能否利用充足的海水，緩解淡水資源短缺的難題？

在中國科學(xué)院海洋研究所研究員張瑞永的顯微鏡下，那些看似渺小卻潛力巨大的菌株里藏著有關(guān)微生物與海水問題的一切答案。

日前，張瑞永通過層層選拔，成功獲評2023“海洋強國青年科學(xué)家”。擁有國家海外高層次引進(jìn)青年人才、山東省海外科技人才等多重身份的他，已累計發(fā)表SCI論文70余篇，并開發(fā)出一套適用于生物膜原位觀測、結(jié)構(gòu)及成分分析的熒光標(biāo)記凝集素分析法。而張瑞永與微生物菌株，則有著歲月悠長的故事.....

張瑞永獲評2023“海洋強國青年科學(xué)家”

看一顆種子開花

時間撥回到2001年7月13日，那天是北京申奧成功的日子。

彼時的張瑞永正值高二。此前，因化學(xué)成績優(yōu)異，他被選拔入河南代表隊，參加全國化學(xué)奧林匹克競賽。從杞縣高中來到鄭州大學(xué)，懵懂的青年參加了兩個月的大學(xué)化學(xué)的奧賽培訓(xùn)。

令人振奮的消息是晚飯時間傳來的，張瑞永拿到了自己化學(xué)學(xué)習(xí)生涯的“第一桶金”——河南省二等獎，這是當(dāng)時所在學(xué)校獲得的最高榮譽。喜愛化學(xué)的種子此時在他心中種下了。

隨后，張瑞永以優(yōu)異的高考成績?nèi)胱x中南大學(xué)生物工程專業(yè)。本科四年，他逐步意識到所在領(lǐng)域在國內(nèi)的稀缺與重要性，在老師的引導(dǎo)與帶領(lǐng)下，他初接觸微生物學(xué)，對“小小身軀，大大能量”的微生物產(chǎn)生了濃厚的興趣，開始萌發(fā)了想攻關(guān)科研的夢想，本科畢業(yè)后他如愿保研本校。

研究生導(dǎo)師夏金蘭，是他本科微生物學(xué)老師，剛從比利時留學(xué)歸國?；貞浀谝淮我姷较睦蠋煹挠∠?，張瑞永歷歷在目，“第一次看到夏老師就覺得他不茍言笑、言行雅正，但是對待科研單純嚴(yán)謹(jǐn)又充滿熱情，覺得跟著他一定會學(xué)有所成?！?/p>

張瑞永

讀碩士的三年中，張瑞永主要利用雙向電泳研究胞外多聚物的成分，并順利發(fā)現(xiàn)多聚物包括多糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂類等成分，同時觀察到微生物在元素硫和亞鐵兩種不同能源底物下的生長情況顯著不同。

這項小小的科研成果算是為張瑞永指明了初期的研究方向，也推著他向科研之路的更深處邁進(jìn)。

后來，他在德國攻讀博士學(xué)位期間與西班牙馬德里大學(xué)教授L. Castro合作，建立了胞外多聚物的提取方法，并合作從西班牙的力拓河中分離出適于生長在海水中的冶金微生物，提出了古菌—元素硫界面巰基蛋白質(zhì)和脂類物質(zhì)介導(dǎo)的活化作用機制及元素硫腐蝕機制，豐富了嗜酸熱古菌在極端環(huán)境下腐蝕和溶出硫化礦機理，并為闡明極端微生物如何參與元素硫的地球生物化學(xué)循環(huán)提供了支撐。

其研究結(jié)果更是得到了美國國家工程院院士、微生物冶金專家C. L. Brierley，美國國家科學(xué)院院士、微生物生態(tài)學(xué)專家J. F. Banfield，德國弗萊堡大學(xué)教授S. V. Albers，農(nóng)業(yè)微生物國家重點實驗室教授黃巧云等知名專家在高水平雜志上的引用和肯定。

