貴州大學周少奇：環境生命科學大有可為
來源：貴州大學新聞網 發布時間：2023-04-21
“茫茫宇宙，浩瀚無邊；唯有地球，人類家園！作為一名環保科技工作者，要理論聯系實際，努力把論文寫在祖國的大地上，把科技成果應用到生態文明建設的偉大事業中。”對于環境保護，我國知名環境科學與工程專家、國際歐亞科學院院士、貴州大學副校長周少奇教授曾經發出這樣的呼吁。
周少奇與團隊新研發的微動力分散式農村污水處理關鍵技術與裝備實現工程應用
20年前，從條件優越的沿海發達地區廣東來到條件艱苦的貴州，周少奇就矢志扎根在這片土地上開展環境生物技術領域的原創及應用研究，把自己最好的年華全都獻給了祖國西南。
數十年如一日的堅持，都源于周少奇對于環境微生物學研究與應用的一片赤子之心。在幾十載的科研征途中，周少奇面向國際環境科技前沿銳意創新，突破了國際上生物脫氮除磷研究領域120余年無法逾越的難題，將自己的原創理論與新技術推廣應用于城市污水、農村污水、煉油廢水、化肥廢水、垃圾滲濾液等領域的污水治理工程，為國家首批建設的貴州生態文明試驗區和我國西部環境保護事業發展作出了重大貢獻。
憑借他在我國環境工程領域的突出貢獻，周少奇獲得了聯合國世界知識產權組織（WIPO）杰出專利發明獎、最佳發明獎2項，國家科技進步獎二等獎1項，中國專利金獎1項，并獲何梁何利獎、貴州省最高科學技術獎等重要獎項。行百里者半九十，致勝利者積跬步。腳踏在貴州這片熟悉的土地上，隨著時間的推移、研究的深入，周少奇心中對于環境生物學研究的熱愛歷久彌堅。
大膽跨界：結緣環境生命科學
跨界是一種冒險，也是一種選擇。在周少奇的眼中，一切選擇的初衷均來源于熱愛。與大多數理工男不同的是，從小周少奇就熱衷于文史、哲學等多學科的思想文化。“悵寥廓，問蒼茫大地，誰主沉浮？”少時，周少奇在《沁園春·長沙》的震撼下，立下科研創新之志。如今，在科學研究的世界里，他身上始終帶有學科交叉不拘一格的思維，也從不畏懼科研世界的冒險與挑戰。1990年年初，周少奇在大連理工大學攻讀博士學位時，在導師唐立民教授、馮樸蓀教授的指導支持下，進入了生物力學領域，開展高等真菌（靈芝、云芝）發酵液的流變力學研究。1993年3月博士論文順利通過答辯后，周少奇經全國博士后管理委員會批準，作為我國發酵工程學科培養的第一位博士后來到華南理工大學，師從姚汝華教授，主要開展靈芝菌發酵與靈芝多糖等方面的研究；之后，他又先后師從國際著名環境生物技術專家、香港大學方漢平教授，國際著名生物化工專家、加拿大滑鐵盧大學穆洋（Murray.Moo-Young）院士開展研究工作。
周少奇與諾貝爾獎獲得者德國胡貝爾（Huber）教授（左圖左二），美國兩院院士麥卡蒂（McCarty）教授（右圖右一）、美國工程院院士里特曼（Rittmann）教授（右圖右三）
就生化反應電子計量學進行學術交流談起周少奇與環境生命科學領域的結緣，就不得不提到他的一次學術訪問交流經歷。多年來，周少奇大膽嘗試，學習經歷橫跨了化工機械、哲學（報考碩士）、工程力學、生物化工和發酵工程等幾大專業。1994年12月，周少奇首次出國進行國際學術交流，參加了在新加坡舉行的生物醫學工程領域的一個國際會議，訪問了新加坡國立大學、南洋理工大學等高校。取道香港回廣州時，他拜訪了當時在香港大學做高級訪問學者并與張佑啟院士開展合作研究的陳萬吉教授。經陳萬吉教授引薦，他參觀了方漢平教授的污水生物處理實驗室。在方教授的指導與支持下，他對相關領域研究有了更加深刻的認識，并決心將培養高等真菌的生物反應器經過改進優化設計后應用于污水生物處理、開展香港粉嶺垃圾填埋滲濾液生物脫氮研究中。
事實上，早在20世紀80年代，周少奇就從大量新聞報道和假期社會調查中發現了一個嚴峻的環境問題：鄉鎮企業作為我國80年代經濟發展中的一支重要力量異軍突起，在帶來鄉鎮經濟高速發展的同時，也對環境造成了嚴重污染和破壞。尤其是不斷推進的城市化進程，讓城市污水的排放量迅速增加，但在相當長的時間里，我國城市污水處理率僅為50%左右，由氮磷超標引起的水體富營養化日益突出，而傳統工藝同步脫氮除磷效率嚴重偏低，往往還須輔以化學藥劑，容易造成水體污染。一名科研工作者的責任感，讓周少奇一直想為我國的環保事業做些什么。
