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  • 水源除氮“生物军团”的诞生

        本报记者 任敏

        当前,总氮已成为影响我国河湖地表水源水质安全的首要污染指标。总氮一旦超标,后果相当严重,对于水源水体,可导致藻类疯长,出现在饮用水中,长期饮用对人体极为不利。

        如何除氮?北京大学环境科学与工程学院教授籍国东请来了“生物军团”。从2007年开始,籍国东带领项目组与中国灌溉排水发展中心、河海大学等单位合作研发出水源地村镇分散点源、水陆交错带面源和水源水体“三位一体”饮用水源总氮污染防控与修复技术。研究中,科研人员通过筛选培殖适宜不同区域和生境的土著功能菌群,创造性地让不同特性的土著功能菌“抱团吃氮”,大大提升了脱总氮效率。

        该项目成果已在南水北调水源保护,北京、浙江、江苏等省市的2175座水源安全保障工程中应用,发挥除氮“净化器”的作用。其中,北京直接受益人口超1100万。

        组建功能微生物群组“抱团吃氮”

        饮用水源中的氮素以多种形式存在,主要包括有机氮、氨氮、硝氮、亚硝氮等,所有这些氮合称为总氮。进入水源水体的总氮,大约有六七成来自水源地村镇分散点源和水陆交错带面源。

        防控总氮,须从源头施治。主攻水源保护与生态修复的北大教授籍国东带领项目组,创建了系列方法,“三位一体”地开展水源地村镇分散点源、水陆交错带面源和水源水体总氮污染防控与修复。

        水源地村镇分散污水是饮用水源水体总氮的主要来源之一,对此,项目组原创建立起功能微生物群组SAOD耦合脱氮机制(即:氨氧化古菌、细菌、厌氧氨氧化和硝氮还原菌群协同脱总氮)。对于这种脱氮机制,籍国东打了一个比喻,这些功能菌都是“吃氮”的“勇士”,但在自然环境中它们往往喜欢各自为政,单兵作战,“而我们把这些功能菌组织起来,形成一个合作共生的功能群组,让它们抱团作战,分别吃掉不同形态的氮,实现合作共赢。”

        让这些“吃氮”的“勇士”组团,发挥最大的战斗力,先要给它们搭建“营寨”。

        研究人员发明了新型表面纳米化多孔功能填料,它以微孔天然火山岩、中孔聚醚材料、大孔聚酯材料为基础,掺杂了纳米铁、石墨碳等,可制造出不同孔隙、不同空间效应和不同活性基团的环境。这些填料具有共同的特点,亲和微生物、可提高微生物多样性,并能营造氨氧化和硝氮还原环境,“这就相当于为这些功能菌群搭建了适宜各自生态位的窝巢,可以促使它们在这里更多地聚集,并形成高活性的氮代谢环。”

        同步推出的多介质SAOD同步脱氮技术装备,也就是多介质潮汐流人工湿地或固定生物床,可将这些功能菌群及其“窝巢”固定起来,助其长期发挥效用。除此之外,研究团队还开发出基于云平台的无线运维调控技术,对微生物群组脱氮装备进行远程调控和智能监测,目前已大规模推广应用。基于这些技术手段构建的SAOD生物生态耦合脱总氮整装工艺,成本低、易维护,脱总氮效率可提升至88%。

        水陆交错带环环相扣“过滤”氮

        除了小生态,还需要营造大环境,层层除氮。

        在水陆交错带,研究人员发明了完整生态链总氮控制成套技术装备,这些治理技术手段环环相扣,来自农田的水经层层“过滤”之后,才会汇入水源区:

        第一环是在农田实行稻草轮作有机种植模式,比如让水稻和苜蓿交替种植,并尽量采取有机种植,不施或者少施化肥,从源头上降氮;

        第二环是在农田旁边,利用土壤修建侧渗隔离沟或者隔离带,以过滤来自农田的小颗粒状的氮;