那顆小小的種子就如此一步步破土而出了。

張瑞永工作照

瞧，這個菌株很好看

再倒帶一下，順著那些被人津津樂道的各項成就，去看看那段無人問津的時光中，張瑞永是如何“單槍匹馬”的闖過來。

德國留學(xué)前，他發(fā)了近五十封郵件申請才申到名額。在終于赴德后，語言障礙又一度使他無力。

“將近一年時間里，幾乎只有早晚問候，中間的交流工作沒有任何效果?！睆埲鹩揽嘈Φ?，“那時候，語言的思想包袱很重，但又努力一邊練習(xí)語言，一邊讓科研工作持續(xù)。”

后來，跟博士導(dǎo)師W. Sand參加國際生物濕法冶金大會的契機，給了他更多的機會與導(dǎo)師交流，語言枷鎖也終于慢慢解開?！爱?dāng)時一下子感覺局面打開了，后來在實驗室也更是可以聽懂并參與交流了?！睆埲鹩乐v道。

2015年12月，張瑞永與導(dǎo)師W. Sand教授在博士畢業(yè)典禮

在導(dǎo)師的支持下，張瑞永堅持自己原有的研究方向，從阿根廷安第斯山Copahue高溫溫泉富集和培養(yǎng)了鐵/硫氧化微生物，成功分離和獲得了幾株嗜酸熱鐵硫氧化古菌，并通過中試和三步法馴化，構(gòu)建獲得了高效生物浸出菌群，對其進(jìn)行了全基因組測序和關(guān)鍵代謝網(wǎng)絡(luò)分析，為研究其代謝和生物浸出機理奠定了基礎(chǔ)。

分離出的菌株是用張瑞永名字的簡稱來命名的，“這個菌株大致是個圓形的球菌，但不是特別圓，很好看?！闭勂鹱约貉芯康木辏瑥埲鹩罉反瞬黄?，就像是自己的孩子。

張瑞永在實驗室進(jìn)行菌種純培養(yǎng)實驗

由胞外多聚物與微生物細(xì)胞組成的生物膜三維結(jié)構(gòu)賦予微生物關(guān)鍵的生存優(yōu)勢，同時，微生物—礦物界面形成的生物膜對礦物的生物浸出至關(guān)重要，生物膜通過濃縮Fe3+加速礦物腐蝕浸出。

但遺憾的是，人們對古菌生物膜及其胞外多聚物的認(rèn)知極度匱乏。

基于此，張瑞永開發(fā)和建立了用于分析微生物生物膜結(jié)構(gòu)、演化及成分的熒光標(biāo)記凝集素分析技術(shù)，并采用原子力顯微鏡和熒光顯微鏡聯(lián)用技術(shù)，對自主分離純化的極端嗜酸熱古菌在黃鐵礦表面的附著和生物膜成膜、原位腐蝕浸出進(jìn)行了原位可視化及腐蝕模式研究。

此外，他又相繼創(chuàng)新性地提出了嗜酸熱古菌生物膜存在的三種模式，并發(fā)現(xiàn)古菌在黃鐵礦表面吸附的特異性和選擇性以及嗜酸熱古菌的生物膜成膜模式等一系列特點。相應(yīng)研究成果被發(fā)表在Hydrometallurgy（《濕法冶金》）、Frontiers in Microbiology（《微生物前沿》）和New Biotechnology（《新生物技術(shù)》）等國際一流期刊。

一系列成果的誕生，使得生物冶金菌種資源庫豐富度大大提高，更為開發(fā)包含深海微生物等極端條件微生物資源、高效利用礦山尾礦廢棄物和海底礦產(chǎn)資源、原位觀測材料腐蝕過程中微生物—材料界面生物膜微環(huán)境等提供了重要研究手段和思路。

張瑞永在實驗室指導(dǎo)研究生使用掃描電鏡觀察微生物樣品

答案有點遠(yuǎn)，但一定有

“做學(xué)問一定要堅持，無論是找人問還是自己看書，都一定要把它搞懂、吃透，無論到達(dá)哪個階段，都一定要堅持學(xué)習(xí)?！睆埲鹩勒J(rèn)為，對科研的熱愛與對學(xué)習(xí)的堅持一樣，是科研的兩條腿，缺一不可。

