光生物能源：創(chuàng)變廢為寶之奇跡
——記哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授劉冰峰

本刊記者 楊 嬌

光生物能源：創(chuàng)變廢為寶之奇跡
——記哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授劉冰峰

本刊記者 楊 嬌

“能源”一詞，從被人們知之甚少到如今儼然已成為人們議論的熱點(diǎn)。作為一個(gè)國家乃至世界發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)最基本的驅(qū)動(dòng)力，能源無疑是人類賴以生存的基礎(chǔ)，但多年來，從能源開發(fā)到能源安全再到能源緊缺等各種問題卻層出不窮。哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授劉冰峰每日的工作也與能源有關(guān)，光生物能源技術(shù)是他的研究重點(diǎn)，有機(jī)廢水光發(fā)酵法生物制氫技術(shù)、納米—光生物能源生產(chǎn)技術(shù)與機(jī)理，微藻油脂合成調(diào)控技術(shù)以及系統(tǒng)生物學(xué)方法研究生物能源技術(shù)等，都是劉冰峰每日要面對(duì)的工作內(nèi)容。

目前，他正在有機(jī)廢水中污染物定向生物能源轉(zhuǎn)化的道路上不斷打磨前進(jìn)。

乘光生物能源之風(fēng) 攻科研難關(guān)

談到如何走上這條研究之路，劉冰峰頗有感慨。他是在1998年考入哈爾濱師范大學(xué)生物技術(shù)專業(yè)的，盡管當(dāng)年“高考沒有發(fā)揮好”，但在師兄的鼓勵(lì)下，他下定決心繼續(xù)深造，2005年考取了哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)博士。“我本來沒想考博的，但是師兄勸我試一試，讓我聯(lián)系導(dǎo)師，我就冒昧地給導(dǎo)師寫了一封信?！背龊跻饬系氖牵瑢?dǎo)師很快給了他回復(fù)，“這讓我對(duì)自己更加有信心，相信我一定可以的”。也許正是這樣一番誤打誤撞，令劉冰峰科研生涯的大門又敞開了一片光亮。進(jìn)入博士學(xué)習(xí)后，劉冰峰首先在科研方面著眼的就是有關(guān)生物能源方面的課題。

從博士畢業(yè)工作至今，劉冰峰一心都撲在了有機(jī)廢水處理與生物能源化的工作上,尤其是有機(jī)廢水的光發(fā)酵法生物制氫技術(shù)上。

早在2008年，劉冰峰就發(fā)現(xiàn)了Rhodopseudomonas faecalis的新菌株RLD-53，并采用間歇培養(yǎng)試驗(yàn)確定了其最佳的生長(zhǎng)和產(chǎn)氫條件。到現(xiàn)在，菌株RLD-53對(duì)乙酸具有高效的氫轉(zhuǎn)化率，已經(jīng)成為不爭(zhēng)的事實(shí)，其產(chǎn)氫能力更是高居世界前列。同時(shí)，圍繞這株產(chǎn)氫菌，針對(duì)當(dāng)前光發(fā)酵細(xì)菌光能轉(zhuǎn)化效率低和產(chǎn)氫效率低下的技術(shù)瓶頸，建立了一系列增強(qiáng)碳源轉(zhuǎn)化效率和提升光發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫效率的強(qiáng)化策略，在產(chǎn)氫光發(fā)酵細(xì)菌的活性研究和工藝運(yùn)行調(diào)控方面也做出了重要貢獻(xiàn)。

他的另一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了L-半胱氨酸引起的光發(fā)酵細(xì)菌自凝集促進(jìn)產(chǎn)氫現(xiàn)象，并揭示了凝集機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了光發(fā)酵細(xì)菌凝集狀態(tài)下的連續(xù)、穩(wěn)定和高效產(chǎn)氫?！巴蛋l(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌相比，光發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌在反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行時(shí)易隨出水流失，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)生物持有量和產(chǎn)氫效率低，這一發(fā)現(xiàn)為光發(fā)酵法生物制氫的進(jìn)一步研究開辟了新的發(fā)展方向，對(duì)豐富產(chǎn)氫光發(fā)酵細(xì)菌的凝集理論有重要的理論價(jià)值和實(shí)際工程研究意義?！眲⒈逭f。

要實(shí)現(xiàn)廢水中有機(jī)物的高效轉(zhuǎn)化！要降低能源生產(chǎn)成本！在研究新菌株和細(xì)菌新種的過程中，劉冰峰發(fā)現(xiàn)，自己要實(shí)現(xiàn)的這兩個(gè)目標(biāo)似乎一直擺明著“矛盾”的立場(chǎng)。他深知，給這兩個(gè)矛盾體調(diào)解，已經(jīng)困擾了眾多科研工作者多年，但他還是迎向了這一挑戰(zhàn)。

圍繞這個(gè)課題，他構(gòu)建了暗發(fā)酵—光發(fā)酵耦合產(chǎn)能工藝系統(tǒng)及最佳耦合匹配機(jī)制。當(dāng)然，說起來簡(jiǎn)單，做起來卻并不容易，真正讓他有所突破的是一個(gè)重要的靈感——“底物梯級(jí)利用＋耦合產(chǎn)能”。在這個(gè)新思路的指引下，他建立了游離態(tài)的暗發(fā)酵細(xì)菌和固定化光發(fā)酵細(xì)菌一步法和兩步法的耦合產(chǎn)氫體系；同時(shí)設(shè)計(jì)了新型暗發(fā)酵—光發(fā)酵細(xì)菌一體式產(chǎn)氫反應(yīng)器。如此一來，就使得暗發(fā)酵細(xì)菌與光發(fā)酵細(xì)菌在空間生態(tài)位上相對(duì)分離，而代謝底物可自由聯(lián)通，從而有效地解決了暗光兩類微生物在生態(tài)位上的差異?！芭c單一暗發(fā)酵產(chǎn)氫相比，利用我們的方法，使產(chǎn)氫量提高了2至3倍，最終實(shí)現(xiàn)了廢水中有機(jī)物的梯級(jí)轉(zhuǎn)化和深度產(chǎn)能?！眲⒈逭f。