        第三环是搭建水动力自适应漂浮物拦污栅,这是团队的创新发明装置,它可以根据水流大小等条件调整拦污栅的大小,用于拦截集水沟里的垃圾等大型漂浮物;

        第四环则是构建完整生态链前置库,在靠近水源区附近,开辟一方小水塘,养殖河蚌、种植芦苇等,构成一套自循环的生态系统,依靠这些水生动植物去除氮素污染物,干净的水就可汇入水源区。

        另外,研究团队还在北京郊区通过实验创建了北京水源地水陆交错带种植区手性农药选择性降解机制,籍国东解释,通俗来讲,就是界定了哪些土著代谢菌可以“吃掉”此类含氮有机农药,找到降解功能菌群和标志基因,并建立起降解模型,为后续降解调控提供定量响应模型。

        不时见诸报端的油罐车泄漏,虽然是小概率事件,但泄漏出来的石油流入水体,也会影响水质。针对高浓度的溢出石油,研究人员构建了氮杂环石油标志物淋溶动力学模型,可对石油进行淋洗溶脱;针对低浓度的石油,则研制出植物源土著微生物激活剂,籍国东形象地打比方,“这些激活剂就相当于‘催化剂’,让它们去激发土著微生物的活性,用来消灭有机氮和石油。”他透露,实验显示,这套技术使得水陆交错带氮杂环石油标志物的降解速率比自然降解提高62%。

        最后一步就是为水源水体除氮。游客在公园参观时看到的生物浮床,就是水体除氮装置,这种浮床的原理是通过植物吸收和土著微生物降解共同除氮,不过缺点是效率较低,如果强化投加外源微生物,则有潜在风险,可能引发健康问题。籍国东团队则在这种方法基础之上,筛选培殖了高效土著脱氮菌,研制了土著脱氮菌剂制备系统,并发明了多介质固定生物床。在固定生物床上,通过调整水动力、水温和氧气,控制环境条件,可大幅提高土著脱氮菌的丰度和多样性,并使之长期发挥作用。这种方法可使水源水体脱总氮效率达到72%。

        值得一提的是,项目组还基于标志基因高通量测序技术,创建了总氮敏感微生物精准解析新方法,籍国东说:“我们将DNA识别和同位素标记相结合,建立起识别总氮敏感微生物的模型,为南水北调水源防控总氮敏感微生物增殖提供科学依据,为保障北京饮用水水源安全提供技术支撑。”

        一个实践疑点催生原始创新

        在水源保护与生态修复领域,让基础研究和工程实践完美结合是理想状态,不过,两者得兼很难。籍国东坦言:“很多时候,我们在基础研究中的新发现要想应用到工程实践中,要跨过很多难关,而工程应用中发现的问题,如果从原理上无法解释,技术创新也很难。我们这项成果最大的优势就是,真的把这两个问题做到平衡。”

        的确,项目中最亮眼的一项突破SAOD耦合脱氮的思路就来自实践,从过去的功能菌调控,到功能群组协同调控,虽然只是一个思路的转变,效果却大为不同。籍国东回忆,“我们把它变成一个群组的概念,换句话说,就是把生物学的理念,变成生态学的理念。”

        大约四五年前,在开展农村生活污水治理项目时,项目组需要分析人工湿地中各个菌群加在一起的效果,利用传统实验方法研究,他们发现,大概有5%到50%的脱氮效率无法解释。

        疑者,觉悟之机也。籍国东意识到:这个学术疑点背后,可能暗藏着未经发现的科学原理。

        团队成员按常规模式分析基因数量,看不出显著规律来。籍国东从生态学专业视角切入,分析这些菌群的生态位分离重叠及合作竞争规律,发现功能菌群之间的相互作用与脱氮速率存在线性关系。“于是,我们把重点从关注单菌群与脱氮速率的关系,转移到功能群组相互作用与脱氮速率的关系。这样,这个模型就能搭建出来,通过量化模型调控相互作用关系,发挥功能群组协同脱氮优势。”籍国东说,“那时候,几乎每天都和学生讨论这些问题,晚上两三点才休息,夜深人静的时候都在想突破点。”

