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如何讓濱海地區(qū)鹽堿地上的白花花的蒼涼變?yōu)榫G盈盈的希望？如何讓戈壁荒漠的重金屬污染地變?yōu)榄h(huán)境友好的經(jīng)濟(jì)作物生長(zhǎng)樂(lè)園？南京工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與輕工學(xué)院教授江凌帶領(lǐng)課題組經(jīng)過(guò)十余年的研究，助力極端生境農(nóng)作物畝產(chǎn)量提升20%左右。

日前，其所主持的“新疆極端農(nóng)業(yè)微生物種質(zhì)資源保育及農(nóng)用地土壤修復(fù)示范化應(yīng)用”項(xiàng)目喜獲2023年度全國(guó)商業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。

找到農(nóng)業(yè)“芯片”——擁有極端農(nóng)業(yè)微生物種質(zhì)資源庫(kù)

新疆地區(qū)鹽堿地占全國(guó)鹽堿地總面積22%，為潛在的耕地戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備資源?！耙恢币詠?lái)，本著讓‘沉睡’的鹽堿地變?yōu)樯鷻C(jī)盎然的萬(wàn)畝良田和碩果累累的糧倉(cāng)的初心使命，我們團(tuán)隊(duì)上百次深入‘無(wú)人區(qū)’進(jìn)行科考，行程達(dá)10萬(wàn)公里?！苯璞硎尽?/p>

江南水鄉(xiāng)楊柳青，大漠孤煙梭梭樹(shù)。在科研人員的眼中被荒廢的土地只是沒(méi)找到適者生存的物種，因此極端生境的農(nóng)作物種子很關(guān)鍵。“如果把種子看作是農(nóng)業(yè)的‘芯片’，那么種質(zhì)資源就是芯片中的‘芯片’”。江凌介紹，他一直帶領(lǐng)著團(tuán)隊(duì)行走在“找”種子的路上?！拔覀?cè)谛陆椛湮廴緟^(qū)、阿克蘇鹽山、羅布泊鹽湖、冰川一號(hào)、艾丁湖等特殊環(huán)境采集上千份樣本，從中分離獲得了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的極端微生物5297株，發(fā)現(xiàn)了烏魯木齊異常球菌等14個(gè)新種，創(chuàng)建了國(guó)內(nèi)最大的來(lái)源于新疆極端生境的農(nóng)業(yè)微生物種質(zhì)資助源庫(kù)和極端菌基因組資源庫(kù)?！闭n題組成員朱政明自豪地介紹道。

護(hù)航植株生長(zhǎng)——獲得土壤修復(fù)能力強(qiáng)的功能菌株

土壤是否健康、肥力是否充沛，關(guān)系著極端生境農(nóng)作物生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)和產(chǎn)量高低，江凌課題組深諳此理?！稗r(nóng)業(yè)微生物及其代謝物能夠改善土壤營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、中和土壤內(nèi)潛在有毒化合物、降低化肥和農(nóng)藥使用量。”課題組成員朱麗英介紹，在明確了功能型微生物等生物技術(shù)在鹽堿地等土壤修復(fù)作用，他們便進(jìn)行了“齊步走”，一邊綜合開(kāi)發(fā)農(nóng)業(yè)微生物種質(zhì)資源，一邊創(chuàng)新微生物土壤修復(fù)技術(shù)。

“極端微生物因其特殊的生理機(jī)制、遺傳物質(zhì)及活性產(chǎn)物，成為土壤生物修復(fù)及植物促生的理想微生物之一?！苯杞榻B，課題組建立了稀釋培養(yǎng)法和液滴微流控快速分選技術(shù)，解決了土壤修復(fù)能力強(qiáng)的功能菌株篩選難的問(wèn)題，既獲得了修復(fù)能力強(qiáng)的抗逆菌株，又發(fā)掘了如海藻糖等具有植物促生潛力的抗逆活性物質(zhì)。

據(jù)課題組成員陳耀介紹，他們通過(guò)高鹽壓力富集篩選和重金屬壓力富集篩選，從極端微生物菌株資料庫(kù)中篩選到了包括白蟻菌IS7、芽孢桿菌HM-311等57株菌株?！昂Y選所得菌株中的86%具有耐受10%氯化鈉的能力，50%的菌株具有解無(wú)機(jī)磷能力。其中，白蟻菌IS7抗逆性能強(qiáng)，不僅在含10%氯化鈉的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)良好，而且同時(shí)具有解磷、解鉀、固氮等特性。芽孢桿菌HM-311對(duì)重金屬吸附去除率提高至90%以上?！?/p>

