——吉林大学新能源与环境学院教授张大奕

自然界中存在数量巨大、种类多样、功能未知的不可培养环境微生物，被喻为生命暗物质，蕴含具有特定功能的基因与酶，在农业及食品、医药与健康等行业具有巨大的应用潜力。筛选未知功能微生物，高效发掘和利用新型功能基因与功能酶等生命暗物质资源，能够助力食品加工、生物医药等产业发展，显著提高生物技术产业集群竞争力。围绕生命暗物质的识别、筛选与资源利用这一热点问题，学术界和工业界已开发了大量相关技术，但目前仍然存在范围窄、精度差、效率低等关键技术难题，缺乏集成化、自动化、智能化的成套技术、试剂和装备体系，严重限制了生命暗物质发掘与应用效率。

吉林大学新能源与环境学院张大奕教授立足国情，创新科研，在环境安全诊断技术与设备、环境功能微生物甄别、污染与退化土壤修复等领域创新突破，取得了大量原创性科技成果，促进成果转化形成新质生产力，为促进人与自然和谐共生、建设美丽健康中国做出了突出贡献。

张大奕参加会议并发言

首创SMART平台，挖掘生命暗物质资源

“我们团队最新开发了拥有自主知识产权和智能化的SMART平台，以探索未知环境功能微生物。”见我们来访，张大奕饶有兴致地介绍起了团队的自主创新成果。实际上，这个成果正是张大奕在环境功能微生物领域建立的多技术集成SMART平台——“稳定同位素探针标记-磁性纳米颗粒分离-拉曼单细胞光谱甄别-功能单细胞捕获-微囊化高通量培养”。

“这个平台有哪些功能和作用，与我们所关心的生态环境问题有什么关系?”面对一头雾水的我们，张大奕徐徐展开了科研画卷。

张大奕向我们科普到，环境功能微生物可对污染环境进行治理和修复，在自然环境中充当生产者和分解者，维持生态平衡。但是他们还具有数量大、时空分异性大等特性，会随环境而变化，尤其某些微生物会引起人和动物的疾病，所以我们需要对环境功能微生物进行甄别和分析，培养“为我所用”的微生物。

然而，环境功能微生物领域的科研工作要求极高的专业度和技术水平，这也成为科技工作者主要研究方向之一。基于此，张大奕带领团队创新突破，建立了多技术集成的SMART平台。

“平台是集成了多种光学和生物学前沿技术的复杂系统，旨在从微观层面深入研究和操作单个细胞，而且平台实现了环境功能微生物这一生命暗物质的精准识别、高效筛选与高通量培养。”张大奕坦诚平台具有更高的专业指向性。从识别功能微生物、探明单个细胞的代谢状态和功能特性、甄别和分离特定类型的功能微生物细胞，到实现目标微生物的高通量培养与功能提升，都可通过SMART平台完成。

“不止功能微生物，SMART平台也可应用于其他相关领域。”张大奕告诉我们，通过SMART平台，还可以全面揭示有机污染物在自然环境中的分解和转化过程，深刻认识污染物降解机制，借此可以采取有力措施改善环境质量。另外，在环境因素动态变化的影响下，微生物会发生进化，例如达到忍耐极限时会通过调整其遗传特征和生理特性来适应环境变化，从而在不利环境中生存下来。对于两个或多个微生物之间的相互作用和共同进化，我们称之为协同进化。他们的相互作用可以是竞争性的，也可以是互利的，但却共同影响着生物群落结构的组成和多样性。通过SMART平台我们能够掌握微生物协同进化过程，为全面理解生态系统演化规律、科学评估人类活动产生的生态风险、系统制定有效的环境保护措施提供了有效依据。