育人、科研齊頭并進(jìn)

多年以來，劉冰峰毫不懈怠科研的進(jìn)程，他早就做好了打一場(chǎng)長(zhǎng)期戰(zhàn)役的準(zhǔn)備，而在他的科研生涯中，也常常遇到極具挑戰(zhàn)性的事。

“傳統(tǒng)的富油微藻的選育方法過程繁瑣、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力而且成本極高”，劉冰峰舉例道，針對(duì)這個(gè)難題，他采用尼羅紅熒光染色法對(duì)產(chǎn)油微藻進(jìn)行快速、高通量的篩選，由此獲得了高含油（52%）微藻新藻株Scenedesmus sp.R-16。與此同時(shí)，結(jié)合使用 60Co-γ射線誘變技術(shù)獲得了富油微藻突變株Scenedesmus.sp Z-4，這種富油微藻突變株相比于出發(fā)藻株，油脂產(chǎn)率和含量分別提高113%和71.3%。這個(gè)結(jié)果令劉冰峰喜上眉梢，也令他更堅(jiān)定了在科研道路上有條不紊地走下去。

眾所周知，如果單單利用傳統(tǒng)油脂提取方法，那么耗時(shí)、費(fèi)力、毒性大、成本高等一系列關(guān)鍵問題都將成為限制條件，尤其是具有厚細(xì)胞壁的微藻油脂難于檢測(cè)的技術(shù)障礙更是令劉冰峰著實(shí)苦惱。但困難面前，他也有對(duì)策——超聲輔助與三維熒光技術(shù)結(jié)合快速檢測(cè)微藻油脂含量的新方法就是其中之一，此法具有所需樣品量少、靈敏度高、易于操作的優(yōu)點(diǎn)，為后續(xù)微藻生物柴油的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在此之外，他還闡明了多種營養(yǎng)因子對(duì)微藻細(xì)胞生長(zhǎng)和油脂合成的調(diào)控與響應(yīng)規(guī)律，有效地探索出了微藻高生長(zhǎng)率和高產(chǎn)油率的最佳培養(yǎng)條件。

和學(xué)生在一起

科研的道路上也離不開自身能力的提高。2014年，劉冰峰到美國得州農(nóng)工大學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)方向做訪問學(xué)者，國外的生活與工作也給了劉冰峰不一樣的體驗(yàn)?！拔业挠⒄Z其實(shí)是在讀博以后自學(xué)的，由于科研需要和為出國做準(zhǔn)備，我經(jīng)歷了一段痛苦的學(xué)習(xí)英語之路?！眲⒈逭f道。可是，“苦功夫”并沒有白費(fèi)，現(xiàn)在，劉冰峰早已能自如地翻看英文的科研材料，也能把英語熟練運(yùn)用到自己的工作中。

出國帶給他的“副產(chǎn)品”絕不只是英文能力的提高。他坦言，在國外的日子里，從入學(xué)到科研再到畢業(yè)留校，每個(gè)身份轉(zhuǎn)變好像都與以往并沒有什么不同?！暗鹊阶约赫嬲龔膶W(xué)生轉(zhuǎn)變成老師，才有了不一樣的感受，學(xué)生與老師之間必然會(huì)遇到一些問題，但更多的是責(zé)任。”劉冰峰表示。

除了繁重的科研工作之外，在學(xué)生培養(yǎng)上，劉冰峰會(huì)定期組織學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)和思想交流，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題并進(jìn)行正確的引導(dǎo)?！敖涣魇潜仨毜?，要學(xué)會(huì)傾聽學(xué)生的聲音?！贝送?，他教導(dǎo)學(xué)生如何正確處理同學(xué)之間及師生之間的關(guān)系，使其和平相處，和諧發(fā)展。在他看來，學(xué)生是需要引導(dǎo)的，而作為老師，身上就擔(dān)負(fù)著這樣的責(zé)任。在擔(dān)任班主任期間，劉冰峰所帶的班級(jí)成績(jī)連續(xù)4個(gè)學(xué)年排名專業(yè)第一，優(yōu)秀成績(jī)學(xué)生比例突出，并榮獲“三好班級(jí)標(biāo)兵”稱號(hào)。

“我的研究方向一直沒有變，我也一直想把這個(gè)方向做下去，我總覺得，人一生總要有一個(gè)可以堅(jiān)守的東西，這就是我所要堅(jiān)守的。”劉冰峰說道。在未來，劉冰峰希望在現(xiàn)有的生物能源的基礎(chǔ)上，一步步向污染物處理、生態(tài)修復(fù)等方向拓展。“學(xué)科結(jié)合也是一個(gè)必經(jīng)之路，也許會(huì)對(duì)有機(jī)廢水的治理更有利?！笨蒲信c教學(xué)，劉冰峰定會(huì)勇往直前，義無反顧。