全國科普月 | 生命科學(xué)新突破：生物科技賦能美麗中國

近日，在全國首個(gè)科普月主場活動(dòng)中，由中國科協(xié)青少年科技中心（中國科協(xié)科普活動(dòng)中心）攜手中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)策劃“智匯青春·科創(chuàng)成果向未來”主題展。同濟(jì)大學(xué)和中山大學(xué)的本科生科研團(tuán)隊(duì)，在污泥和抗生素廢水無害化處理和資源化利用中取得成果。

同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)：“點(diǎn)泥成金”的技術(shù)突破

城市污水處理過程產(chǎn)生的污泥含有大量有機(jī)質(zhì)，且氮磷鉀等植物營養(yǎng)元素豐富，具有資源轉(zhuǎn)化潛力。按照傳統(tǒng)的處理方式，污泥的處理費(fèi)用占據(jù)整個(gè)污水處理過程近一半，且大量持續(xù)的焚燒將難以實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)。在城市化和雙碳目標(biāo)的大背景下，污泥的無害化處理、特別是資源化處理處置已成為當(dāng)下智慧城市和無廢城市建設(shè)的必然選擇。厭氧消化可實(shí)現(xiàn)污泥中有機(jī)質(zhì)向甲烷的轉(zhuǎn)化，并富集緩釋碳源，逐漸成為污泥處理的主流技術(shù)。然而，污泥獨(dú)特的物質(zhì)屬性和厭氧微生物低代謝活性導(dǎo)致的低效性成為該技術(shù)的發(fā)展問題。

科研團(tuán)隊(duì)考慮到，生物代謝的本質(zhì)是以微生物主導(dǎo)的氧化還原反應(yīng)，因此，采用電化學(xué)增效反應(yīng)底物與微生物間的電子轉(zhuǎn)移過程，能夠有效的增速厭氧微生物代謝，加速污泥的厭氧消化效率，這具有科學(xué)性與可行性，并具備一定研究基礎(chǔ)。該新型厭氧反應(yīng)器通過優(yōu)化消化反應(yīng)電子傳遞過程，并富集篩選活性微生物，從而有效地提升污泥的厭氧消化效率，使沼氣的產(chǎn)生速率提升20%。消化產(chǎn)生的沼氣可替代化石燃料進(jìn)行燃燒發(fā)電，消化后的污泥則可作為植物營養(yǎng)土在園林綠化與花卉養(yǎng)殖方面進(jìn)行土地利用。

中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)：“果凍屋”凈化廢水的新路徑

城市污水處理關(guān)乎人民群眾的公共健康和城市水生生態(tài)，常規(guī)污水處理對抗生素殘留的去除率有限，中山大學(xué)的學(xué)生們通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對“水凝膠技術(shù)”和“生物處理技術(shù)”應(yīng)用于含抗生素廢水都有探索，但能將二者結(jié)合起來的研究和實(shí)踐較少。在老師的啟發(fā)下，學(xué)生團(tuán)隊(duì)提出了“把水凝膠做成微生物新家”的構(gòu)想，既能為微生物提供穩(wěn)定環(huán)境，又能有效治理污水。

在設(shè)計(jì)“果凍屋”時(shí)，團(tuán)隊(duì)并不滿足于單一的微生物載體功能，而是把承載微生物、加快降解過程、促進(jìn)能量回收和實(shí)現(xiàn)外部可控調(diào)節(jié)等功能打包結(jié)合，形成多功能協(xié)同系統(tǒng)。為此，他們利用水凝膠微孔結(jié)構(gòu)對微生物進(jìn)行封裝，既保證了微生物的穩(wěn)定附著，又保持了良好的物質(zhì)交換。研發(fā)團(tuán)隊(duì)還嵌入導(dǎo)電組分活性炭，建立了電子通道，加速了微生物的代謝過程，讓廢水處理具備回收潛力。特別是其中的紅外響應(yīng)設(shè)計(jì)讓“果凍屋”小球能夠在外場作用下調(diào)節(jié)溫度，提升了反應(yīng)速率和系統(tǒng)可控。

該系統(tǒng)最大的難點(diǎn)在于，如何保持多功能的同時(shí)，不破壞微生物的活性，因?yàn)閷?dǎo)電材料和功能填料的配比會(huì)影響微生物的生長環(huán)境。團(tuán)隊(duì)反復(fù)調(diào)整劑量配比，最終讓“果凍屋”真正具備了多功能一體化的優(yōu)勢。

目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在嘗試中試規(guī)模的反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)，并積極尋求與污水處理企業(yè)的合作，以期通過試點(diǎn)示范把科研成果逐步推向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

課外科技創(chuàng)新項(xiàng)目：超越課堂的成長禮物

無論是同濟(jì)大學(xué)的污泥無害化處理，亦或是中山大學(xué)的污水處理“果凍屋”科研創(chuàng)新，靈感均來自課堂之外的探索與跨學(xué)科實(shí)踐。這些項(xiàng)目不僅鍛煉了學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，也實(shí)現(xiàn)了“知行合一”。

廣大學(xué)子在展示現(xiàn)場對科研團(tuán)隊(duì)取得的成績表達(dá)敬意的同時(shí)，也對課外科技創(chuàng)新項(xiàng)目產(chǎn)生了濃厚的興趣。這場身臨其境的真實(shí)和生動(dòng)的講解，讓生物科技知識(shí)得以普及，也使得科學(xué)精神得以傳播。

來源：科普中國