芯片預(yù)警千種藍(lán)藻 珠江水源守護(hù)升級(jí)

　　微生物脫氮等新技術(shù)讓大灣區(qū)居民喝上放心水

　　“我們不僅要治污水，更要保好水！特別是珠江流域的飲用水水源地，不僅為廣州、深圳等珠三角城市提供安全清潔的飲用水，還直供香港。如何防微杜漸，監(jiān)測(cè)并保護(hù)好珠江流域的水源地水質(zhì)，干系十分重大。”廣東省微生物研究所副所長(zhǎng)、博士生導(dǎo)師許玫英向廣州日?qǐng)?bào)記者介紹，2020年年底，廣東省科學(xué)院微生物研究所、華南科學(xué)環(huán)境研究所、珠江水利科學(xué)研究院、廣東工業(yè)大學(xué)、廣州市自來水公司、廣州美格基因科技有限公司、廣州中洲環(huán)保科技有限公司共7家企事業(yè)單位聯(lián)合開展了“珠江流域飲用水水源地水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”的重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。目前，這套技術(shù)已經(jīng)成熟，將為粵港澳大灣區(qū)百姓能持續(xù)喝上放心水提供了有力的保障。

　　相比治污、我們正通過哪些科學(xué)技術(shù)手段保持潔凈的飲用水水質(zhì)？相關(guān)科研人員向記者做了介紹。

　　文、圖/廣州日?qǐng)?bào)全媒體記者武威

　　“我們先前的調(diào)研顯示，對(duì)珠江流域飲用水水源地水質(zhì)威脅最大的是氮素污染，因此我們的科研項(xiàng)目根據(jù)專家的要求，集中在氮的治理。氮素污染是誘發(fā)水華的重要原因，對(duì)水質(zhì)也會(huì)造成較大威脅。”廣東省科學(xué)院微生物研究所副研究員楊旭楠向記者介紹，目前珠江流域的飲用水源地水質(zhì)普遍能達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等所產(chǎn)生的氮素污染等問題依然不容小覷。從2020年年底，科研人員就在東江源頭附近的斗晏水庫和下游的百花林水庫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和科技攻關(guān)，這兩個(gè)水庫目前是城市的備用水源地，相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了水污染預(yù)警、防、治等多項(xiàng)技術(shù)的可行性。

　　給藍(lán)藻做“核酸檢測(cè)”

　　“上醫(yī)治未病”，要想預(yù)防水污染，建立相關(guān)預(yù)警機(jī)制特別重要。但傳統(tǒng)的污染物檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，靈敏性也不強(qiáng)。待真正檢測(cè)發(fā)現(xiàn)污染物時(shí)，往往已出現(xiàn)水體污染。許玫英告訴記者，他們建立的預(yù)警機(jī)制主要依托于監(jiān)測(cè)一種微生物——藍(lán)藻，“藻類對(duì)水體內(nèi)的氮素含量反應(yīng)最敏感，不同的氮素組成，就會(huì)出現(xiàn)不同的藻相。”

　　“這個(gè)監(jiān)測(cè)技術(shù)有點(diǎn)類似核酸檢測(cè)。我們利用相關(guān)生物和數(shù)字技術(shù)，對(duì)水體內(nèi)的藍(lán)藻進(jìn)行‘核酸檢測(cè)’后，判斷水里的藻類組成情況，由此來靈敏地判斷水體的受污染程度，并及時(shí)提出預(yù)警。”廣州美格基因科技有限公司束浩然向記者展示了一款公司開發(fā)的帶著8個(gè)小黑圈的“玻璃片”，這其實(shí)是一種檢測(cè)藻類的高通量芯片，“每一個(gè)小黑圈意味著可以檢測(cè)一個(gè)樣品，因此這塊芯片可以檢測(cè)8個(gè)不同的水體樣本。實(shí)驗(yàn)人員只要在黑圈里滴入一滴水樣，就可以看到一滴水里面，到底能檢測(cè)出多少種不同的藍(lán)藻。”

