国家科学技术奖励公示材料.docx
《国家科学技术奖励公示材料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《国家科学技术奖励公示材料.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
国家科学技术奖励公示材料
国家科学技术奖励公示材料
窗体顶端
学科专业评审组：
项目名称：
有机废水微生物电化学净化机制与资源回收方法
推荐专家意见：
1.姓名：
岳国君
工作单位：
中粮集团
技术职称：
研究员
学科专业：
环境工程
推荐专家意见：
该项目针对百年来活性污泥法污水处理技术中能耗高、污泥量大的问题，研究团队将国际前沿研究热点微生物电化学系统（MES）引入到废水生化处理领域钟来，潜心研究十余年，以揭示微生物电化学系统中污染物转化与同步产能过程与机制为目标，以有机物定向转化规律、系统构建、运行调控过程中的一系列关键科学与技术问题为主要研究内容取得了一系列突破性的研究成果。
该研究团队已成为国际上一支重要的研究力量，具有较高的科研水平和创新能力，国内外同行高度评价，科研成果国内遥遥领先，国际上属一流水平。
其研究成果转化后，预期将大幅削减废水处理能耗，并产生多种高附加值的产品，符合当前“十三五”生态环境保护规划和我国的节能减排国家政策，对缓解当前我国巨大的环境污染治理压力具有重大贡献。
鉴于上述，本人特此向国家自然科学奖评审委员会郑重推荐，希望给予支持！
2.姓名：
张杰
工作单位：
哈尔滨工业大学
技术职称：
教授
学科专业：
环境工程
推荐专家意见：
该项目针对传统污水处理技术能耗高、未能实现水中资源能源回收这一现状，围绕新兴的最具潜力的生物电化学系统（BES）的关键科学问题，在国际上率先开展了生物电化学系统中有机污染物电子转移与定向调控机制的研究，取得了一系列创新性研究成果。
构建了BES中有机污染物的梯级转化模式；揭示了电极活性微生物胞外电子传递规律和细胞通讯机制；提出了BES系统有机污染物的定向转化途径与调控策略。
以上研究成果为BES理论发展与技术应用提供了重要的依据。
本研究共发表SCI论文93篇，主要期刊有EnergyEnviron.Sci.、Biotechnol.Adv.、Environ.Sci.Technol.、WaterRes.等，所发论文被正面引用和评价3698次，SCI他引3382次。
8篇主要论文他引总数1242次（SCI他引828次），最高影响因子25.427,平均影响因子8.13；授权国家发明专利17项。
该项目研究已在国际上产生了深度的学术影响（所发表的学术论文仅次于美国宾夕法尼亚州立大学，处于第二位）并受到广泛关注和认可，对进一步推动生物电化学系统技术研发与实现其在污水处理中的能源化利用具有重要的引领作用。
3.姓名：
俞汉青
工作单位：
中国科学技术大学
技术职称：
教授
学科专业：
环境工程
推荐专家意见：
随着我经济的快速发展，我国已经成为污水年均排放量最大的国家。
实现节能减排已经成为国家重点战略之一，低碳节能污染物处理已经成为环境领域亟待解决的难题。
污染物定向转化与资源、能源回收已成为未来国际上污水处理主要发展趋势。
生物电化学系统作为一项新兴的污染物定向转化技术尚存在诸多亟待突破的科学问题。
本项目围绕着生物电化学系统梯级利用有机污染物定向转化产氢/产电过程的关键科学问题，在污染物定向降解转化强化产能、胞外电子转移与定向调控、多元耦合系统构建与调控机制等方面取得重要突破，为生物电化学系统实现污水处理能源化提供了重要理论依据。
哈工大微生物电化学研究团队在我国率先开展微生物电化学技术的理论与技术研究，在科学理论、技术开发和规模化示范等方面均取得了大量创新成果，近年来发表论文数量在高校和研究机构中处于世界第二位，培养了一批该领域的领军人才和创新人才。
综上，我推荐该项目申报国家自然科学二等奖。
项目简介：
1、研究背景及意义
本项目属于环境科学与工程学科。
传统污水处理技术应用已有100年历史，为解决水污染做出了重大贡献。
但污水处理能耗高、污泥量大且安全处置难、且水中资源未得到回收利用等问题一直没有得到有效解决，已成为世界性难题。
随着低碳减排的需求日益提高，污水处理不再是简单地去除污染物，更应该在节能、低碳、资源回收等方面进行新的革命性发展，已成为国际上污水处理的发展趋势。
但水中有机物能量密度低、提取与应用困难，一直是制约该方向发展的难题。
