芯片預警千種藍藻 珠江水源守護升級
微生物脫氮等新技術讓大灣區(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)測并保護好珠江流域的水源地水質，干系十分重大?！睆V東省微生物研究所副所長、博士生導師許玫英向廣州日報記者介紹，2020年年底，廣東省科學院微生物研究所、華南科學環(huán)境研究所、珠江水利科學研究院、廣東工業(yè)大學、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)?？萍加邢薰竟?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)保護與修復關鍵技術及應用”的重點技術攻關項目。目前，這套技術已經(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技術手段保持潔凈的飲用水水質？相關科研人員向記者做了介紹。
文、圖/廣州日報全媒體記者武威
“我們先前的調研顯示，對珠江流域飲用水水源地水質威脅最大的是氮素污染，因此我們的科研項目根據(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，對水質也會造成較大威脅?！睆V東省科學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普遍能達到Ⅱ類水標準，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行實驗和科技攻關，這兩個水庫目前是城市的備用水源地，相關實驗驗證了水污染預警、防、治等多項技術的可行性。
給藍藻做“核酸檢測”
“上醫(yī)治未病”，要想預防水污染，建立相關預警機制特別重要。但傳統(tǒng)的污染物檢測費時費力，靈敏性也不強。待真正檢測發(fā)現(xiàn)污染物時，往往已出現(xiàn)水體污染。許玫英告訴記者，他們建立的預警機制主要依托于監(jiān)測一種微生物——藍藻，“藻類對水體內(nèi)的氮素含量反應最敏感，不同的氮素組成，就會出現(xiàn)不同的藻相。”
“這個監(jiān)測技術有點類似核酸檢測。我們利用相關生物和數(shù)字技術，對水體內(nèi)的藍藻進行‘核酸檢測’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，并及時提出預警?！睆V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個小黑圈的“玻璃片”，這其實是一種檢測藻類的高通量芯片，“每一個小黑圈意味著可以檢測一個樣品，因此這塊芯片可以檢測8個不同的水體樣本。實驗人員只要在黑圈里滴入一滴水樣，就可以看到一滴水里面，到底能檢測出多少種不同的藍藻?！?/p>
束浩然介紹：“在自然界中，已知的藍藻有成千上萬種，現(xiàn)有方法實時檢測難度大且準確度難以保證。美格構建了完備的藍藻數(shù)據(jù)庫，并對數(shù)據(jù)庫里的藍藻基因組序列進行比對得到它們的特征序列，據(jù)此設計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)在看到的高通量藍藻檢測芯片?！?/p>
束浩然告訴記者，如果將這塊“玻璃片”放在光學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，其中每個檢測陣列包含了多達6萬個特異性基因探針。
“為準確識別每一種藍藻，我們都針對性地設計了50到100個特異性的基因探針；基于這些特征探針，我們的芯片可以把環(huán)境中的常見藍藻分布信息和演化動態(tài)一網(wǎng)打盡。這樣，科研人員就可以及時掌握水體里的藍藻多樣性和種群變化情況，準確評估哪些藍藻存在爆發(fā)潛質并及時干預?！?/p>
束浩然介紹，除了這種包含6萬個探針的藍藻檢測芯片，企業(yè)還開發(fā)了單個陣列高達12萬個探針、更高通量的生物檢測芯片，和只有數(shù)千個探針的低通量芯片，以適應不同檢測場景，可以快速完成復雜藍藻環(huán)境普查和有針對性的監(jiān)控4、5種關鍵藻類的動態(tài)變化情況?！霸谖磥泶笠?guī)模應用的前提下，這種低通量芯片的價格將降低到20~30元，能有效降低水質預警監(jiān)測的成本?！?/p>
據(jù)悉，目前基于藍藻監(jiān)測的“水華遠程實時監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)管理平臺”的原型設計已經(jīng)完成，水華數(shù)據(jù)可通過平臺實時反饋給總部的科研人員。“目前，我們建立的水華快速精準預警技術，相比傳統(tǒng)預警技術預測誤差降低30%以上，響應時間縮短50%以上。”楊旭楠告訴記者。
高效截留防止氮肥入水
做好水質核酸檢測的同時，預防污染物進入水體，是飲用水源地保護的重中之重。
科研實驗過程中，楊旭楠等科研人員對百花林水庫周邊進行了走訪。該水庫位于廣州市增城區(qū)，增江一級支流附城河上游，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村莊，這條村的截污工作還有待進一步完善；此外水庫旁還有一片果林，下雨時容易出現(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。而要防止這些富營養(yǎng)化的污水進入水庫，科研人員建立了一套水岸截污系統(tǒng)，同時在水岸邊開發(fā)了一套“生物高效截留脫氮技術”。
“這套技術主要分兩大模塊，一個是‘水岸生物截污模塊化技術’，另一項是‘電子穿梭體強化自養(yǎng)型鐵驅動生物脫氮技術’，簡單說，就是在水岸邊建造‘生態(tài)潛壩+多級攔截凈化’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，促進氨在潛壩中轉變?yōu)榈獨狻⑾趸退?。”楊旭楠介紹，經(jīng)過這樣的水岸改造，上游污水便不會直接進入水庫水體，而是能有序地在水岸邊進行相應的脫氮反應，讓水體中的氮源污染物大部分就變成了無害的氮氣釋放到空氣中，這就有效減少了水體的含氮量，保障了水質。
“經(jīng)過這次科研實驗，我們建立了全方位生物高效截留脫氮技術體系，這比傳統(tǒng)技術總氮和氨氮脫除速率提高30% ~40%，綜合運行成本則降低了40%以上?！睏钚耖嬖V記者。
以藻治藻遏制藍藻生長
而對于已出現(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“復合微生態(tài)系統(tǒng)去氮控藻技術”。
楊旭楠介紹，實驗中，科研人員在水庫中構建了一個個圓形的浮島，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，這些植物對氮吸收能力強，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，然后復配了兩種優(yōu)勢菌菌劑：深度脫氮菌劑和應急脫氮菌劑，分別用于低負荷常規(guī)修復與高負荷應急修復；這些微生物菌劑與生物浮島技術組合，構建微生物-植物協(xié)同脫氮體系，顯著提高了脫氮效率?！?/p>
水體中，“以藻治藻”也是科研人員治理藍藻的好方法。楊旭楠介紹，他們在斗晏水庫中放置了“藻類附著生態(tài)網(wǎng)膜”，這種網(wǎng)膜由4種多孔輕質材料構成，非常適合無害硅藻、綠藻的生長，通過競爭抑制的作用，硅藻、綠藻就有效限制了有害藍藻的豐度。
楊旭楠還介紹，為了時刻保護水體，監(jiān)測水質的變化情況，科研人員目前還建立了系統(tǒng)智能化管護技術，“這項技術可以累積、連續(xù)統(tǒng)計氮素和藻類群落的數(shù)據(jù)，評估水環(huán)境承載力，由此也將建立珠江的水環(huán)境健康評價標準?！?/p>
許玫英介紹：“我們所建立的多營養(yǎng)級水生態(tài)安全評價技術將有助于系統(tǒng)分析水源地的污染特征，識別最主要的污染點位，進而再結合我們已經(jīng)建立起來的生物脫氮技術、物聯(lián)網(wǎng)智能化管護技術實現(xiàn)對水體污染的及時治理和實時監(jiān)測。這套技術體系目前已經(jīng)比較完善，未來將有望在水源地水生態(tài)保護與修復進行推廣應用。”