　　束浩然介紹：“在自然界中，已知的藍(lán)藻有成千上萬種，現(xiàn)有方法實(shí)時(shí)檢測(cè)難度大且準(zhǔn)確度難以保證。美格構(gòu)建了完備的藍(lán)藻數(shù)據(jù)庫，并對(duì)數(shù)據(jù)庫里的藍(lán)藻基因組序列進(jìn)行比對(duì)得到它們的特征序列，據(jù)此設(shè)計(jì)并人工合成特異性的基因探針；將這些探針錨定在特制的玻片表面，得到了我們現(xiàn)在看到的高通量藍(lán)藻檢測(cè)芯片。”

　　束浩然告訴記者，如果將這塊“玻璃片”放在光學(xué)顯微鏡或者掃描儀上看，我們就能發(fā)現(xiàn)上面有很多微型探針陣列，其中每個(gè)檢測(cè)陣列包含了多達(dá)6萬個(gè)特異性基因探針。

　　“為準(zhǔn)確識(shí)別每一種藍(lán)藻，我們都針對(duì)性地設(shè)計(jì)了50到100個(gè)特異性的基因探針；基于這些特征探針，我們的芯片可以把環(huán)境中的常見藍(lán)藻分布信息和演化動(dòng)態(tài)一網(wǎng)打盡。這樣，科研人員就可以及時(shí)掌握水體里的藍(lán)藻多樣性和種群變化情況，準(zhǔn)確評(píng)估哪些藍(lán)藻存在爆發(fā)潛質(zhì)并及時(shí)干預(yù)。”

　　束浩然介紹，除了這種包含6萬個(gè)探針的藍(lán)藻檢測(cè)芯片，企業(yè)還開發(fā)了單個(gè)陣列高達(dá)12萬個(gè)探針、更高通量的生物檢測(cè)芯片，和只有數(shù)千個(gè)探針的低通量芯片，以適應(yīng)不同檢測(cè)場(chǎng)景，可以快速完成復(fù)雜藍(lán)藻環(huán)境普查和有針對(duì)性的監(jiān)控4、5種關(guān)鍵藻類的動(dòng)態(tài)變化情況。“在未來大規(guī)模應(yīng)用的前提下，這種低通量芯片的價(jià)格將降低到20~30元，能有效降低水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測(cè)的成本。”

　　據(jù)悉，目前基于藍(lán)藻監(jiān)測(cè)的“水華遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)”的原型設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，水華數(shù)據(jù)可通過平臺(tái)實(shí)時(shí)反饋給總部的科研人員。“目前，我們建立的水華快速精準(zhǔn)預(yù)警技術(shù)，相比傳統(tǒng)預(yù)警技術(shù)預(yù)測(cè)誤差降低30%以上，響應(yīng)時(shí)間縮短50%以上。”楊旭楠告訴記者。

　　高效截留防止氮肥入水

　　做好水質(zhì)核酸檢測(cè)的同時(shí)，預(yù)防污染物進(jìn)入水體，是飲用水源地保護(hù)的重中之重。

　　科研實(shí)驗(yàn)過程中，楊旭楠等科研人員對(duì)百花林水庫周邊進(jìn)行了走訪。該水庫位于廣州市增城區(qū)，增江一級(jí)支流附城河上游，1957年建成，集水面積17.4平方公里，總庫容1084萬立方米，是廣州市備用飲用水源地之一。

　　楊旭楠表示，盡管百花林水庫水質(zhì)常年能維持Ⅱ類水，但在走訪過程中他仍發(fā)現(xiàn)一些潛在的可能造成污染的問題。如百花林水庫的上游有一個(gè)村莊，這條村的截污工作還有待進(jìn)一步完善；此外水庫旁還有一片果林，下雨時(shí)容易出現(xiàn)面源污染的問題，果林土壤中的氮、磷等化肥容易被沖到水庫里。而要防止這些富營(yíng)養(yǎng)化的污水進(jìn)入水庫，科研人員建立了一套水岸截污系統(tǒng)，同時(shí)在水岸邊開發(fā)了一套“生物高效截留脫氮技術(shù)”。