本团队以微生物电化学系统为核心，围绕着系统内有机物梯级定向转化及能源化过程中的关键科学与技术问题，在污染物定向降解强化转化、耦合系统构建与调控机制等方面取得重要突破，为颠覆性污水处理技术创建提供了重要理论依据和技术储备。
2、主要内容及创新
（1）提出了有机物梯级转化能源化模式与操作途径。
率先提出了有机污染物梯级利用定向转化及能源化的技术思想，构建了突破生物代谢障碍的多元耦合工艺模式，实现了系统内驱动、能量自平衡与资源回收，大幅度提高了能源回收效率，为微生物电化学系统的应用和发展提供了重要理论支撑。
（2）阐明了微生物胞外电子转移的定向调控机制。
以强化电子转移效率为目标，发现并揭示了电化学过程与生物学过程耦合的内在机制，阐明了微生物电化学系统中电子传递的影响因素与调控机制，建立了加速微生物胞外电子转移强化产氢/产电效能的“电位调控”和“微界面调控”策略，为生物电化学系统放大及过程调控奠定了重要基础。
（3）建立了多元生物质定向转化技术系统。
探明了多元有机污染物在生物电化学系统中的定向转化途径，建立了定向还原难降解有机污染物提高生物可给性的原理和方法，建立了氧的高效还原和温度调控等提高能量回收效率的技术方法，为生物电化学系统实现污水处理能源化提供了重要技术依据。
3、学术成果及价值
本研究共发表SCI论文87篇，主要期刊有EnergyEnviron.Sci.、Biotechnol.Adv.、Environ.Sci.Technol.、WaterRes.等。
成果被美国工程院院士BruceRittmann和BruceLogan、比利时皇家科学和艺术学院院士WillyVerstraete、著名期刊ES&T和NanoLetter等正面引用和评价3698次，SCI他引3313次。
8篇主要论文他引总数1242次（SCI他引828次），最高影响因子25.427,平均影响因子8.13；授权国家发明专利17项。
在该领域本团队是国际上一支重要研究力量，所发表该领域研究论文在国际上仅次于美国宾夕法尼亚州立大学排名第二位。
先后主办中国第一、第三届国际微生物电池学术研讨会以及第一届亚太地区生物电化学学术研讨会，担任国际生物电化学学会常务理事，国际水协会资源回收Cluster常务理事，国际水协会AD理事会理事，ADChina主席等职务。
客观评价：
（1）在生物电化学系统梯级利用有机污染物定向转化产氢/产电新模式方面。
针对复杂有机碳源普遍存在的“发酵障碍”问题，我们率先提出了有机物梯级利用回收生物能源的理念（文章发表在Biotechnol.Adv.，代表性论文2）。
提出的“纤维素发酵产氢工艺中高效的前处理工艺是提高产氢效率的关键”的论断得到了国际同行的积极认可（Sagnaketal.,2011;Quemeneuretal.,2013;Showetal.,2011；Nissilaetal.,2014；Sajanaetal.,2014；Heetal.,2014）,一系列文章相继发表。
最近KumarGopalakrishnan等学者在2016年环境领域专业综述期刊Renewable&SustainableEnergyReviews上发表的生物强化生物能源研究中引用该成果。
法国学者Trably，台湾大学著名学者李笃中教授和中科大俞汉青教授等相继在后续的生物技术专业期刊的综述文章中予以广泛引用（Guoetal.,2010;Lietal.,2011;Showetal.,2011）。
基于此理念，我们开发了基于生物增强作用的厌氧发酵-微生物电解耦合产氢工艺系统，大幅度提高了碳源的生物可给性。
研究成果使生物质能产氢能力比现有发酵产氢技术提高3~4倍，在混合菌群降解复杂碳源及其代谢调控方面补充和完善了生物产氢理论。
美国工程院院士BruceRittman在TrendsinBiotechnology（影响因子10.040）进展综述中多次引用并积极评价相关成果，充分肯定研究中提出的MEC强化生物制氢中关于嗜阳极微生物不能直接利用复杂的有机化合物的观点（Leeetal.2010）。
意大利学者Tamburini在其发表于EnergyEnviron.Sci.（影响因子25.49）的论文中对开展复杂碳源梯级利用研究高度认可，并指出微生物电解池生物制氢能够发展更为先进的反应器构型（Happeetal.2012）。
荷兰瓦赫宁根大学著名微生物学家AlfonsJMStams课题组在其发表于微生物最新进展CurrentOpinioninMicrobiolog.2010,13:
307–315）的论文中特别指出研究采用的底物为发酵出水，不同于其他研究者，并取得极具意义的研究成果。
