贵州大学周少奇：环境生命科学大有可为
来源：贵州大学新闻网 发布时间：2023-04-21
“茫茫宇宙，浩瀚无边；唯有地球，人类家园！作为一名环保科技工作者，要理论联系实际，努力把论文写在祖国的大地上，把科技成果应用到生态文明建设的伟大事业中。”对于环境保护，我国知名环境科学与工程专家、国际欧亚科学院院士、贵州大学副校长周少奇教授曾经发出这样的呼吁。
周少奇与团队新研发的微动力分散式农村污水处理关键技术与装备实现工程应用
20年前，从条件优越的沿海发达地区广东来到条件艰苦的贵州，周少奇就矢志扎根在这片土地上开展环境生物技术领域的原创及应用研究，把自己最好的年华全都献给了祖国西南。
数十年如一日的坚持，都源于周少奇对于环境微生物学研究与应用的一片赤子之心。在几十载的科研征途中，周少奇面向国际环境科技前沿锐意创新，突破了国际上生物脱氮除磷研究领域120余年无法逾越的难题，将自己的原创理论与新技术推广应用于城市污水、农村污水、炼油废水、化肥废水、垃圾渗滤液等领域的污水治理工程，为国家首批建设的贵州生态文明试验区和我国西部环境保护事业发展作出了重大贡献。
凭借他在我国环境工程领域的突出贡献，周少奇获得了联合国世界知识产权组织（WIPO）杰出专利发明奖、最佳发明奖2项，国家科技进步奖二等奖1项，中国专利金奖1项，并获何梁何利奖、贵州省最高科学技术奖等重要奖项。行百里者半九十，致胜利者积跬步。脚踏在贵州这片熟悉的土地上，随着时间的推移、研究的深入，周少奇心中对于环境生物学研究的热爱历久弥坚。
大胆跨界：结缘环境生命科学
跨界是一种冒险，也是一种选择。在周少奇的眼中，一切选择的初衷均来源于热爱。与大多数理工男不同的是，从小周少奇就热衷于文史、哲学等多学科的思想文化。“怅寥廓，问苍茫大地，谁主沉浮？”少时，周少奇在《沁园春·长沙》的震撼下，立下科研创新之志。如今，在科学研究的世界里，他身上始终带有学科交叉不拘一格的思维，也从不畏惧科研世界的冒险与挑战。1990年年初，周少奇在大连理工大学攻读博士学位时，在导师唐立民教授、冯朴荪教授的指导支持下，进入了生物力学领域，开展高等真菌（灵芝、云芝）发酵液的流变力学研究。1993年3月博士论文顺利通过答辩后，周少奇经全国博士后管理委员会批准，作为我国发酵工程学科培养的第一位博士后来到华南理工大学，师从姚汝华教授，主要开展灵芝菌发酵与灵芝多糖等方面的研究；之后，他又先后师从国际著名环境生物技术专家、香港大学方汉平教授，国际著名生物化工专家、加拿大滑铁卢大学穆洋（Murray.Moo-Young）院士开展研究工作。
周少奇与诺贝尔奖获得者德国胡贝尔（Huber）教授（左图左二），美国两院院士麦卡蒂（McCarty）教授（右图右一）、美国工程院院士里特曼（Rittmann）教授（右图右三）
就生化反应电子计量学进行学术交流谈起周少奇与环境生命科学领域的结缘，就不得不提到他的一次学术访问交流经历。多年来，周少奇大胆尝试，学习经历横跨了化工机械、哲学（报考硕士）、工程力学、生物化工和发酵工程等几大专业。1994年12月，周少奇首次出国进行国际学术交流，参加了在新加坡举行的生物医学工程领域的一个国际会议，访问了新加坡国立大学、南洋理工大学等高校。取道香港回广州时，他拜访了当时在香港大学做高级访问学者并与张佑启院士开展合作研究的陈万吉教授。经陈万吉教授引荐，他参观了方汉平教授的污水生物处理实验室。在方教授的指导与支持下，他对相关领域研究有了更加深刻的认识，并决心将培养高等真菌的生物反应器经过改进优化设计后应用于污水生物处理、开展香港粉岭垃圾填埋渗滤液生物脱氮研究中。
事实上，早在20世纪80年代，周少奇就从大量新闻报道和假期社会调查中发现了一个严峻的环境问题：乡镇企业作为我国80年代经济发展中的一支重要力量异军突起，在带来乡镇经济高速发展的同时，也对环境造成了严重污染和破坏。尤其是不断推进的城市化进程，让城市污水的排放量迅速增加，但在相当长的时间里，我国城市污水处理率仅为50%左右，由氮磷超标引起的水体富营养化日益突出，而传统工艺同步脱氮除磷效率严重偏低，往往还须辅以化学药剂，容易造成水体污染。一名科研工作者的责任感，让周少奇一直想为我国的环保事业做些什么。
