作者:廖洋 王冰笛 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/12/27 14:05:58
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挖掘微生物与金属的“秘密关系”,他归国3年后再获殊荣

 

能否利用充足的海水,缓解淡水资源短缺的难题?

在中国科学院海洋研究所研究员张瑞永的显微镜下,那些看似渺小却潜力巨大的菌株里藏着有关微生物与海水问题的一切答案。

日前,张瑞永通过层层选拔,成功获评2023“海洋强国青年科学家”。拥有国家海外高层次引进青年人才、山东省海外科技人才等多重身份的他,已累计发表SCI论文70余篇,并开发出一套适用于生物膜原位观测、结构及成分分析的荧光标记凝集素分析法。而张瑞永与微生物菌株,则有着岁月悠长的故事.....

张瑞永获评2023“海洋强国青年科学家”

看一颗种子开花

时间拨回到2001年7月13日,那天是北京申奥成功的日子。

彼时的张瑞永正值高二。此前,因化学成绩优异,他被选拔入河南代表队,参加全国化学奥林匹克竞赛。从杞县高中来到郑州大学,懵懂的青年参加了两个月的大学化学的奥赛培训。

令人振奋的消息是晚饭时间传来的,张瑞永拿到了自己化学学习生涯的“第一桶金”——河南省二等奖,这是当时所在学校获得的最高荣誉。喜爱化学的种子此时在他心中种下了。

随后,张瑞永以优异的高考成绩入读中南大学生物工程专业。本科四年,他逐步意识到所在领域在国内的稀缺与重要性,在老师的引导与带领下,他初接触微生物学,对“小小身躯,大大能量”的微生物产生了浓厚的兴趣,开始萌发了想攻关科研的梦想,本科毕业后他如愿保研本校。

研究生导师夏金兰,是他本科微生物学老师,刚从比利时留学归国。回忆第一次见到夏老师的印象,张瑞永历历在目,“第一次看到夏老师就觉得他不苟言笑、言行雅正,但是对待科研单纯严谨又充满热情,觉得跟着他一定会学有所成。”

张瑞永

读硕士的三年中,张瑞永主要利用双向电泳研究胞外多聚物的成分,并顺利发现多聚物包括多糖、蛋白质、核酸、脂类等成分,同时观察到微生物在元素硫和亚铁两种不同能源底物下的生长情况显著不同。

这项小小的科研成果算是为张瑞永指明了初期的研究方向,也推着他向科研之路的更深处迈进。

后来,他在德国攻读博士学位期间与西班牙马德里大学教授L. Castro合作,建立了胞外多聚物的提取方法,并合作从西班牙的力拓河中分离出适于生长在海水中的冶金微生物,提出了古菌—元素硫界面巯基蛋白质和脂类物质介导的活化作用机制及元素硫腐蚀机制,丰富了嗜酸热古菌在极端环境下腐蚀和溶出硫化矿机理,并为阐明极端微生物如何参与元素硫的地球生物化学循环提供了支撑。

其研究结果更是得到了美国国家工程院院士、微生物冶金专家C. L. Brierley,美国国家科学院院士、微生物生态学专家J. F. Banfield,德国弗莱堡大学教授S. V. Albers,农业微生物国家重点实验室教授黄巧云等知名专家在高水平杂志上的引用和肯定。

那颗小小的种子就如此一步步破土而出了。

张瑞永工作照

瞧,这个菌株很好看

再倒带一下,顺着那些被人津津乐道的各项成就,去看看那段无人问津的时光中,张瑞永是如何“单枪匹马”的闯过来。

德国留学前,他发了近五十封邮件申请才申到名额。在终于赴德后,语言障碍又一度使他无力。

“将近一年时间里,几乎只有早晚问候,中间的交流工作没有任何效果。”张瑞永苦笑道,“那时候,语言的思想包袱很重,但又努力一边练习语言,一边让科研工作持续。”

后来,跟博士导师W. Sand参加国际生物湿法冶金大会的契机,给了他更多的机会与导师交流,语言枷锁也终于慢慢解开。“当时一下子感觉局面打开了,后来在实验室也更是可以听懂并参与交流了。”张瑞永讲道。

2015年12月,张瑞永与导师W. Sand教授在博士毕业典礼

在导师的支持下,张瑞永坚持自己原有的研究方向,从阿根廷安第斯山Copahue高温温泉富集和培养了铁/硫氧化微生物,成功分离和获得了几株嗜酸热铁硫氧化古菌,并通过中试和三步法驯化,构建获得了高效生物浸出菌群,对其进行了全基因组测序和关键代谢网络分析,为研究其代谢和生物浸出机理奠定了基础。