针对如何有效实现生物电化学系统定向调控抑制MEC系统产甲烷的难题，首次开发了微生物电解池４℃条件下生物制氢技术（EnergyEnviron.Sci.2011,4,1329-1336），研究成果发表后英国皇家化学学会和E&ES以“细菌制氢突破性成果”（Breakthroughforbacterialhydrogenproduction）为标题对这一成果进行了评述，领域美国科学家认为“低温生物制氢降低了维持运行的加热成本”。
丹麦技术大学Angelidaki教授在EnergyEnviron.Sci.上发表的文章中高度认可了对MEC中产甲烷菌的可抑制观点，并进一步佐证了该结论的现实意义。
我们率先利用高通量的功能基因芯片技术揭示了微生物电解池微生物群落结构和功能对不同环境条件（启动方式、外加电压等）的响应。
德国赫姆霍兹环境研究中心的Harnisch教授等在发表于CurrentOpinioninBiotechnology（影响因子8.035）的文章中积极报道了我们利用微阵列技术对生物产能系统中的功能微生物进行检测（Kochetal.2014）。
（2）围绕着加速微生物胞外电子转移强化污染物转化与能源化。
本研究创新点“电化学调控”的论文（ElectrochimicaActa,2009，代表性论文7）于2012被评为年进入该杂志前25篇高引论文（Top-25Cited）。
2012年国际电化学协会年会上，该论文被ElectrochimicaActa选作展报展示以感谢我们的研究成果（Tocelebrateyourachievement,aposteracknowledgingyouandtheotherauthorsofthesetoppaperswillbedisplayedattheupandcomingISE2012meetinginPrague,CzechRepublic（19th-24thAugust）。
该文发表后被Chem.Soc.Rev.（影响因子30.425）（附件2-7），ES&T,Appl.EnvironMicrobiol.等化学与环境领域的SCI杂志他引71次，其中Wagner等在ES&T的一篇综述性论文中用超过120字对我们的工作进行了详细介绍：
“其中的一项工作是，Wang等使用混合接种物作为MFC的接种来源……阳极电位设定在+0.4V……证实了设定阳极电位能够实现反应器的快速启动以达到最大功率输出”。
针对领域内关注的阳极电子传递效率和阴极氧还原电催化效率提高问题，研究致力发展高效、廉价的电极新材料，开发高效氧还原空气阴极新工艺。
在提高阳极材料与电子传递功能菌信息传导效率上，提出了热处理碳网电极的制备方法大幅度提高了电子传递效能。
美国加利福尼亚大学YatLi等人在其发表于NANOLETTERS（2010,10:
4686-4691，影响因子12.940）的论文中对我们的阳极构型给予高度评价，作为典型工作予以报道。
本研究创新点“电极材料表面结构调控”的两篇论文（ES&T,43,6870-6874,2009；JPowerSources,195:
1841-1844,2010）分别入选环境/生态领域和工程领域ESI近十年前1%高引用论文。
所开发的材料被广泛应用于MFC研究中，引用大量来自ES&T和EnergyEnviron.Sci.等环境和能源领域的杂志，得到了世界范围内著名研究小组的认可，包括NanoLetter副主编CuiYi（EnergyEnvironSci，2012，5，6862-6866）和微生物燃料电池研究者EnergyEnviron.Sci.编委UweSchröder博士。
ES&T副主编、美国工程院院士BruceLogan在Appl.Microbiol.Biotechnol.（2010,85:
1665–1671）的一篇邀请综述中对我们的工作评价如下：
先前使用碳刷阳极的研究中，通常对阳极材料进行高温氨处理，然而（Feng等发现）单加热的方法足以使碳刷表面的生物电化学条件满足要求。
EnergyEnviron.Sci.编委UweSchröder教授在JSolidStateElectrochem（2011,15:
1481–1486）出版的一篇仅有5页的题为“发现可行性：
生物电化学系统复兴及其百年发现”的短文中报道了我们的工作：
“….通过预处理增加电极的生物相容性（文献63）…”。
美国工程院院士BruceLogan教授在2012年发表的一篇Science论文（335,1474-1477）中也使用了本文中提出的阳极预处理方法。
本研究创新点“低成本电极材料研发”方面成果发表环境工程领域最有影响的学术刊物ES&T上（代表性学术论文3），2010年ES&T（44（4）:
