冬日的山东省济宁市金乡县马庙村，暖阳漫过村头坑塘，清澈的水面下石子纹路清晰可见。波光粼粼间，银鳞小鱼跃出水面，溅起一串水花。
谁能想到，如今这片鱼虾成群、岸边草木繁盛的水域，曾是全村避之不及的臭水塘——厚密的绿藻死死封住水面，风一吹，黑绿色的浮沫层层翻涌，发黑的污水裹着刺鼻的臭鸡蛋味，能飘满半个村巷。
这一蜕变的背后，是青岛大学生命科学学院教授牛玉生团队4年半的坚守。这项由牛玉生牵头、联合清华大学研究员张弓研发的镧/锆改性玄武岩吸附—微生物协同水污染治理技术，首次系统阐明了在污水治理中材料—微生物的耦合机制，将污水磷去除效率提升至原有水平的10倍，一举破解传统治理治标不治本、成本高、见效慢的痛点，实现了初步产业化应用。该成果发表于全球水资源领域期刊《自然—水》，国际相关专家评价该技术“预示着一个将迫在眉睫的环境危机转变为可持续再生的未来”。
从痛点出发 为治水而来
“社会需要什么，远比我们在象牙塔里琢磨要强。”牛玉生的这句话道出了这项研究的初心。深耕环境治理领域20余年，牛玉生的科研经历格外特殊。
早年他在赞比亚从事矿产环境评估工作，跑遍了戈壁荒漠，之后又在科研管理岗位深耕多年，因此深知实验室成果落地难的痛点。2019年回归科研一线后，他一眼就盯上了济宁南四湖周边的黑臭水体治理难题。
南四湖作为南水北调东线工程的核心枢纽之一，水质直接关系到北京、天津等北方城市的用水安全。但其周边是黄河古道，地势低洼，上世纪五六十年代村民挖土造房留下的大量土坑，汇集了生活污水和农业面源污染，水体流动性差，慢慢变成藏污纳垢的黑臭水塘。
“绿藻铺得像毯子，底下都是发臭的黑水，已经严重影响周边居民的生活。”牛玉生回忆。然而，水体中的污染物并非一无是处，磷、氮等都是农业生产中的有益元素。
牛玉生的想法很明确：“我们不仅要把污水中的磷、氮去除，更想通过一种方式‘变废为宝’。”带着这个目标，2021年夏天，牛玉生率团队一头扎进了实验室和田间地头。
研究的第一步是寻找合适的载体和吸附剂。“就像给病人找对症的药，每样都得试，不能怕麻烦。”论文第一作者、青岛大学博士生吴天明坦言，团队最初筛选了数种材料，每种材料都做成相同规格的样品，监测其吸附效率和稳定性。
这是一场反复又繁琐的持久战。经过与沸石、珍珠岩的反复对比，团队最终选用孔隙率占50%以上、粒径2至3毫米的多孔玄武岩为基本载体。“玄武岩的多孔结构延长了磷与材料的接触时间，在孔隙内形成富磷微环境并促进微生物附着定殖，同时孔隙构造的微流场进一步强化了传质接触。”牛玉生解释。
综合考虑成本效益与吸附效率，团队以稀土和锆基材料作为吸附活性位点，进而合成镧锆二元金属氢氧化物负载玄武岩吸附材料。“材料合成简单，合成过程能耗较低，后续更容易扩大规模生产。”吴天明表示。
实验室里，这项材料的除磷效果一路飘红。可谁也没想到，到了效果实验阶段就遭遇了滑铁卢。
2023年春天，团队在一些野外的坑塘进行试点，坑塘里的塑料袋、枯枝败叶、泥沙把材料孔道堵得严严实实。
“实验室里的水没有处理前只有单一的污染物，而野外污水是‘五花八门’的。”吴天明回忆起当时的状况仍有些无奈。野外污水里不仅有氮、磷，还有大量悬浮物、有机物，甚至还有村民倾倒的生活垃圾。
现实应用场景的复杂多样性并未让牛玉生措手不及，他的目标明确，逐一解决问题——先进行预处理，打捞水面漂浮物和大块垃圾，再在进水口设置简易过滤装置拦截悬浮物，针对不同的污染元素组合开展逐步治理。
“我想做的是应用基础研究，先看能不能应用，再进行研究，科研要扎根现场。”牛玉生对《科学新闻》说，这是团队坚守的理念。
解密材料—微生物的协同密码
“搞科研不能只知其然，还得知其所以然。”在技术落地见效的同时，牛玉生没让团队停下探究机理的脚步。他深知，只有把原理搞透，技术才能真正走出实验室。可这一钻，就遇到了一个让团队头疼的“硬骨头”。
玄武岩的孔道是天然形成的，不均匀也不规则，怎么才能证明污水能与材料的活性位点充分接触？“我们决定利用CT扫描对岩石进行三维重构并进行流场模拟，但这需要强大的算力支持，当时我们没有相关设备。”吴天明回忆。