        除了纸面的论文,籍国东团队更加看重研究成果在实际工程中的应用效果,“这是一个应用题,首先得把这东西用起来,用于解决实际问题。”因为示范点大多在外地,籍国东几乎每半个月就要出一趟差,团队中还有四五个人在外面跟进项目。科学研究相当于建立了一个理想模型,但转移到工程应用中,还得解决一个又一个小麻烦。为此,大家没少花心思。

        有一个分散污水处理装置,运行头三年,每年都有问题,始终找不出症结。三年间,不断排查,最后发现的问题让他们哭笑不得:原来是折流管短路,导致水流形态无法实现,本来可以富集培殖不同功能菌群,结果环境条件趋同使菌群功能单一化,经过改进后,才实现预期的脱总氮效果。

        管短了、压力不够、水流形态无法实现……诸如此类的小麻烦,都需要他们现场排查、现场支招,虽然有些伤脑筋,不过在籍国东看来很值,“创新发现要用于指导实践,这样,你做的科研价值才会更高!”

        十二年的实践,验证了籍国东的“生物吃氮军团”的战斗力。目前,这套“三位一体”总氮污染防控与修复整装工艺,已在南水北调水源保护,北京、浙江、江苏等地的30多个县市、2175座水源安全保障工程中应用,近三年直接经济效益超8亿元,其中,北京直接受益人口超1100万。

        今年3月,这一受北京市科委“科技新星”计划支持的“饮用水源总氮污染防控与修复关键技术及应用”项目,获北京市科学技术奖一等奖。

        然而,籍国东团队“净化水源”的脚步不停歇,他们正着手从古菌活性调控角度研发低温、低碳、低氮水源脱氮模型,并期冀发掘更多合适的新型功能微生物定向富集材料,研发饮用水源古菌硝化反硝化脱氮技术,以更高效、更精准地脱总氮。

  • 用数字化图像创造一个世界

        本报记者 王天淇

        今年春节,国产科幻电影《流浪地球》大火,震撼的视觉特效为其加分不少。在整部电影的2003个特效镜头中,北京墨镜天合数字图像科技有限公司(MORE VFX)承接了800多个镜头并亲自参与制作了其中的400多个,包括最难的那一部分。

        虽然收获颇多赞誉,但MORE VFX的创始人,同时也是《流浪地球》视效指导的徐建却说:“《流浪地球》是中国视觉特效行业在科幻片领域迈出的一小步,我们还有很大差距要追赶。”

        两分钟镜头打磨9个月

        电影视觉特效制作,通常指Visual Effects,简称VFX,是一个将计算机生成图像技术(Computer Generated Imagery,简称CGI)和真人实拍镜头,通过计算机处理最终形成电影画面的过程。

        徐建用一句话来概括:我们用计算机图像创造一个世界。

        接下《流浪地球》这个项目,徐建带领团队马不停蹄地开始了收集、整理物理资料、设计概念图等一系列工作,等到正式进入特效制作阶段,已经是2018年的4月,此时距离电影上映还有大概9个月的时间。

        从电影开篇的冰封国贸、行星发动机坝体停车棚、矿区采石场到苏拉威西行星发动机重启、点燃木星后冲击波冲向地球……这些电影中难度最大的特效镜头都是MORE VFX制作的。其中,刘启开着运载车从北京矿区采石场驶出,镜头从运载车的车头拉起,画面从整个矿区扩大到行星发动机的一条腿、发动机引擎口、地球上一条条行星发动机的蓝色光柱,直到宇宙中的空间站,这个时长近两分钟的长镜头,徐建团队整整打磨了9个月,直到电影上映前的20天左右,才交付最终版本。

