芯片预警千种蓝藻 珠江水源守护升级
微生物脱氮等新技术让大湾区居民喝上放心水
“我们不仅要治污水，更要保好水！特别是珠江流域的饮用水水源地，不仅为广州、深圳等珠三角城市提供安全清洁的饮用水，还直供香港。如何防微杜渐，监测并保护好珠江流域的水源地水质，干系十分重大。”广东省微生物研究所副所长、博士生导师许玫英向广州日报记者介绍，2020年年底，广东省科学院微生物研究所、华南科学环境研究所、珠江水利科学研究院、广东工业大学、广州市自来水公司、广州美格基因科技有限公司、广州中洲环保科技有限公司共7家企事业单位联合开展了“珠江流域饮用水水源地水生态保护与修复关键技术及应用”的重点技术攻关项目。目前，这套技术已经成熟，将为粤港澳大湾区百姓能持续喝上放心水提供了有力的保障。
相比治污、我们正通过哪些科学技术手段保持洁净的饮用水水质？相关科研人员向记者做了介绍。
文、图/广州日报全媒体记者武威
“我们先前的调研显示，对珠江流域饮用水水源地水质威胁最大的是氮素污染，因此我们的科研项目根据专家的要求，集中在氮的治理。氮素污染是诱发水华的重要原因，对水质也会造成较大威胁。”广东省科学院微生物研究所副研究员杨旭楠向记者介绍，目前珠江流域的饮用水源地水质普遍能达到Ⅱ类水标准，但农业生产等所产生的氮素污染等问题依然不容小觑。从2020年年底，科研人员就在东江源头附近的斗晏水库和下游的百花林水库进行实验和科技攻关，这两个水库目前是城市的备用水源地，相关实验验证了水污染预警、防、治等多项技术的可行性。
给蓝藻做“核酸检测”
“上医治未病”，要想预防水污染，建立相关预警机制特别重要。但传统的污染物检测费时费力，灵敏性也不强。待真正检测发现污染物时，往往已出现水体污染。许玫英告诉记者，他们建立的预警机制主要依托于监测一种微生物——蓝藻，“藻类对水体内的氮素含量反应最敏感，不同的氮素组成，就会出现不同的藻相。”
“这个监测技术有点类似核酸检测。我们利用相关生物和数字技术，对水体内的蓝藻进行‘核酸检测’后，判断水里的藻类组成情况，由此来灵敏地判断水体的受污染程度，并及时提出预警。”广州美格基因科技有限公司束浩然向记者展示了一款公司开发的带着8个小黑圈的“玻璃片”，这其实是一种检测藻类的高通量芯片，“每一个小黑圈意味着可以检测一个样品，因此这块芯片可以检测8个不同的水体样本。实验人员只要在黑圈里滴入一滴水样，就可以看到一滴水里面，到底能检测出多少种不同的蓝藻。”
束浩然介绍：“在自然界中，已知的蓝藻有成千上万种，现有方法实时检测难度大且准确度难以保证。美格构建了完备的蓝藻数据库，并对数据库里的蓝藻基因组序列进行比对得到它们的特征序列，据此设计并人工合成特异性的基因探针；将这些探针锚定在特制的玻片表面，得到了我们现在看到的高通量蓝藻检测芯片。”
束浩然告诉记者，如果将这块“玻璃片”放在光学显微镜或者扫描仪上看，我们就能发现上面有很多微型探针阵列，其中每个检测阵列包含了多达6万个特异性基因探针。
“为准确识别每一种蓝藻，我们都针对性地设计了50到100个特异性的基因探针；基于这些特征探针，我们的芯片可以把环境中的常见蓝藻分布信息和演化动态一网打尽。这样，科研人员就可以及时掌握水体里的蓝藻多样性和种群变化情况，准确评估哪些蓝藻存在爆发潜质并及时干预。”
束浩然介绍，除了这种包含6万个探针的蓝藻检测芯片，企业还开发了单个阵列高达12万个探针、更高通量的生物检测芯片，和只有数千个探针的低通量芯片，以适应不同检测场景，可以快速完成复杂蓝藻环境普查和有针对性的监控4、5种关键藻类的动态变化情况。“在未来大规模应用的前提下，这种低通量芯片的价格将降低到20~30元，能有效降低水质预警监测的成本。”