不辞辛苦，牛玉生带着团队跑遍吉林大学、中国科学院相关研究所等十几家单位，但都因设备算力不足或软件不匹配无果。小半年的奔波毫无结果，团队成员的情绪难免有些沮丧。
转机来自牛玉生的一位朋友，他提供的超级计算机解决了团队的燃眉之急。那段时间，成员们白天做实验，晚上处理数据，通过拼接几千张材料切片图，证实玄武岩的孔道能形成均匀且复杂的流场。
最终的模型结果让所有人眼前一亮——单纯用材料吸附，吸附量到一定程度就会饱和；加入微生物之后，这项技术的可处理水量相当于材料体积的4.5万倍。
吸附穿透力的突破，让团队看到了协同机制的潜力。但新的问题随之而来：微生物成百上千，究竟哪种才是关键材料？
为此，团队采集了不同治理阶段的水体和材料样品，进行宏基因组、宏转录组、代谢组等多组学分析，积攒了近1T的原始数据。
从这些数据中挖出想要的过程十分困难。那段时间，实验室的灯常常亮到深夜。他们一开始筛选出多种微生物，但不知道哪种才是最关键的，只能通过对比实验逐一排除，最后把目标锁定在一种叫作“副伯克霍尔德菌”的微生物上。
“就是它！”吴天明至今记得找到答案时的兴奋感。这种微生物是典型的磷溶解菌，能分泌柠檬酸、苹果酸等有机酸，将材料吸附的矿物磷溶解转化并储存在细胞内，再通过磷相关基因调控聚磷合成与分解，促进真菌等真核生物共生。
“这不是单一微生物的作用，而是一个微型生态系统。”牛玉生解释，玄武岩的多孔结构为微生物提供了一个附着机制，形成“富磷”的微环境，让微生物能持续繁殖生长。
从实验室到田间地头
机理摸透了，技术也成熟了，团队开始向实际治水场景全面发力。
2024年4月，金乡县马庙村的治理工作正式开启。团队结合水体污染现状开展水面保洁工作，在进水口设置过滤装置，分批投放藻相控制材料、储氧催化材料与水体活化材料，通过材料的吸附、储氧和催化作用，改善水体微环境。
效果来得比想象中更快：一个月后开始养殖鱼类，两个月后水面已从黑色变成青色，绿藻也没了。如今，这口池塘已成为村民饭后散步、孩童嬉戏玩闹的热门去处。
这项工作也得到了山东省生态环境厅和金乡县水务局等相关部门的高度认可。他们在现场调研时高兴地指出：“马庙景观水体多年来浑浊、恶臭难闻、绿藻满塘的问题，终于被牛教授团队解决了！”
“我们的技术有扎实的应用案例和透彻的机理分析，还有完整的经济和环境评价，所以有底气冲击头部刊物。”牛玉生说。团队没有选择循序渐进，而是直接向全球水资源领域排名第一的期刊《自然—水》投稿。
等待的过程格外漫长。2025年1月投稿后，直到6月底才收到审稿意见，这项技术因其独特优势首投即中。然而，相关三位审稿人给出了三四十条细节修改建议，其中相关微生物绝对定量数据和磷的跨膜传输机制等内容是团队此前从未涉足的领域。
“一开始压力很大，提出这么多建议，而且有些技术我们之前没接触过。”吴天明说。
压力很快变成了动力。那段时间，吴天明自学流式细胞技术，泡在实验室里一遍遍地做实验、测数据，与张弓等一起打磨完善论文逻辑。“这个过程让我掌握了很多技能，是对体系更深的检查纠正。”2025年10月初，团队提交了修改稿，这一次审稿人很快给出了正面反馈。
论文正式被接收的消息传来时，团队成员难掩欣喜——4年半的攻坚克难、上百次实验、无数个通宵的夜晚，终于换回了最好的回报。
论文发表并非结束。2025年12月5日，金乡县5个村8个坑塘的水质治理工作同步启动，团队采用自主研发的施工方案，仅用34天便完成全部工程，使原本普遍处于劣Ⅴ类的水体全部达标，其中西夹村3号坑塘水质更是提升至地表水Ⅲ类，氨、氮、总磷等关键指标均优于治理目标，彻底消除了水体黑臭现象。
科研不止于发表文章，更在于解决实际问题，让科技真正走进田间地头，温暖千家万户。如今，这项技术已形成完整的产业化链条，既可为南水北调等重大工程的水质保障提供支撑，也能适配广大地区的水污染治理需求。
牛玉生介绍，下一步，团队将聚焦水体有益元素的再利用研发。“治水不是终点，让资源循环起来，让村民真正受益，才是我们的目标。”■
（作者陈思甜、杨伦单位分别为中国海洋大学、青岛大学）