        “这个镜头可以说是我们遇到的最大的,也是前所未有的挑战。”徐建说,电影特效镜头中的每一个元素,在制作软件中都是由一个个网格状的“面”组成的,行业内也叫“资产面”。“资产面”的数量越多,元素呈现效果越细致,但同时数据处理量、制作难度也越大,当“资产面”的数量多到一定程度,电脑就“跑”不动了,甚至会卡壳。而这个近两分钟的长镜头里,包括了几千亿个“面”,光是采石场的石头,就设置了100多亿个。为了解决数据处理这个难题,徐建和团队成员开发了一些新型的数据流传导程序,将传统的在显卡中读写数据改变为在GPU缓存中读写数据,为计算机运行系统“减负”,从而让数据流能更快地传输。与此同时,为了保证真实感,镜头里要呈现出的矿区、发动机引擎、地球、太阳、空间站等各个元素都必须保证比例大小和空间位置关系合理,徐建团队也做了大量的细节堆叠和反复的修改验证。

        电影开头,不少北京观众记忆深刻的冰封国贸镜头,其实原本最让徐建担心:观众能不能一眼看出这是哪里。为了尽可能还原现实场景,制作团队的队员提前花了一个星期的时间去国贸周边踩点,收集建筑物特征等线索。制作时,除了给每栋大楼的模型都加了冰雪覆盖的质感外,还在整个城市中融入了层层叠叠的冰雪覆盖效果。但即便如此,制作出的第一版,郭帆导演仍不满意,他认为,这个镜头中画面远处的行星发动机不够清晰,难以让观众一眼就注意到。所以,修改打磨时,徐建让团队成员在发动机的表面加上了8000多个灯的元素,让行星发动机整体亮起来,增加画面恢弘磅礴的气势……

        400多个镜头几乎动用了MORE VFX全部200名工作人员。《流浪地球》视觉特效制作的统筹制片魏玉青说,这是公司第一个总监级别的高层也亲自上手操机制作的项目,“因为人手根本不够,有些部门几乎是几班倒地泡在机房里,每天能睡五六个小时的觉都是一件很奢侈的事。”

        “我们还有很长的路要追赶”

        电影上映后,视觉特效收获颇多赞誉,甚至有人称赞,因为《流浪地球》,中国的电影视觉特效已经和国外做得一样好了。但徐建却告诉记者:“这只是我们迈出的一小步,后面还有很长的路要追赶,在国际视觉特效制作领域,我们还是个‘小朋友’,《流浪地球》只能算摸到好莱坞的边儿了吧。”

        徐建反复强调,这不是谦虚,只是事实。

        这次《流浪地球》视觉特效的成功,是基于公司十多年的积累。“正好我们以往承接的项目,也大概是这些类型,所以在每个画面元素的特效制作技术上,技术相对成熟。”徐建说,观众喜欢把电影特效按影片类型分为科幻类、玄幻类等,但对专业的制作人员来说却是分成自然天气、自然环境、硬表面(如建筑物、车辆等所有现实生活中表面为硬质的物体)等类别。“《流浪地球》的特效制作主要集中在自然天气,比如风、雪,以及发动机、运载车、采石场等,这恰恰是我们最擅长的。”

        徐建也坦言,面对要求更高的自然环境和生物毛发类的特效制作,MORE VFX还需要长时间的学习和积累。

        立足北京,丰富的科技资源和历史文化,为MORE VFX提供了取之不尽的素材。徐建也希望视觉特效制作行业的从业环境能越来越好,加大对核心算法的研发投入,完善计算机科学体系和图形图像学体系。“我们已经开始向生物角色发起挑战,制作中的《征途》和接下来要制作的《刺杀小说家》,都有生物角色的表演。希望未来几十年,中国视觉特效制作行业能迅速崛起,尽快追赶上好莱坞。”徐建说。