面對污水氮磷處理這一“卡脖子”的技術瓶頸，有沒有可能另辟蹊徑？周少奇堅信，將之前所學的生命科學原理和生物技術應用到環境工程上，一定會找到一個突破口。“要做就做社會需要的研究，失敗了也值得。”如勇士般，他堅毅地前行在科研探索的道路上。
1994年12月對香港大學的那次訪問，更加堅定了周少奇轉向環境污染治理研究的決心。在這一契機下，他開始著手辦理到香港大學進行博士后研究的手續。在導師方漢平教授的精心指導下，不是環境專業科班畢業的他，從環境污染與治理的基本概念學起，一邊看教科書，一邊做實驗一邊學習思考，很快就入了門。功夫不負有心人。周少奇的跨學科研究，果然發揮了意想不到的作用。通過脫氮微生物，周少奇將培養靈芝菌和云芝菌的氣升環流式生物反應器，通過優化設計成交替厭氧缺氧好氧污水生物處理反應器，1996年率先用于香港粉嶺高氨氮垃圾滲濾液的生物處理，取得了神奇的功效。然而，傳統理論和教科書并不能完全解釋他看到的現象，即有微生物能以氨氮為電子供體、硝氮為電子受體實現生物脫氮轉變為氮氣，他推導出了其生化反應計量方程及有關計量模型，將其命名為“硝反硝”反應。周少奇不知道的是，他無意間發現的，正是之后20多年來風靡國際學術界的厭氧氨氧化反應。
創新突破：生物脫氮除磷強化環境污染治理
為國而研，孜孜不倦。周少奇深知：環境生命科學是一項造福社會的新興交叉學科。在積累了沉甸甸的科研技術成果之后，他最大的心愿就是將相關理論研究成果推向工程實際應用。
廣州作為粵港澳大灣區的核心城市，城市垃圾問題一直在其發展過程中相伴而生。早在20世紀90年代末，廣州全市每天都會產生垃圾近1萬噸，而且這個數量還在不斷增加。甚至有人擔心，廣州進入21世紀后會出現垃圾圍城現象。而通過自己的科研積淀解決城市發展中的環境問題，就一直是周少奇科研工作的重點。
1997年5月，結束香港大學博士后研究的周少奇回到華南理工大學，在陳克復院士的指導下開始參與籌備開辦環境科學與工程專業，負責固體廢物與處理資源化學科方向。1998年3月，在周少奇擔任華南理工大學新辦的環境科學與工程系副主任期間，有關廣州垃圾填埋滲濾液生物處理技術得到廣東省科技廳重點攻關項目立項支持。在這一背景下，他于1998年開始，結合廣州大田山垃圾填埋場滲濾液厭氧氨氧化與同時硝化反硝化生物脫氮協同作用，開展創新與工程應用研究。
當時，為了更好地從事相關研究工作，周少奇和他招收指導的第一位碩士研究生不分晝夜堅守在偏遠山間的惡臭的垃圾填埋場進行新設備的現場試驗和攻關，春節期間也不回家，最終通過不懈努力，取得了理想的試驗結果。之后，他們與相關企業和設計院合作，將相關技術推廣應用于廣州某大型垃圾填埋場滲濾液處理技改優化工程（6700m3）和廣東江門某垃圾填埋場滲濾液處理技改優化工程（1500m3），獲得了垃圾填埋滲濾液厭氧氨氧化與同時硝化反硝化協同高效脫氮關鍵技術工藝與裝備重要突破，具有廣闊的推廣應用前景。
結合1996年至1997年期間在香港大學研究垃圾滲濾液生物脫氮的試驗結果，周少奇團隊經過了一千多個日夜的積累和沉淀、實驗和理論分析與創新。針對生物化學反應（主要為酶催化的氧化還原反應）在電子層次上尚未建立可同時滿足物質守恒和能量守恒的反應機理的重大缺陷，周少奇領導團隊以污水治理和水體富營養化控制的“牛鼻子”——生物脫氮除磷技術為突破口，經過大量實驗分析，從生命代謝過程電子流傳遞入手，結合生化反應屬于氧化還原反應這一本質，深入電子流層次，引入函數分析方法，于1998年在國際上率先提出生化反應“電子流守恒原理”和電子計量學方法，克服了國際學術界沿用經驗方法的重大缺陷，將生命代謝過程中好氧過程、厭氧過程、缺氧過程的各類生物化學反應，考慮細胞合成與能量代謝寫成反應等式，揭示了生物化學過程在電子流守恒基礎上的反應機理，并進而推導出各種計量關系式和計量模型。