据悉，目前基于蓝藻监测的“水华远程实时监控物联网管理平台”的原型设计已经完成，水华数据可通过平台实时反馈给总部的科研人员。“目前，我们建立的水华快速精准预警技术，相比传统预警技术预测误差降低30%以上，响应时间缩短50%以上。”杨旭楠告诉记者。
高效截留防止氮肥入水
做好水质核酸检测的同时，预防污染物进入水体，是饮用水源地保护的重中之重。
科研实验过程中，杨旭楠等科研人员对百花林水库周边进行了走访。该水库位于广州市增城区，增江一级支流附城河上游，1957年建成，集水面积17.4平方公里，总库容1084万立方米，是广州市备用饮用水源地之一。
杨旭楠表示，尽管百花林水库水质常年能维持Ⅱ类水，但在走访过程中他仍发现一些潜在的可能造成污染的问题。如百花林水库的上游有一个村庄，这条村的截污工作还有待进一步完善；此外水库旁还有一片果林，下雨时容易出现面源污染的问题，果林土壤中的氮、磷等化肥容易被冲到水库里。而要防止这些富营养化的污水进入水库，科研人员建立了一套水岸截污系统，同时在水岸边开发了一套“生物高效截留脱氮技术”。
“这套技术主要分两大模块，一个是‘水岸生物截污模块化技术’，另一项是‘电子穿梭体强化自养型铁驱动生物脱氮技术’，简单说，就是在水岸边建造‘生态潜坝+多级拦截净化’系统；再利用潜坝中的铁矿物、活性炭以及铁还原菌等微生物，促进氨在潜坝中转变为氮气、硝基和水。”杨旭楠介绍，经过这样的水岸改造，上游污水便不会直接进入水库水体，而是能有序地在水岸边进行相应的脱氮反应，让水体中的氮源污染物大部分就变成了无害的氮气释放到空气中，这就有效减少了水体的含氮量，保障了水质。
“经过这次科研实验，我们建立了全方位生物高效截留脱氮技术体系，这比传统技术总氮和氨氮脱除速率提高30% ~40%，综合运行成本则降低了40%以上。”杨旭楠告诉记者。
以藻治藻遏制蓝藻生长
而对于已出现氮素污染的水体，该如何去氮控藻？科研人员又开发出一套“复合微生态系统去氮控藻技术”。
杨旭楠介绍，实验中，科研人员在水库中构建了一个个圆形的浮岛，这些浮岛由“挺水植物—沉水植物”按照最佳配比搭配而成，挺水植物主要为美人蕉、菖蒲等，沉水植物则是苦草、眼子菜等，这些植物对氮吸收能力强，在好氧脱氮菌剂的帮助下，这一组合通过“综合利用植物吸收-根际微生物代谢联合脱氮”的方法，可以实现氮素削减率50%以上。杨旭楠说：“我们直接从水源地底泥中驯化得到了好氧脱氮菌群，然后复配了两种优势菌菌剂：深度脱氮菌剂和应急脱氮菌剂，分别用于低负荷常规修复与高负荷应急修复；这些微生物菌剂与生物浮岛技术组合，构建微生物-植物协同脱氮体系，显著提高了脱氮效率。”
水体中，“以藻治藻”也是科研人员治理蓝藻的好方法。杨旭楠介绍，他们在斗晏水库中放置了“藻类附着生态网膜”，这种网膜由4种多孔轻质材料构成，非常适合无害硅藻、绿藻的生长，通过竞争抑制的作用，硅藻、绿藻就有效限制了有害蓝藻的丰度。
杨旭楠还介绍，为了时刻保护水体，监测水质的变化情况，科研人员目前还建立了系统智能化管护技术，“这项技术可以累积、连续统计氮素和藻类群落的数据，评估水环境承载力，由此也将建立珠江的水环境健康评价标准。”
许玫英介绍：“我们所建立的多营养级水生态安全评价技术将有助于系统分析水源地的污染特征，识别最主要的污染点位，进而再结合我们已经建立起来的生物脱氮技术、物联网智能化管护技术实现对水体污染的及时治理和实时监测。这套技术体系目前已经比较完善，未来将有望在水源地水生态保护与修复进行推广应用。”