面对污水氮磷处理这一“卡脖子”的技术瓶颈，有没有可能另辟蹊径？周少奇坚信，将之前所学的生命科学原理和生物技术应用到环境工程上，一定会找到一个突破口。“要做就做社会需要的研究，失败了也值得。”如勇士般，他坚毅地前行在科研探索的道路上。
1994年12月对香港大学的那次访问，更加坚定了周少奇转向环境污染治理研究的决心。在这一契机下，他开始着手办理到香港大学进行博士后研究的手续。在导师方汉平教授的精心指导下，不是环境专业科班毕业的他，从环境污染与治理的基本概念学起，一边看教科书，一边做实验一边学习思考，很快就入了门。功夫不负有心人。周少奇的跨学科研究，果然发挥了意想不到的作用。通过脱氮微生物，周少奇将培养灵芝菌和云芝菌的气升环流式生物反应器，通过优化设计成交替厌氧缺氧好氧污水生物处理反应器，1996年率先用于香港粉岭高氨氮垃圾渗滤液的生物处理，取得了神奇的功效。然而，传统理论和教科书并不能完全解释他看到的现象，即有微生物能以氨氮为电子供体、硝氮为电子受体实现生物脱氮转变为氮气，他推导出了其生化反应计量方程及有关计量模型，将其命名为“硝反硝”反应。周少奇不知道的是，他无意间发现的，正是之后20多年来风靡国际学术界的厌氧氨氧化反应。
创新突破：生物脱氮除磷强化环境污染治理
为国而研，孜孜不倦。周少奇深知：环境生命科学是一项造福社会的新兴交叉学科。在积累了沉甸甸的科研技术成果之后，他最大的心愿就是将相关理论研究成果推向工程实际应用。
广州作为粤港澳大湾区的核心城市，城市垃圾问题一直在其发展过程中相伴而生。早在20世纪90年代末，广州全市每天都会产生垃圾近1万吨，而且这个数量还在不断增加。甚至有人担心，广州进入21世纪后会出现垃圾围城现象。而通过自己的科研积淀解决城市发展中的环境问题，就一直是周少奇科研工作的重点。
1997年5月，结束香港大学博士后研究的周少奇回到华南理工大学，在陈克复院士的指导下开始参与筹备开办环境科学与工程专业，负责固体废物与处理资源化学科方向。1998年3月，在周少奇担任华南理工大学新办的环境科学与工程系副主任期间，有关广州垃圾填埋渗滤液生物处理技术得到广东省科技厅重点攻关项目立项支持。在这一背景下，他于1998年开始，结合广州大田山垃圾填埋场渗滤液厌氧氨氧化与同时硝化反硝化生物脱氮协同作用，开展创新与工程应用研究。
当时，为了更好地从事相关研究工作，周少奇和他招收指导的第一位硕士研究生不分昼夜坚守在偏远山间的恶臭的垃圾填埋场进行新设备的现场试验和攻关，春节期间也不回家，最终通过不懈努力，取得了理想的试验结果。之后，他们与相关企业和设计院合作，将相关技术推广应用于广州某大型垃圾填埋场渗滤液处理技改优化工程（6700m3）和广东江门某垃圾填埋场渗滤液处理技改优化工程（1500m3），获得了垃圾填埋渗滤液厌氧氨氧化与同时硝化反硝化协同高效脱氮关键技术工艺与装备重要突破，具有广阔的推广应用前景。
结合1996年至1997年期间在香港大学研究垃圾渗滤液生物脱氮的试验结果，周少奇团队经过了一千多个日夜的积累和沉淀、实验和理论分析与创新。针对生物化学反应（主要为酶催化的氧化还原反应）在电子层次上尚未建立可同时满足物质守恒和能量守恒的反应机理的重大缺陷，周少奇领导团队以污水治理和水体富营养化控制的“牛鼻子”——生物脱氮除磷技术为突破口，经过大量实验分析，从生命代谢过程电子流传递入手，结合生化反应属于氧化还原反应这一本质，深入电子流层次，引入函数分析方法，于1998年在国际上率先提出生化反应“电子流守恒原理”和电子计量学方法，克服了国际学术界沿用经验方法的重大缺陷，将生命代谢过程中好氧过程、厌氧过程、缺氧过程的各类生物化学反应，考虑细胞合成与能量代谢写成反应等式，揭示了生物化学过程在电子流守恒基础上的反应机理，并进而推导出各种计量关系式和计量模型。相关理论包括1个新概念、1个等价关系、2个守恒、3个机制，即：提出了广义（当量）COD概念，构建了各类电子供体与广义COD的等价关系，发现了电子供体用于微生物生长与能量代谢之和的守恒律、每摩尔电子供体需要广义COD量的守恒律；基于生物硝化、反硝化反应电子计量方程，得出了3个互补机制，即：生物脱氮硝化反硝化过程两阶段存在COD消耗互补机制、分子氧消耗互补机制、碱度消耗与产生互补机制。
