活力环资青春颂|湘潭大学环境与资源学院田江副教授

文章来源: 发布时间:2023-01-05浏览次数:


编者按:

青年强,则国家强。青年教师是高校教师队伍的重要力量,关系着高校发展的未来,关系着人才培养的未来,关系着教育事业的未来。

环境与资源学院青年教师传承“牢记嘱托、艰苦创业、追求卓越”的湘大精神,瞄准生态环境领域前沿,立志做有理想、敢担当、能吃苦、肯奋斗的新时代好青年,为国家推进能源革命、加快发展方式的绿色转型提供人才与科技支撑,用奋斗在新征程的火热实践中绽放绚丽之花。

聚焦教学科研,促进学院发展。本期“活力环资青春颂”让我们走近田江副教授。

田江,湖南吉首人,理学博士,副教授、硕士生导师,环境系副主任。2017年入职湘潭大学环境与资源学院,2017-2019年湖南省生态环境厅、湖南省环境监测中心站负责湖南省农用地土壤污染详查质量控制工作,湖南省土壤污染详查质控评审专家,2018年入选湖湘高层次人才聚集工程-青年创新人才,2022-2023年英国谢菲尔德大学访问学者,主要从事环境功能微生物、土壤生态学及土壤污染修复等方面的教学科研工作。

教学方面,环境类本科专业《土壤污染修复》《环境监测I》《环境管理学》《环境规划与管理》基础课程主讲教师,环境类研究生《土壤污染修复》《仪器分析与应用》《科技论文写作》必修课程主讲教师,指导《环境规划与管理》课程设计注重目标导向,结合自身科研实践,采取案例教学和学生互动的教学方式,注重思政元素融入课程实际,课外积极指导学生开展创新创业活动教学;主持湘潭大学教改项目1荣获湘潭大学普通高校课程思政教学比赛院级一等奖(2020年)、二等奖(2019年、2021年),荣获湘潭大学优秀班主任2018年、2020;带领2017级环境工程2班本科班级荣获湘潭大学校级十佳班级优秀班集体;指导大学生创新训练项目3,指导本科生“潾溦潇湘”团队代表湘潭大学首次参加第六届联合国中国青少年环境论坛

科研方面,主要关注土壤磷生物地球化学,从事土壤污染控制与生物修复、环境功能微生物代谢与资源利用,致力于从土壤环境中获得磷代谢特性微生物,通过实验室的代谢机制研究功能强化“生物-无机-有机”复配体系构建,实现微生物原位修复土壤重金属有机农药修复的可持续发展技术,主持国家自然科学青年基金、湖湘高层次人才聚集工程-青年创新人才项目、湖南省教育厅优秀青年基金、湖南省自然科学青年基金项目等课题,参与国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点支持项目、国家自然科学基金面上项目、湖南省重点研发计划等10余项课题。已在J. Hazard. Mater.J. Agr. Food Chem.Environ. Pollut.SCI学术刊物发表科研论文30篇,授权欧洲国际专利1项,授权国家发明专利6;多次受邀参加国内外学术会议并做口头报告,2019年获第五届国际水资源与环境最佳学术报告奖;担任Agr. Ecosyst. Environ.Environ. Pollut.等学术期刊审稿人。近年来取得的主要研究成果如下:

一、有机磷污染胁迫下的土壤磷生物地球化学响应研究

磷是所有生物群的基本元素,磷对于维持生态系统的生产力、结构和功能至关重要。土壤磷对于外界的干扰和农业实践活动十分敏感,尤其是含有机磷产品的广泛应用,导致其可作为新的磷源在土壤环境中频繁出现,从而影响土壤中磷代谢功能生物多样性、有机磷形态及土壤磷循环。

本研究首先以有机磷农药为研究对象,通过高通量有机磷农药降解微生物的定向筛选,授权多株具有广谱有机磷农药降解特性菌株(16536WTSGMZL201510755403ZL201610098355),阐明有机磷农药的生物降解途径及其典型降解产物,并证明有机磷农药及其降解产物,均具有微生物可利用态磷存在(J. Agr. Food Chem. 2016Biodegradation 2016J. Environ. Eng. 2017);通过微宇宙模拟有机磷农药污染的特殊土壤生态系统,揭示土壤有机磷农药的降解途径与纯培养下的微生物降解一致,其降解产物可显著提高土壤有效磷、活性磷组分及相关有机磷农药代谢微生物功能菌群丰度,而土壤有机磷代谢微生物功能菌群的互作关系,尤其是农作物根际功能微生物的富集,可提升农作物对有机磷农药及磷的吸收特征(Environ. Pollut. 2022J. Agr. Food Chem. 返修);而应用纳米技术构建的有机磷纳米农药,其对土壤磷生物地球化学的影响与传统有机磷农药产生差异(ACS Agr. Sci. Technol. 2022)。本研究开拓了有机磷农药的生物地球化学行为,为有机磷污染物对土壤磷生物地球化学影响提供研究思路和理论。