相關理論包括1個新概念、1個等價關系、2個守恒、3個機制，即：提出了廣義（當量）COD概念，構建了各類電子供體與廣義COD的等價關系，發現了電子供體用于微生物生長與能量代謝之和的守恒律、每摩爾電子供體需要廣義COD量的守恒律；基于生物硝化、反硝化反應電子計量方程，得出了3個互補機制，即：生物脫氮硝化反硝化過程兩階段存在COD消耗互補機制、分子氧消耗互補機制、堿度消耗與產生互補機制。
由此他們提出污水生物處理過程同步去除COD、氨氮、硝氮的耦合優化關鍵技術（工藝+設備）：即同時硝化反硝化、短程硝化反硝化耦合工藝；進一步地，提出了將厭氧池、缺氧池、好氧池、沉淀池4個構筑物進行一體化空間耦合的新型設備優化設計方案；三相流體循環流動實現空間交替厭氧缺氧好氧運行耦合方案以實現SND（氧化溝、一體化A2/O、IALR、豎立式A2/O、UCT、ADMONT等工藝與設備）；三相流體間歇曝氣流動實現時變交替厭氧缺氧好氧運行耦合實現SND+Anammox協同作用方案（SBR、RBC等工藝與設備）。
他們實現了生物脫氮反應機理、工藝、設備三者的有機統一與耦合集成，從而實現了生物脫氮電子計量學理論的工程化應用。這一進展突破了生物工程領域生物化學反應可同時滿足物質守恒和能量守恒的重大機理與方法問題，為生化反應電子計量學與生化反應熱力學、生化反應動力學進行耦合研究開辟了新途徑。經過十多年時間的實踐驗證，成果解決了國際上生物脫氮研究領域120余年來無法逾越的難題，其中反硝化COD/N比與微生物生長的理論計量模型，比國際上相關領域權威專家總結獲得的唯一經驗模型，提高精度30%以上。相關理論成果對海洋、湖泊、土壤、濕地、草地及污水處理工程中氮的循環與轉化，可以提供合理的理論解釋；研發新型微生物燃料電池還原重金屬Cr(Ⅵ)產生生物電并耦合自發還原重金屬Pb(Ⅱ)獲得突破；并為整個環境工程領域環境污染治理、水體富營養化控制生物脫氮工程減排與應用提供理論基礎。
在此基礎上，周少奇又提出了微生物脫氮除磷過程碳氮磷三要素電子計量方程與計量模型，更新了環境工程污水生物處理領域的有關基礎知識，攻克了本行業依據經驗計量模型設計和管理污水生物脫氮除磷過程引起較大誤差及過程控制失真的技術難題。繼而，他還在電子流守恒原理的思路基礎上，深入開展微生物脫氮除磷機理研究，運用分子生物學方法，在國際上首次發現了4種新的反硝化除磷菌DPB，它們可以交替以分子氧、硝態氮、亞硝氮為電子受體進行同步脫氮除磷，在生物除磷理論方面突破了傳統理論通過“厭氧釋磷”和“好氧聚磷”兩個階段去除磷的認識，并通過大量創新研究，通過缺氧區擴增強化DPB功能菌技術，厭氧/缺氧/好氧/沉淀空間耦合一體化強化技術，推流式三道回流與DPB菌的空間轉移與延時技術等生化反應工藝和設備的耦合優化，實現DPB菌的連續高效運行，開發了一系列新的耦合工藝和實用技術，為城市污水同步脫氮除磷工程技改優化應用提供了重要的理論依據和支撐技術，為新技術原理工程化、產業化應用奠定了堅實基礎。
科研扎根：將成果寫在西部大地
在中國發展的戰略棋盤中，西部的發展極為重要。我國西部國土面積占全國的56%，人口占全國總人口的22.8%，但由于自然、歷史、社會等原因，西部地區經濟發展相對落后，人均國內生產總值僅相當于全國平均水平的三分之二，不到東部地區平均水平的40%，迫切需要加快改革開放和現代化建設步伐。
周少奇（右三）帶領團隊深入喀斯特地區污水處理一線進行實地調研考察
2002年，因國家西部大開發戰略的迫切需要，組織上選派周少奇從發達地區廣東到貴州省環境保護局任局長助理。從此，他便與貴州這塊土地結下了不解之緣。
貴州地處中國西南腹地，與重慶、四川、湖南、云南、廣西接壤，是西南交通樞紐。20世紀90年代以來，貴州經濟特別是工業經濟的持續快速發展，加快了當地的工業化進程，嚴重的水污染和水危機也隨之而來。
