局限于电极生物膜内产甲烷过程作为提升厌氧消化的单一目的，这次研究内容重点是胞外电子传递对厌氧系统网络功能菌直接和间接的正向影响。”除了明确基于胞外电子传递促进污泥厌氧消化种间协作强化是提升污泥厌氧转化的关键科学问题，刘文宗将厌氧消化系统的功能调控以及胞外电子传递对碳素转化菌群强化视为解析难点，旨在为剩余污泥厌氧产能效率的提升带来积极意义。
　　截至目前这份答卷还远没有完成，在对剩余污泥中有机物降解速率的提高作出总结之际，刘文宗也表达了对后期研究的希冀。随着国家越来越重视剩余污泥资源化，立足污染物究竟是何去向这一漫长、复杂节点，他强调撬开胞外聚合物外壳对碳源、氮源转化本质进行剖解，从污泥结构、微生物及非微生物的细胞构成、交联关系彻查，寻找更完善的资源分质体系供给人们使用。
　　当前刘文宗与国内外领域学者保持着密切的合作联系，他说他要同大家一起探讨，用新型理论、工具指导解决现有基础问题。在他看来，思想交流是一种解压的方式，是通过思维沟通的形式给予自身走出当前困惑的启发和视角。他不再钻牛角尖，给自己定位为学习为主，学习日新月异的知识和传道育人的经验方法。此外，他还把学生看作源源不断的科研力量，把传承的要义阐释得言简意赅，“一个优秀的团队能让一批又一批学生快速成长，让他们能够发挥自己最擅长的东西，而传承的重点在于要如何避免后人对前人工作的无效重复以及系统研究的断层。”使新人站在前人的肩上，让研究一代代继承并发展，刘文宗说他还需要持续地探索、思考。