分离出的菌株是用张瑞永名字的简称来命名的,“这个菌株大致是个圆形的球菌,但不是特别圆,很好看。”谈起自己研究的菌株,张瑞永乐此不疲,就像是自己的孩子。

张瑞永在实验室进行菌种纯培养实验

由胞外多聚物与微生物细胞组成的生物膜三维结构赋予微生物关键的生存优势,同时,微生物—矿物界面形成的生物膜对矿物的生物浸出至关重要,生物膜通过浓缩Fe3+加速矿物腐蚀浸出。

但遗憾的是,人们对古菌生物膜及其胞外多聚物的认知极度匮乏。

基于此,张瑞永开发和建立了用于分析微生物生物膜结构、演化及成分的荧光标记凝集素分析技术,并采用原子力显微镜和荧光显微镜联用技术,对自主分离纯化的极端嗜酸热古菌在黄铁矿表面的附着和生物膜成膜、原位腐蚀浸出进行了原位可视化及腐蚀模式研究。

此外,他又相继创新性地提出了嗜酸热古菌生物膜存在的三种模式,并发现古菌在黄铁矿表面吸附的特异性和选择性以及嗜酸热古菌的生物膜成膜模式等一系列特点。相应研究成果被发表在Hydrometallurgy(《湿法冶金》)、Frontiers in Microbiology(《微生物前沿》)和New Biotechnology(《新生物技术》)等国际一流期刊。

一系列成果的诞生,使得生物冶金菌种资源库丰富度大大提高,更为开发包含深海微生物等极端条件微生物资源、高效利用矿山尾矿废弃物和海底矿产资源、原位观测材料腐蚀过程中微生物—材料界面生物膜微环境等提供了重要研究手段和思路。

张瑞永在实验室指导研究生使用扫描电镜观察微生物样品

答案有点远,但一定有

“做学问一定要坚持,无论是找人问还是自己看书,都一定要把它搞懂、吃透,无论到达哪个阶段,都一定要坚持学习。”张瑞永认为,对科研的热爱与对学习的坚持一样,是科研的两条腿,缺一不可。

还记得,2014年博士期间,张瑞永在研究的古菌中发现其竟然分泌唾液酸,而最早的生化课本中只提到细菌里面才有此物质。为了解答困惑,他翻阅了过往厚厚一沓又一沓的文献去研究,又在某篇科研论文上查到研究唾液酸的相关学者,并顺着其登在杂志上的联系方式写邮件询问,后又再经人介绍去寻找真正的答案。

“科研道路持续而漫长,只在表理层面试探不是科研人员的目标,我们要做的,是顺着这条线,在或长或短的时间轴中探索出最深的点。”张瑞永对《中国科学报》缓缓道出自己多年的感悟。

2016年,张瑞永又在德国联邦地球科学与自然资源研究所开展博士后工作。在此期间,他承担了欧盟“地平线2020”课题,设计和开发了用于模拟深地条件的微生物培养装置,并首次开展深地条件下嗜酸微生物浸出的相关研究,填补了此领域的空白。

此外,他从德国哈茨山(Harz)分离并命名的新菌种——Sulfobacillus harzensis成功用于从废弃资源中浸出战略性金属“钴”,得到北德广播电视台NDR、明镜周刊科技专栏的关注和报道。

张瑞永与实验室同事进行微生物浸出“钴”试验

生物冶金利用微生物或其代谢产物溶浸金属硫化矿石中金属元素,是一种新型、绿色、环保的前沿金属提取技术,在极端环境复杂多金属硫化矿浸出领域具有应用潜力。

海水生物冶金技术可有效缓解和解决矿产及淡水资源短缺问题。亚美尼亚作为“一带一路”沿线国家,具有丰富的矿产资源。基于此,2023年12月,已回国工作三年的张瑞永作为中方负责人赴亚美尼亚科学院科研生产中心展开学术交流。

回忆入职中国科学院海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室,张瑞永认真地讲道,“从参加中国科学院组织的‘海外人才行’活动有幸结识中国工程院院士侯保荣,到有机会向他介绍工作并得到认同和支持;从后来参加其亲自主持的院青年项目面谈会,到入职中国科学院海洋研究所并开展工作,特别感恩侯保荣院士和段继周研究员的引荐与自始至终的关怀。”

2023年9月19日,与侯保荣院士在2023年国际海洋腐蚀防护产业大会

过去三年中,张瑞永还利用自己留学积累的资源,积极引进国外优秀学者。他积极促成国际知名海洋微生物学家、德国国家科学院院士Friedrich Widdel来到中国科学院海洋研究所指导工作。Widdel院士曾在硫酸盐还原菌和产甲烷菌的厌氧腐蚀研究、海洋古菌和细菌的甲烷厌氧氧化研究方面取得了卓越成就。

2023年4月10日与段继周研究员一同邀请Widdel院士参观青岛海腐所腐蚀实验站

2023年4月13日,与Widdel院士在三亚海洋腐蚀试验站调研

“对我来说,那些好看的菌株会在我潜心研究时给出答案。”故事最后,张瑞永说,“不要追求成功,而要追求卓越,答案永远藏在科研深潜的必经之路。”

 
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