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〔中國科學報〕讓鹽堿地的“白花花”變為“綠盈盈”的希望
時間：2024-08-11
來源：中國科學報
作者：溫才妃 楊芳
攝影： 編輯：韓子旭
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如何讓濱海地區鹽堿地上的白花花的蒼涼變為綠盈盈的希望？如何讓戈壁荒漠的重金屬污染地變為環境友好的經濟作物生長樂園？南京工業大學食品科學與輕工學院教授江凌帶領課題組經過十余年的研究，助力極端生境農作物畝產量提升20%左右。
日前，其所主持的“新疆極端農業微生物種質資源保育及農用地土壤修復示范化應用”項目喜獲2023年度全國商業聯合會科技進步獎特等獎。
找到農業“芯片”——擁有極端農業微生物種質資源庫
新疆地區鹽堿地占全國鹽堿地總面積22%，為潛在的耕地戰略儲備資源。“一直以來，本著讓‘沉睡’的鹽堿地變為生機盎然的萬畝良田和碩果累累的糧倉的初心使命，我們團隊上百次深入‘無人區’進行科考，行程達10萬公里。”江凌表示。
江南水鄉楊柳青，大漠孤煙梭梭樹。在科研人員的眼中被荒廢的土地只是沒找到適者生存的物種，因此極端生境的農作物種子很關鍵。“如果把種子看作是農業的‘芯片’，那么種質資源就是芯片中的‘芯片’”。江凌介紹，他一直帶領著團隊行走在“找”種子的路上。“我們在新疆輻射污染區、阿克蘇鹽山、羅布泊鹽湖、冰川一號、艾丁湖等特殊環境采集上千份樣本，從中分離獲得了具有自主知識產權的極端微生物5297株，發現了烏魯木齊異常球菌等14個新種，創建了國內最大的來源于新疆極端生境的農業微生物種質資助源庫和極端菌基因組資源庫。”課題組成員朱政明自豪地介紹道。
護航植株生長——獲得土壤修復能力強的功能菌株
土壤是否健康、肥力是否充沛，關系著極端生境農作物生長態勢和產量高低，江凌課題組深諳此理。“農業微生物及其代謝物能夠改善土壤營養狀態、中和土壤內潛在有毒化合物、降低化肥和農藥使用量。”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在鹽堿地等土壤修復作用，他們便進行了“齊步走”，一邊綜合開發農業微生物種質資源，一邊創新微生物土壤修復技術。
“極端微生物因其特殊的生理機制、遺傳物質及活性產物，成為土壤生物修復及植物促生的理想微生物之一。”江凌介紹，課題組建立了稀釋培養法和液滴微流控快速分選技術，解決了土壤修復能力強的功能菌株篩選難的問題，既獲得了修復能力強的抗逆菌株，又發掘了如海藻糖等具有植物促生潛力的抗逆活性物質。
據課題組成員陳耀介紹，他們通過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中篩選到了包括白蟻菌IS7、芽孢桿菌HM-311等57株菌株。“篩選所得菌株中的86%具有耐受10%氯化鈉的能力，50%的菌株具有解無機磷能力。其中，白蟻菌IS7抗逆性能強，不僅在含10%氯化鈉的培養基上生長良好，而且同時具有解磷、解鉀、固氮等特性。芽孢桿菌HM-311對重金屬吸附去除率提高至90%以上。”
解決技術“瓶頸”——開發工程化集成水平高的高效制備
團隊研究發現，篩選出的極端功能菌及其活性物質海藻糖雖然在土壤修復中具有低成本、高效率、對環境破壞小等方面的優勢，但卻存在工程化集成水平低，無法規模化修復土壤等技術瓶頸。“團隊開發了針對功能菌非滅菌高密度發酵體系，建立了抗逆活性物質海藻糖的一步酶法催化工藝，解決了微生物及活性產物工程化集成水平低問題，實現了功能菌株及抗逆活性物質海藻糖的高效制備。”團隊成員劉偉表示。
江凌補充介紹說，團隊開發的制備技術具有幾大優點。一是環境友好。功能菌株芽孢桿菌的非滅菌發酵原料成本下降了30%，能源消耗成本下降了35%；二是高生物量。芽孢桿菌單批次發酵周期從5天縮短為4天，1毫升菌株擁有8×1010個生物量（有效活菌數）；三是轉化率高。500升發酵罐系統實現了多批次循環催化，創海藻糖合酶催化轉化率國內外最高值，得率達90%以上。
實現示范應用——取得顯著的社會效益和經濟效益
“科研成果只有走出實驗室，在廠房車間、田間地頭開花結果，才能真正地發揮作用，賦能美麗中國建設。”江凌表示，極端生境農作物種植是個系統工程，考慮到微生物菌劑的應用過程中還受溫度、酸堿度等環境條件影響，團隊還開發了基于功能菌、海藻糖、生物炭三聯復合微生物菌劑。“功能菌能修復污染土壤、增強土壤肥力、促進植物生長；海藻糖可提高菌株存活性和植物耐鹽抗逆性；生物炭增強保水能力，提高土壤肥力，并可固定土壤中的重金屬。”
團隊成員朱政明介紹，針對微生物在重金屬、鹽堿環境中的活性低、應用時功能不穩定等問題，團隊開發了多元復合材料凝膠固定化細胞技術。“將三聯復合微生物菌劑應用于重金屬污染的土壤盆栽玉米中，我們發現菌劑固化了土壤中的重金屬離子，將其從生物可利用態轉化為不可利用態，玉米芽與根對鉛離子的富集量分別下降了40.86%和51.34%，玉米植株長度與干重分別提高了23.6%和73.3%。”
基于研發的復合微生物菌劑制備技術，團隊與合作完成單位新疆天物生態環保股份有限公司開展聯合攻關，開發了系列復合微生物菌劑，并在新疆烏魯木齊經濟技術開發區、石河子市、阿克蘇等地進行鹽堿土壤修復示范工程，施灌于如棉花、小麥、玉米、沙棘、甘草等農作物，經過3-5年的推廣應用，堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質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，畝產分別提升了21.5%，26.4%、18.3%。
“此項目的應用提高了鹽堿地與重金屬污染地的利用率，取得了顯著的經濟、社會和生態效應，為新疆廣闊貧瘠鹽堿地及江蘇等地區的重金屬污染地的綜合利用，助守耕地生命線提供了典型示范。項目成果整體處于國際先進水平。”中國工程院院士、南京大學教授任洪強作為專家組組長，對本項目的整體技術成果進行了鑒定。
2024年8月11日《中國科學報》：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/8/527945.shtm