1 土壤磷生物地球化学循环(左图)及外源有机磷胁迫下的土壤磷循环、功能微生物植物磷富集响应(右图)

二、微生物诱导磷酸盐沉淀(MIPP)的重金属矿化及其生物适应性机制研究

磷是所有生物群所需的大量元素和基本元素,也是自然界中没有稳定气态形态存在的基本元素,由于土壤中的磷往往以难溶性磷化合物形式存在,生物可利用性磷含量很低,因此提高土壤生物可利用性磷含量,仍是当前我国可持续农业发展的重点需求。而根据土壤磷地球环境化学行为特征,土壤微生物(解磷或溶磷菌)能通过自身对难溶性磷化合物的矿化、溶解、解吸等作用,实现土壤磷转化,而转化形成的可溶性磷,能与土壤存在的游离重金属离子或吸附态重金属结合,矿化产生更为稳定的重金属-磷化合物,实现土壤的重金属固化/稳定化,该技术称为微生物诱导磷酸盐沉淀(MIPP)。

本研究以环境中大量存在的解磷菌为研究目标,首先探究解磷微生物的溶磷、磷代谢循环及适应性机制(Curr. Microbiol. 2020Metabolites 2020Biology 2021);同时,利用多组学和胞外矿物表征分析,揭示MIPP过程提高可溶性磷的浓度,并促进胞外铅离子的生物矿化,从而缓解核苷酸代谢抑制和膜的恶化,提高解磷菌在重金属污染条件下的细胞适应性(J. Hazard. Mater. 2022Ecotox. Environ. Safe. 2021);再通过结合难溶性磷通过微宇宙模拟重金属污染的特殊土壤生态系统,揭示“微生物-无机磷”复配体系可同时显著提高生物可利用性磷含量,以及土壤重金属的化学稳定性,并通过提高土壤磷功能代谢微生物群落结构互作和磷循环功能基因的表达,实现MIPP技术对土壤磷和重金属的同步调节(Environ. Pollut. 2023)。该研究为MIPP技术在未来更多重金属(镉、铜、镍、铬、锌、砷等)的生物矿化及其原位应用提供理论基础。

2 微生物诱导磷酸盐沉淀(MIPP)技术加速重金属矿化的生物适应性机制(图)及其土壤磷循环功能微生物响应研究(右图)

三、MIPP技术抑制农作物的根际重金属富集效应及其应用性推广

在已有的MIPP研究成果基础上,进一步构建“有机质-无机磷-微生物”耦合复配菌剂,检测该菌剂在常规培养条件下的微生物发酵特征,构建快速、低成本、高效的解磷菌产孢发酵培养体系(ZL201910351010ZL202110634722);将该菌剂播撒同时种植农作物(目前已研究油麦菜和鱼腥草)和重金属铅、镉污染的微宇宙模拟土壤生态系统中,发现该菌剂可在农作物生长周期内,降低土壤重金属88.9%的农作物迁移率和土壤浸出率,降低植物根中重金属浓度最大达88.1%;同时利用解磷菌的促生性,提高作物根部生物量和地上生物量最高达1205%55.9%,增强作物对农田重金属的抗性效应和植物氧化损伤(J. Hazard. Mater. 2021)。

3 MIPP技术抑制油麦菜根铅富集效应图)及其鱼腥草根镉富集效应(右图) 

本研究获得的鱼腥草重金属富集效应(成果未发表),已与贵州大学、贵阳市农业农垦投资发展集团有限公司、贵州省农业科学院合作,联合申报贵州省科技支撑重点项目,并就该菌剂和MIPP技术在辣椒、鱼腥草等多农作物耕地重金属复合污染的原位钝化技术进行合作开发。未来将通过更多先进研究手段(如单细胞分选、同步辐射等),揭示MIPP技术在原位土壤中的磷调节、重金属原位矿化/稳定化、农作物重金属富集等机制研究,并优化菌剂中的菌株活性、矿化活性以及菌剂成本等内容,以期推广该菌剂及MIPP技术在土壤重金属修复及磷素调节的市场应用。

田江副教授电子邮箱:tianjiangjames23@xtu.edu.cn


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