1490-1495）中刊登的论文对本文的研究成果进行了评价（典型引文5）：
燃料电池专用的碳布价格非常昂贵（1000美元/m2）。
近期的研究报道了一种非常有前途的低成本碳纤维布材料，它的发现能够克服阳极成本过高的问题（10-40美元/m2）。
2010年发表在环境领域知名期刊EnvironmentalScience&Technology上的文章从电极微生物功能基因层次揭示了不同启动驯化方式对微生物电解池系统的效能影响。
德国赫姆霍兹环境研究中心的Harnisch教授等在发表于CurrentOpinioninBiotechnology（影响因子8.035）的文章报道了我们利用微阵列技术对生物产能系统中的功能微生物进行检测，并肯定了微阵列技术是一种重要的功能微生物诊断技术（Kochetal.2014）。
研究成果中指出解析电极微生物的群落结构、功能与反应器的实际性能之间的关系，对于推进微生物电解池的实际应用具有重要意义。
德国马克斯·普朗克地球微生物学研究所的Thormann教授等在应用环境微生物知名期刊AppliedandEnvironmentalMicrobiology上发表的文章引用相关成果并指出功能菌Shewanella的存在佐证了其研究结果的功能性特征（Gödekeetal.2011）。
丹麦技术大学的Angelidaki教授在发表于WaterResearch（影响因子5.323）的文章中参照阳极功能基因分析结果解释了其设计的微生物电解池中微生物群落构成结果（ZhangandAngelidaki.2012）。
（3）在阐明了生物电化学系统中强化多元有机污染物高效转化产氢/产电的降解途径和电化学行为方面。
针对微生物电化学系统如何实现难降解污染物的转化问题，揭示了利用生物阴极的硝基苯定向还原的机制。
澳大利亚昆士兰大学GeorgeZhao等人在国际知名期刊ScientificReports（2014,4:
6321）和和LingWu等人在GreenChemistry（2012,14:
1075），在引用我们的相关研究成果时（代表性学术论文5）指出我们研究的生物电化学系统是一种有效的处理硝基苯类废水的技术，可以将硝基苯定向还原为苯胺。
比利时佛兰德斯技术研究所（VITO）的Dominguez-Benetton等在其论文中将我们提出的高效氧还原空气阴极产电工艺的拟合等效电路测定微生物电化学系统（MXC）构型中内阻方法作为经典方法予以引用（Dominguez-Benettonetal,2012）。
美国南加州大学腐蚀与环境影响实验室主任、著名电化学学者FlorianMansfeld教授等在环境能源方面高影响力期刊Energy&EnvironmentalScience（影响因子15.490）的文章中多次引用相关成果，特别指出升流式空气阴极MFCs中的内阻中有21-27%由扩散效应提供，且欧姆电阻占主导地位（ZhenHeetal,2008）。
微生物电化学领域的著名学者KorneelRabaey等在其发表于EnvironmentalScience&Technology（影响因子5.481）的论文中，通过采用生命周期评估对当今高效的厌氧技术进行综合分析，评价中对本文对于MFC技术可持续性做出的贡献给予高度评价（Foleyetal.2010）。
针对构建和调控高效的微生物电化学系统，探索快速有效的启动调控策略是富集高效活性阳极电化学活性菌群的关键技术。
美国工程院院士BruceE.Logan等在发表于EnvironmentalScience&Technology的多篇论文中报道我们构建的快速启动方法，积极阐述了电压作为选择性压力对微生物种群的影响的重要规律，并指出该方法是驯化混合菌群的有效方法（Wagneretal.2010，Huangetal.2011）。
美国亚利桑那州立大学生物设计研究中心的CesarI.Torres等在其发表于EnvironmentalScience&Technology的论文中引用相关成果，着重介绍本文采用较高的固定电位较快积累阳极环境功能菌群并快速启动微生物燃料电池；同时指出阳极电位对电流密度以及反映其启动快慢具有十分重要影响（Torresetal.2009）。
哈佛大学的GirguisPR和清华大学环境学院黄霞教授等在发表于EnvironmentalScience&Technology的论文中多次评价快速启动方式和较早利用实际污水的产电研究，同时指出对于提高微生物燃料电池的产电能力具有重大意义（Weietal.2010）（附件2-8）。