　　“這套技術(shù)主要分兩大模塊，一個(gè)是‘水岸生物截污模塊化技術(shù)’，另一項(xiàng)是‘電子穿梭體強(qiáng)化自養(yǎng)型鐵驅(qū)動(dòng)生物脫氮技術(shù)’，簡(jiǎn)單說，就是在水岸邊建造‘生態(tài)潛壩+多級(jí)攔截凈化’系統(tǒng)；再利用潛壩中的鐵礦物、活性炭以及鐵還原菌等微生物，促進(jìn)氨在潛壩中轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)狻⑾趸退！睏钚耖榻B，經(jīng)過這樣的水岸改造，上游污水便不會(huì)直接進(jìn)入水庫水體，而是能有序地在水岸邊進(jìn)行相應(yīng)的脫氮反應(yīng)，讓水體中的氮源污染物大部分就變成了無害的氮?dú)忉尫诺娇諝庵校@就有效減少了水體的含氮量，保障了水質(zhì)。

　　“經(jīng)過這次科研實(shí)驗(yàn)，我們建立了全方位生物高效截留脫氮技術(shù)體系，這比傳統(tǒng)技術(shù)總氮和氨氮脫除速率提高30% ~40%，綜合運(yùn)行成本則降低了40%以上。”楊旭楠告訴記者。

　　以藻治藻遏制藍(lán)藻生長(zhǎng)

　　而對(duì)于已出現(xiàn)氮素污染的水體，該如何去氮控藻？科研人員又開發(fā)出一套“復(fù)合微生態(tài)系統(tǒng)去氮控藻技術(shù)”。

　　楊旭楠介紹，實(shí)驗(yàn)中，科研人員在水庫中構(gòu)建了一個(gè)個(gè)圓形的浮島，這些浮島由“挺水植物—沉水植物”按照最佳配比搭配而成，挺水植物主要為美人蕉、菖蒲等，沉水植物則是苦草、眼子菜等，這些植物對(duì)氮吸收能力強(qiáng)，在好氧脫氮菌劑的幫助下，這一組合通過“綜合利用植物吸收-根際微生物代謝聯(lián)合脫氮”的方法，可以實(shí)現(xiàn)氮素削減率50%以上。楊旭楠說：“我們直接從水源地底泥中馴化得到了好氧脫氮菌群，然后復(fù)配了兩種優(yōu)勢(shì)菌菌劑：深度脫氮菌劑和應(yīng)急脫氮菌劑，分別用于低負(fù)荷常規(guī)修復(fù)與高負(fù)荷應(yīng)急修復(fù)；這些微生物菌劑與生物浮島技術(shù)組合，構(gòu)建微生物-植物協(xié)同脫氮體系，顯著提高了脫氮效率。”

　　水體中，“以藻治藻”也是科研人員治理藍(lán)藻的好方法。楊旭楠介紹，他們?cè)诙逢趟畮熘蟹胖昧恕霸孱惛街鷳B(tài)網(wǎng)膜”，這種網(wǎng)膜由4種多孔輕質(zhì)材料構(gòu)成，非常適合無害硅藻、綠藻的生長(zhǎng)，通過競(jìng)爭(zhēng)抑制的作用，硅藻、綠藻就有效限制了有害藍(lán)藻的豐度。

　　楊旭楠還介紹，為了時(shí)刻保護(hù)水體，監(jiān)測(cè)水質(zhì)的變化情況，科研人員目前還建立了系統(tǒng)智能化管護(hù)技術(shù)，“這項(xiàng)技術(shù)可以累積、連續(xù)統(tǒng)計(jì)氮素和藻類群落的數(shù)據(jù)，評(píng)估水環(huán)境承載力，由此也將建立珠江的水環(huán)境健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。”

　　許玫英介紹：“我們所建立的多營(yíng)養(yǎng)級(jí)水生態(tài)安全評(píng)價(jià)技術(shù)將有助于系統(tǒng)分析水源地的污染特征，識(shí)別最主要的污染點(diǎn)位，進(jìn)而再結(jié)合我們已經(jīng)建立起來的生物脫氮技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)智能化管護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水體污染的及時(shí)治理和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這套技術(shù)體系目前已經(jīng)比較完善，未來將有望在水源地水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)進(jìn)行推廣應(yīng)用。”