還記得，2014年博士期間，張瑞永在研究的古菌中發(fā)現(xiàn)其竟然分泌唾液酸，而最早的生化課本中只提到細(xì)菌里面才有此物質(zhì)。為了解答困惑，他翻閱了過往厚厚一沓又一沓的文獻(xiàn)去研究，又在某篇科研論文上查到研究唾液酸的相關(guān)學(xué)者，并順著其登在雜志上的聯(lián)系方式寫郵件詢問，后又再經(jīng)人介紹去尋找真正的答案。

“科研道路持續(xù)而漫長，只在表理層面試探不是科研人員的目標(biāo)，我們要做的，是順著這條線，在或長或短的時間軸中探索出最深的點。”張瑞永對《中國科學(xué)報》緩緩道出自己多年的感悟。

2016年，張瑞永又在德國聯(lián)邦地球科學(xué)與自然資源研究所開展博士后工作。在此期間，他承擔(dān)了歐盟“地平線2020”課題，設(shè)計和開發(fā)了用于模擬深地條件的微生物培養(yǎng)裝置，并首次開展深地條件下嗜酸微生物浸出的相關(guān)研究，填補了此領(lǐng)域的空白。

此外，他從德國哈茨山（Harz）分離并命名的新菌種——Sulfobacillus harzensis成功用于從廢棄資源中浸出戰(zhàn)略性金屬“鈷”，得到北德廣播電視臺NDR、明鏡周刊科技專欄的關(guān)注和報道。

張瑞永與實驗室同事進(jìn)行微生物浸出“鈷”試驗

生物冶金利用微生物或其代謝產(chǎn)物溶浸金屬硫化礦石中金屬元素，是一種新型、綠色、環(huán)保的前沿金屬提取技術(shù)，在極端環(huán)境復(fù)雜多金屬硫化礦浸出領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

海水生物冶金技術(shù)可有效緩解和解決礦產(chǎn)及淡水資源短缺問題。亞美尼亞作為“一帶一路”沿線國家，具有豐富的礦產(chǎn)資源?；诖耍?023年12月，已回國工作三年的張瑞永作為中方負(fù)責(zé)人赴亞美尼亞科學(xué)院科研生產(chǎn)中心展開學(xué)術(shù)交流。

回憶入職中國科學(xué)院海洋環(huán)境腐蝕與生物污損重點實驗室，張瑞永認(rèn)真地講道，“從參加中國科學(xué)院組織的‘海外人才行’活動有幸結(jié)識中國工程院院士侯保榮，到有機會向他介紹工作并得到認(rèn)同和支持；從后來參加其親自主持的院青年項目面談會，到入職中國科學(xué)院海洋研究所并開展工作，特別感恩侯保榮院士和段繼周研究員的引薦與自始至終的關(guān)懷?！?/p>

2023年9月19日，與侯保榮院士在2023年國際海洋腐蝕防護(hù)產(chǎn)業(yè)大會

過去三年中，張瑞永還利用自己留學(xué)積累的資源，積極引進(jìn)國外優(yōu)秀學(xué)者。他積極促成國際知名海洋微生物學(xué)家、德國國家科學(xué)院院士Friedrich Widdel來到中國科學(xué)院海洋研究所指導(dǎo)工作。Widdel院士曾在硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷菌的厭氧腐蝕研究、海洋古菌和細(xì)菌的甲烷厭氧氧化研究方面取得了卓越成就。

2023年4月10日與段繼周研究員一同邀請Widdel院士參觀青島海腐所腐蝕實驗站

2023年4月13日，與Widdel院士在三亞海洋腐蝕試驗站調(diào)研

“對我來說，那些好看的菌株會在我潛心研究時給出答案?！惫适伦詈螅瑥埲鹩勒f，“不要追求成功，而要追求卓越，答案永遠(yuǎn)藏在科研深潛的必經(jīng)之路?！?/p>