解決技術(shù)“瓶頸”——開(kāi)發(fā)工程化集成水平高的高效制備

團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，篩選出的極端功能菌及其活性物質(zhì)海藻糖雖然在土壤修復(fù)中具有低成本、高效率、對(duì)環(huán)境破壞小等方面的優(yōu)勢(shì)，但卻存在工程化集成水平低，無(wú)法規(guī)?；迯?fù)土壤等技術(shù)瓶頸。“團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了針對(duì)功能菌非滅菌高密度發(fā)酵體系，建立了抗逆活性物質(zhì)海藻糖的一步酶法催化工藝，解決了微生物及活性產(chǎn)物工程化集成水平低問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了功能菌株及抗逆活性物質(zhì)海藻糖的高效制備?！眻F(tuán)隊(duì)成員劉偉表示。

江凌補(bǔ)充介紹說(shuō)，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的制備技術(shù)具有幾大優(yōu)點(diǎn)。一是環(huán)境友好。功能菌株芽孢桿菌的非滅菌發(fā)酵原料成本下降了30%，能源消耗成本下降了35%；二是高生物量。芽孢桿菌單批次發(fā)酵周期從5天縮短為4天，1毫升菌株擁有8×1010個(gè)生物量（有效活菌數(shù)）；三是轉(zhuǎn)化率高。500升發(fā)酵罐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多批次循環(huán)催化，創(chuàng)海藻糖合酶催化轉(zhuǎn)化率國(guó)內(nèi)外最高值，得率達(dá)90%以上。

實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用——取得顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益

“科研成果只有走出實(shí)驗(yàn)室，在廠(chǎng)房車(chē)間、田間地頭開(kāi)花結(jié)果，才能真正地發(fā)揮作用，賦能美麗中國(guó)建設(shè)。”江凌表示，極端生境農(nóng)作物種植是個(gè)系統(tǒng)工程，考慮到微生物菌劑的應(yīng)用過(guò)程中還受溫度、酸堿度等環(huán)境條件影響，團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了基于功能菌、海藻糖、生物炭三聯(lián)復(fù)合微生物菌劑?！肮δ芫苄迯?fù)污染土壤、增強(qiáng)土壤肥力、促進(jìn)植物生長(zhǎng)；海藻糖可提高菌株存活性和植物耐鹽抗逆性；生物炭增強(qiáng)保水能力，提高土壤肥力，并可固定土壤中的重金屬?！?/p>

團(tuán)隊(duì)成員朱政明介紹，針對(duì)微生物在重金屬、鹽堿環(huán)境中的活性低、應(yīng)用時(shí)功能不穩(wěn)定等問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了多元復(fù)合材料凝膠固定化細(xì)胞技術(shù)。“將三聯(lián)復(fù)合微生物菌劑應(yīng)用于重金屬污染的土壤盆栽玉米中，我們發(fā)現(xiàn)菌劑固化了土壤中的重金屬離子，將其從生物可利用態(tài)轉(zhuǎn)化為不可利用態(tài)，玉米芽與根對(duì)鉛離子的富集量分別下降了40.86%和51.34%，玉米植株長(zhǎng)度與干重分別提高了23.6%和73.3%?！?/p>

基于研發(fā)的復(fù)合微生物菌劑制備技術(shù)，團(tuán)隊(duì)與合作完成單位新疆天物生態(tài)環(huán)保股份有限公司開(kāi)展聯(lián)合攻關(guān)，開(kāi)發(fā)了系列復(fù)合微生物菌劑，并在新疆烏魯木齊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、石河子市、阿克蘇等地進(jìn)行鹽堿土壤修復(fù)示范工程，施灌于如棉花、小麥、玉米、沙棘、甘草等農(nóng)作物，經(jīng)過(guò)3-5年的推廣應(yīng)用，堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)等土壤肥力分別提高了26.3%、24.7%、40.2%、37.8%，棉花、小麥、玉米、沙棘、甘草等作物存活率分別從57%、55%、60%提升至96%以上，畝產(chǎn)分別提升了21.5%，26.4%、18.3%。

“此項(xiàng)目的應(yīng)用提高了鹽堿地與重金屬污染地的利用率，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效應(yīng)，為新疆廣闊貧瘠鹽堿地及江蘇等地區(qū)的重金屬污染地的綜合利用，助守耕地生命線(xiàn)提供了典型示范。項(xiàng)目成果整體處于國(guó)際先進(jìn)水平?！敝袊?guó)工程院院士、南京大學(xué)教授任洪強(qiáng)作為專(zhuān)家組組長(zhǎng)，對(duì)本項(xiàng)目的整體技術(shù)成果進(jìn)行了鑒定。

2024年8月11日《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/8/527945.shtm