张大奕(左一)指导研究生实验

建立高质量生物基因库，助力功能微生物识别

为了更好地为环境风险评估与管控提供技术支持，张大奕和团队围绕抗性基因和极端环境特殊功能基因两大方面进行了深入科研，并取得实质性突破。

抗生素与耐药基因作为目前认定的新污染物，给公共健康带来了极大的潜在风险。污水处理厂是耐药基因重要的源与汇，因此开展污水处理厂中耐药性微生物和耐药基因分析的相关研究工作十分重要。针对传统识别手段存在的通量低、耗时长，准确性差等缺点，张大奕创新性地开发了微囊化原位培养识别技术，对某市污水处理厂不同污水处理阶段的污水进行耐药性微生物与耐药基因种类与丰度分析，首次识别出多种未被报道的不可培养耐药性微生物，并深入探究了耐药性微生物与耐药性基因在水处理流程中的变化归趋，揭示了城市污水处理厂微生物种群耐药机制的形成和演化机理，为未来污水流行病学研究提供了宝贵信息。

在极端环境特殊功能基因方面，张大奕也开展了相关研究。一般认为，极端环境中生物量极少，受传统筛选方法的限制，极端环境中蕴含的功能微生物更加难以筛选和识别，但是张大奕团队通过稳定同位素探针技术-拉曼生物光谱技术，在南极湖水中发现大量活体微生物，其中部分微生物首次在南极地区发现，表明传统生物技术严重低估了极地环境的微生物数量与活性，这些成果丰富了我们对于南极环境微生物种属与功能的认知，对于更全面地认识极地微生物生态系统具有重要意义。

张大奕(左一)与吉林大学夏令营营员讲解交流

创新成果转化应用，助推新质生产力

张大奕积极推动成果转化应用，通过关键技术突破和自主知识产权研发实现了多种设备的高国产化和智能化，并在污染土壤修复、退化土壤修复、土壤健康维系等方面做出了积极贡献。

针对我国污染物检测设备大部分零部件都需要从国外引进的现状，张大奕带领团队进行了污染物在线监测设备和系统的研发，成功开发了全细胞生物传感器集成模块、生物传感-生物光谱耦合的环境风险识别技术，打破了污染物在线监测设备关键零部件的国际垄断，实现了相关产品的自动化、集成化、智能化和国产化，研制了多台套污染物在线监测设备，形成了数字化污染风险智慧评估平台，构建了以“在线监测-生物修复”手段为核心的污染场地修复与风险防控技术体系。特别是“地下水污染与风险在线监测预警关键技术”入选水利部《2022年度水利先进实用技术重点推广指导目录》，在多个省市开展示范应用，为发展新质生产力做出了积极贡献。

土地荒漠化是当今人类面临的重大环境问题之一，人工生物土壤结皮技术是一种前景广阔的荒漠化防治策略。目前，人工生物土壤结皮技术已在一些低海拔沙漠地区取得了一些宝贵经验，但在高寒地带荒漠化防治中的可行性尚未得到证实。为此，张大奕团队在西藏自治区拉萨市周边风化沙地开展应用示范研究，揭示了覆膜和灌溉等工程维护措施对结皮形成、细菌群落结构和养分累积的影响，为人工生物土壤结皮技术用于青藏高原荒漠化防治提供了重要的理论和数据支撑。

西藏生物结皮形成机制及其在沙化土壤治理过程中的应用研究

针对土壤中大量有机污染物降解微生物不可培养、传统技术无法有效分离和识别关键降解菌的技术难题，张大奕及合作者利用SMART平台开发了复杂微生物群落中多环芳烃活性降解菌的高效分离技术，在单细胞水平建立了微生物表型和生态功能之间的联系。该技术从土壤中成功分离出具有代表性的菲降解功能微生物单细胞，并识别出关键降解基因，重构了菲的代谢途径，为多环芳烃污染土壤绿色可持续生物修复提供了新方案。

张大奕获2023年中国产学研合作创新奖(个人)

由于创新贡献，张大奕获得诸多荣誉：国家海外高层次青年人才计划获得者、吉林大学唐敖庆领军教授、2023年中国产学研合作创新奖(个人)、2024年中国发明协会发明创业奖创新奖二等奖、2024年49届日内瓦国际发明展金奖、2022-2024年连续3年入选全球2%顶尖科学家(年度科学影响力排行榜)。

身处安全环境，享受健康生活。从张大奕身上，我们看到了环境健康的科技力量和榜样。实际上，张大奕不仅是位出色的科研学术带头人，更是一个优秀的管理者。他带领团队疾驰在科研赛道上，为我们构建着强大的环境安全屏障。(文/王超)

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