让盐碱地的“白花花”变为“绿盈盈”的希望

如何让滨海地区盐碱地上的白花花的苍凉变为绿盈盈的希望？如何让戈壁荒漠的重金属污染地变为环境友好的经济作物生长乐园？南京工业大学食品科学与轻工学院教授江凌带领课题组经过十余年的研究，助力极端生境农作物亩产量提升20%左右。

日前，其所主持的“新疆极端农业微生物种质资源保育及农用地土壤修复示范化应用”项目喜获2023年度全国商业联合会科技进步奖特等奖。

找到农业“芯片”——拥有极端农业微生物种质资源库

新疆地区盐碱地占全国盐碱地总面积22%，为潜在的耕地战略储备资源。“一直以来，本着让‘沉睡’的盐碱地变为生机盎然的万亩良田和硕果累累的粮仓的初心使命，我们团队上百次深入‘无人区’进行科考，行程达10万公里。”江凌表示。

江南水乡杨柳青，大漠孤烟梭梭树。在科研人员的眼中被荒废的土地只是没找到适者生存的物种，因此极端生境的农作物种子很关键。“如果把种子看作是农业的‘芯片’，那么种质资源就是芯片中的‘芯片’”。江凌介绍，他一直带领着团队行走在“找”种子的路上。“我们在新疆辐射污染区、阿克苏盐山、罗布泊盐湖、冰川一号、艾丁湖等特殊环境采集上千份样本，从中分离获得了具有自主知识产权的极端微生物5297株，发现了乌鲁木齐异常球菌等14个新种，创建了国内最大的来源于新疆极端生境的农业微生物种质资助源库和极端菌基因组资源库。”课题组成员朱政明自豪地介绍道。

护航植株生长——获得土壤修复能力强的功能菌株

土壤是否健康、肥力是否充沛，关系着极端生境农作物生长态势和产量高低，江凌课题组深谙此理。“农业微生物及其代谢物能够改善土壤营养状态、中和土壤内潜在有毒化合物、降低化肥和农药使用量。”课题组成员朱丽英介绍，在明确了功能型微生物等生物技术在盐碱地等土壤修复作用，他们便进行了“齐步走”，一边综合开发农业微生物种质资源，一边创新微生物土壤修复技术。

“极端微生物因其特殊的生理机制、遗传物质及活性产物，成为土壤生物修复及植物促生的理想微生物之一。”江凌介绍，课题组建立了稀释培养法和液滴微流控快速分选技术，解决了土壤修复能力强的功能菌株筛选难的问题，既获得了修复能力强的抗逆菌株，又发掘了如海藻糖等具有植物促生潜力的抗逆活性物质。

据课题组成员陈耀介绍，他们通过高盐压力富集筛选和重金属压力富集筛选，从极端微生物菌株资料库中筛选到了包括白蚁菌IS7、芽孢杆菌HM-311等57株菌株。“筛选所得菌株中的86%具有耐受10%氯化钠的能力，50%的菌株具有解无机磷能力。其中，白蚁菌IS7抗逆性能强，不仅在含10%氯化钠的培养基上生长良好，而且同时具有解磷、解钾、固氮等特性。芽孢杆菌HM-311对重金属吸附去除率提高至90%以上。”

解决技术“瓶颈”——开发工程化集成水平高的高效制备

团队研究发现，筛选出的极端功能菌及其活性物质海藻糖虽然在土壤修复中具有低成本、高效率、对环境破坏小等方面的优势，但却存在工程化集成水平低，无法规模化修复土壤等技术瓶颈。“团队开发了针对功能菌非灭菌高密度发酵体系，建立了抗逆活性物质海藻糖的一步酶法催化工艺，解决了微生物及活性产物工程化集成水平低问题，实现了功能菌株及抗逆活性物质海藻糖的高效制备。”团队成员刘伟表示。

江凌补充介绍说，团队开发的制备技术具有几大优点。一是环境友好。功能菌株芽孢杆菌的非灭菌发酵原料成本下降了30%，能源消耗成本下降了35%；二是高生物量。芽孢杆菌单批次发酵周期从5天缩短为4天，1毫升菌株拥有8×1010个生物量（有效活菌数）；三是转化率高。500升发酵罐系统实现了多批次循环催化，创海藻糖合酶催化转化率国内外最高值，得率达90%以上。

实现示范应用——取得显著的社会效益和经济效益

“科研成果只有走出实验室，在厂房车间、田间地头开花结果，才能真正地发挥作用，赋能美丽中国建设。”江凌表示，极端生境农作物种植是个系统工程，考虑到微生物菌剂的应用过程中还受温度、酸碱度等环境条件影响，团队还开发了基于功能菌、海藻糖、生物炭三联复合微生物菌剂。“功能菌能修复污染土壤、增强土壤肥力、促进植物生长；海藻糖可提高菌株存活性和植物耐盐抗逆性；生物炭增强保水能力，提高土壤肥力，并可固定土壤中的重金属。”

团队成员朱政明介绍，针对微生物在重金属、盐碱环境中的活性低、应用时功能不稳定等问题，团队开发了多元复合材料凝胶固定化细胞技术。“将三联复合微生物菌剂应用于重金属污染的土壤盆栽玉米中，我们发现菌剂固化了土壤中的重金属离子，将其从生物可利用态转化为不可利用态，玉米芽与根对铅离子的富集量分别下降了40.86%和51.34%，玉米植株长度与干重分别提高了23.6%和73.3%。”

基于研发的复合微生物菌剂制备技术，团队与合作完成单位新疆天物生态环保股份有限公司开展联合攻关，开发了系列复合微生物菌剂，并在新疆乌鲁木齐经济技术开发区、石河子市、阿克苏等地进行盐碱土壤修复示范工程，施灌于如棉花、小麦、玉米、沙棘、甘草等农作物，经过3-5年的推广应用，碱解氮、速效磷、速效钾、有机质等土壤肥力分别提高了26.3%、24.7%、40.2%、37.8%，棉花、小麦、玉米、沙棘、甘草等作物存活率分别从57%、55%、60%提升至96%以上，亩产分别提升了21.5%，26.4%、18.3%。

“此项目的应用提高了盐碱地与重金属污染地的利用率，取得了显著的经济、社会和生态效应，为新疆广阔贫瘠盐碱地及江苏等地区的重金属污染地的综合利用，助守耕地生命线提供了典型示范。项目成果整体处于国际先进水平。”中国工程院院士、南京大学教授任洪强作为专家组组长，对本项目的整体技术成果进行了鉴定。