為更好地了解貴州省情，周少奇深入基層廣泛開展調研，足跡踏遍全省85個縣（市、區）。通過深入調研，周少奇發現：貴州和西部的城市污水處理廠建設剛剛起步，技術還很落后，與其他發達地區還有很大差距。污水處理廠無法保證正常穩定運行，嚴重缺乏技術支撐。作為一名環境科研工作者，他當時就下定決心要改進貴州的污水處理技術。
通過與四川、山東的企業與專業設計院產學研合作，他引進了先進適用的一體化氧化溝等污水處理技術，同時，通過專利實施許可，他與專業設計院合作，將生物脫氮除磷的新技術原理和耦合工藝與設備應用于新型污水處理關鍵技術與裝備的創新，并在貴州、四川、山東、廣東、新疆等全國20余個省區進行推廣示范和產業化應用。
另外，針對困擾我國西部地區（貴州、云南、廣西、陜西、甘肅、四川、新疆、青海、寧夏、內蒙古）60多年的農村污水處理與資源化技術難題，周少奇以首席科學家的身份提出技術創新方案，獲得2016年國家重點研發計劃重點專項支持。在創新理論的支撐下，周少奇領銜團隊在鄉鎮級、村組級、散戶級農村污水處理系列成套化技術與裝備方面開展刻苦攻關，已在新型一體化鄉鎮污水、自流式無動力村組農村污水、分散式微動力農村污水處理新技術與裝備研發方面取得了重要突破和進展。通過產學研合作與專利實施許可，他帶領團隊建設了一批示范工程，為鄉村振興戰略實施提供強有力的環保科技支撐。
寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。經過20多年的創新實踐，周少奇有關污水生物脫氮除磷的原創理論與科研成果，已形成國內外專利150余項（獲中國、德國、澳大利亞等專利授權100余項）。秉承鏈式科技創新理念（以工科為例，全鏈條的科技創新包括：科學理論創新、技術原理創新、工藝創新，設備研制、裝備研發、工程示范、產業化應用），倡導論文成果的實用性與“六化”（工藝化、設備化、工程化、產業化、標準化、社會化）；結合國家環保事業重大需求、特別是貴州和西部環境保護的實際，他以“只爭朝夕”的精神，針對喀斯特地區特點，推進城市污水、農村污水、化肥廢水、煉油廢水、垃圾滲濾液，以及湖泊富營養化控制與河道治理修復等方面的實用技術研究與產業化應用，現已逐步在全國20多個省區實現了工程推廣和產業化應用。合計處理污水量高達20多億噸/年，取得巨大的經濟效益與社會環境效益。
系列創新成果以第一完成人獲聯合國世界知識產權組織（WIPO）杰出專利發明獎/最佳發明獎2項，國家科技進步獎二等獎1項，中國專利獎金獎、銀獎各1項，中國專利獎優秀獎2項，獲何梁何利獎、貴州省最高科學技術獎、貴州省首屆杰出人才提名獎，并獲省部級科技獎一等獎7項；系列專利技術獲國際國內專利金獎7項；在國內外期刊發表學術論文460多篇（SCI/EI論文290余篇、《細胞》子刊論文1篇，國內外引用11000多次、中文論文下載量13.3萬多次），主編參編學術著作10部。此外，他先后入選國際歐亞科學院院士、國家萬人計劃領軍人才、國家繞月探測工程科學應用專家委員會專家、國務院政府特殊津貼專家、國家有突出貢獻中青年專家；獲全國最美生態環境科技工作者、全國化工優秀科技工作者、中國發明人物獎等榮譽稱號。
老驥伏櫪，志在千里。如今，已過知天命之年的周少奇仍以飽滿的精神與態度，投入各項工作中。科學研究、產業應用、科技扶貧、鄉村振興……周少奇心中牽掛的事情還有很多，即使在回家路上的零碎時間，他的大腦也從未停止過思考。環境問題事關千秋萬代，是為人類謀福祉的偉大事業。“能投身于這項事業中，是我作為一名科技工作者最大的價值與樂趣。”周少奇說。
眺望貴州大地，周少奇思緒萬千。環境之功，又豈在朝夕。今后，結合貴州和西部的環境發展狀況，他還將繼續用環境生命科學來書寫答案。
來源：貴州大學新聞網
編輯：溪山融媒中心 秦靜
一審：陳思魚
二審：李旭鋒
三審：楊楠