由此他们提出污水生物处理过程同步去除COD、氨氮、硝氮的耦合优化关键技术（工艺+设备）：即同时硝化反硝化、短程硝化反硝化耦合工艺；进一步地，提出了将厌氧池、缺氧池、好氧池、沉淀池4个构筑物进行一体化空间耦合的新型设备优化设计方案；三相流体循环流动实现空间交替厌氧缺氧好氧运行耦合方案以实现SND（氧化沟、一体化A2/O、IALR、竖立式A2/O、UCT、ADMONT等工艺与设备）；三相流体间歇曝气流动实现时变交替厌氧缺氧好氧运行耦合实现SND+Anammox协同作用方案（SBR、RBC等工艺与设备）。
他们实现了生物脱氮反应机理、工艺、设备三者的有机统一与耦合集成，从而实现了生物脱氮电子计量学理论的工程化应用。这一进展突破了生物工程领域生物化学反应可同时满足物质守恒和能量守恒的重大机理与方法问题，为生化反应电子计量学与生化反应热力学、生化反应动力学进行耦合研究开辟了新途径。经过十多年时间的实践验证，成果解决了国际上生物脱氮研究领域120余年来无法逾越的难题，其中反硝化COD/N比与微生物生长的理论计量模型，比国际上相关领域权威专家总结获得的唯一经验模型，提高精度30%以上。相关理论成果对海洋、湖泊、土壤、湿地、草地及污水处理工程中氮的循环与转化，可以提供合理的理论解释；研发新型微生物燃料电池还原重金属Cr(Ⅵ)产生生物电并耦合自发还原重金属Pb(Ⅱ)获得突破；并为整个环境工程领域环境污染治理、水体富营养化控制生物脱氮工程减排与应用提供理论基础。
在此基础上，周少奇又提出了微生物脱氮除磷过程碳氮磷三要素电子计量方程与计量模型，更新了环境工程污水生物处理领域的有关基础知识，攻克了本行业依据经验计量模型设计和管理污水生物脱氮除磷过程引起较大误差及过程控制失真的技术难题。继而，他还在电子流守恒原理的思路基础上，深入开展微生物脱氮除磷机理研究，运用分子生物学方法，在国际上首次发现了4种新的反硝化除磷菌DPB，它们可以交替以分子氧、硝态氮、亚硝氮为电子受体进行同步脱氮除磷，在生物除磷理论方面突破了传统理论通过“厌氧释磷”和“好氧聚磷”两个阶段去除磷的认识，并通过大量创新研究，通过缺氧区扩增强化DPB功能菌技术，厌氧/缺氧/好氧/沉淀空间耦合一体化强化技术，推流式三道回流与DPB菌的空间转移与延时技术等生化反应工艺和设备的耦合优化，实现DPB菌的连续高效运行，开发了一系列新的耦合工艺和实用技术，为城市污水同步脱氮除磷工程技改优化应用提供了重要的理论依据和支撑技术，为新技术原理工程化、产业化应用奠定了坚实基础。
科研扎根：将成果写在西部大地
在中国发展的战略棋盘中，西部的发展极为重要。我国西部国土面积占全国的56%，人口占全国总人口的22.8%，但由于自然、历史、社会等原因，西部地区经济发展相对落后，人均国内生产总值仅相当于全国平均水平的三分之二，不到东部地区平均水平的40%，迫切需要加快改革开放和现代化建设步伐。
周少奇（右三）带领团队深入喀斯特地区污水处理一线进行实地调研考察
2002年，因国家西部大开发战略的迫切需要，组织上选派周少奇从发达地区广东到贵州省环境保护局任局长助理。从此，他便与贵州这块土地结下了不解之缘。
贵州地处中国西南腹地，与重庆、四川、湖南、云南、广西接壤，是西南交通枢纽。20世纪90年代以来，贵州经济特别是工业经济的持续快速发展，加快了当地的工业化进程，严重的水污染和水危机也随之而来。
为更好地了解贵州省情，周少奇深入基层广泛开展调研，足迹踏遍全省85个县（市、区）。通过深入调研，周少奇发现：贵州和西部的城市污水处理厂建设刚刚起步，技术还很落后，与其他发达地区还有很大差距。污水处理厂无法保证正常稳定运行，严重缺乏技术支撑。作为一名环境科研工作者，他当时就下定决心要改进贵州的污水处理技术。
通过与四川、山东的企业与专业设计院产学研合作，他引进了先进适用的一体化氧化沟等污水处理技术，同时，通过专利实施许可，他与专业设计院合作，将生物脱氮除磷的新技术原理和耦合工艺与设备应用于新型污水处理关键技术与装备的创新，并在贵州、四川、山东、广东、新疆等全国20余个省区进行推广示范和产业化应用。
另外，针对困扰我国西部地区（贵州、云南、广西、陕西、甘肃、四川、新疆、青海、宁夏、内蒙古）60多年的农村污水处理与资源化技术难题，周少奇以首席科学家的身份提出技术创新方案，获得2016年国家重点研发计划重点专项支持。在创新理论的支撑下，周少奇领衔团队在乡镇级、村组级、散户级农村污水处理系列成套化技术与装备方面开展刻苦攻关，已在新型一体化乡镇污水、自流式无动力村组农村污水、分散式微动力农村污水处理新技术与装备研发方面取得了重要突破和进展。通过产学研合作与专利实施许可，他带领团队建设了一批示范工程，为乡村振兴战略实施提供强有力的环保科技支撑。
宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。经过20多年的创新实践，周少奇有关污水生物脱氮除磷的原创理论与科研成果，已形成国内外专利150余项（获中国、德国、澳大利亚等专利授权100余项）。秉承链式科技创新理念（以工科为例，全链条的科技创新包括：科学理论创新、技术原理创新、工艺创新，设备研制、装备研发、工程示范、产业化应用），倡导论文成果的实用性与“六化”（工艺化、设备化、工程化、产业化、标准化、社会化）；结合国家环保事业重大需求、特别是贵州和西部环境保护的实际，他以“只争朝夕”的精神，针对喀斯特地区特点，推进城市污水、农村污水、化肥废水、炼油废水、垃圾渗滤液，以及湖泊富营养化控制与河道治理修复等方面的实用技术研究与产业化应用，现已逐步在全国20多个省区实现了工程推广和产业化应用。合计处理污水量高达20多亿吨/年，取得巨大的经济效益与社会环境效益。
系列创新成果以第一完成人获联合国世界知识产权组织（WIPO）杰出专利发明奖/最佳发明奖2项，国家科技进步奖二等奖1项，中国专利奖金奖、银奖各1项，中国专利奖优秀奖2项，获何梁何利奖、贵州省最高科学技术奖、贵州省首届杰出人才提名奖，并获省部级科技奖一等奖7项；系列专利技术获国际国内专利金奖7项；在国内外期刊发表学术论文460多篇（SCI/EI论文290余篇、《细胞》子刊论文1篇，国内外引用11000多次、中文论文下载量13.3万多次），主编参编学术著作10部。此外，他先后入选国际欧亚科学院院士、国家万人计划领军人才、国家绕月探测工程科学应用专家委员会专家、国务院政府特殊津贴专家、国家有突出贡献中青年专家；获全国最美生态环境科技工作者、全国化工优秀科技工作者、中国发明人物奖等荣誉称号。
老骥伏枥，志在千里。如今，已过知天命之年的周少奇仍以饱满的精神与态度，投入各项工作中。科学研究、产业应用、科技扶贫、乡村振兴……周少奇心中牵挂的事情还有很多，即使在回家路上的零碎时间，他的大脑也从未停止过思考。环境问题事关千秋万代，是为人类谋福祉的伟大事业。“能投身于这项事业中，是我作为一名科技工作者最大的价值与乐趣。”周少奇说。
眺望贵州大地，周少奇思绪万千。环境之功，又岂在朝夕。今后，结合贵州和西部的环境发展状况，他还将继续用环境生命科学来书写答案。
来源：贵州大学新闻网
编辑：溪山融媒中心 秦静
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