比利时皇家科学和艺术学院院士根特大学著名学者WillyVerstraete在文章中（EnergyEnviron.Sci.2010,3：
544-553）指出我们使用的高锰酸钾阴极作为代表性阴极电子受体能够使MFC的阴极性能和功率密度有较大幅度的提高。
针对水中硝基苯还原脱毒，采用微生物电化学系统，探索生物阴极的构建策略，探讨硝基苯定向还原机制，是实现快速去除水中硝基芳香类污染物的重要突破。
本研究被国内外第三方学者广泛引用94次，其中，美国卡内基-梅隆大学的KelvinB.Gregory教授，在环境领域知名期刊EnvironmentalScience&Technology（2012,46（11）:
6174-6181）上引用该成果，指出能够在较小的外加电压下利用生物阴极和非生物阴极BES还原硝基苯，较低的阴极电位减小了电能的损耗；2016年OkkyoungChoi和Byoung‑InSang两位学者在BiotechnologyforBiofuels（IF6.44）发表了关于微生物与电极胞外电子传递过程实现生物燃料的综述文章中作为一个典型阴极电子传递转化过程进行了引用。
针对从复杂有机碳源中回收能源，研究成果提出了能够用于纤维素能源化的新型MFC-MEC耦合工艺，不仅实现了利用有机碳源产生电能，也为电能的再利用，及有机碳源中氢气的高效回收，提供了关键技术和理论突破。
本研究被国内外第三方学者引用70余次。
其中，美国亚利桑那州立大学学者GemmaReguera在环境领域知名期刊EnvironmentalScience&Technology（2012,46（14）:
7875-7881）上借鉴了该研究成果，指出在由C.uda和G.sulfurreducens组成的二元培养体系通过耦合减少了由发酵引起的电子损失；日本京东大学ShujiNakanishi教授在环境化学领域知名期刊ChemSusChem（2012,5：
1054-1058）上引用成果并构筑了能从水中沉积物和废弃有机物中回收电能装置；2014年AbhilashaSinghMathuriya和J.V.Yakhmi学者在知名综述期刊CriticalReviewsinMicrobiology（IF8.192）上作为典型事例详细介绍了主要的耦合系统产氢和纤维素转化效率，突出指出在无能量输入的条件下MFC与MEC耦合系统能够实现发酵系统三元耦合的产能结果。
2013年发表在环境知名期刊EnvironmentalScience&Technology上发表了采用生物阴极加速生物抗生素氯霉素还原转化的研究，研究成果成为较早将国内国际广受关注的抗生素类物质具有新型生物转化路径进行报道的文章。
目前获得他引51次，国内知名学者分别在环境和水处理知名期刊EnvironmentalScience&Technology、Waterresearch等发表的研究成果中进行引用。
其中，国内知名学者俞汉青教授2016年发表在水处理领域专业期刊Waterresearch（IF5.9）上的文章进行引用，作为一种有效生物还原方法借助特定官能团还原能够降低生物毒性或者促进生物降解性。
代表性论文专著目录（不超过8篇，第一完成人在纸质推荐书签名）：
序号
论文专著名称/刊名/作者
影响因子
年卷页码
（xx年xx
卷xx页）
发表时间年月日
通讯
作者
第一作者
国内作者
SCI
他引次数
他引总次数
知识产权是否归国内所有
1
Hydrogenproduction,methanogeninhibitionandmicrobialcommunitystructuresinpsychrophilicinsingle-chambermicrobialelectrolysiscells/EnergyandEnvironmentalScience/LuLu,NanqiRen*,XinZhao,HuanWang,DiWu,DefengXing*
25.427
2011,4,
1329-1336
2011-
04-01
任南琪
邢德峰
路璐
路璐，任南琪，赵鑫，王欢，吴迪，邢德峰
33
52
是
2
Bioconversionoflignocellulosi
cbiomasstohydrogen:
Potentialandchallenges/BiotechnologyAdvances/NanqiRen,AijieWang,GuangliCao,JifeiXu,LingfangGao.
8.905
2009,27（6）:
1051-1060
2009-06
-01
任南琪
王爱杰
任南琪
王爱杰、曹广丽、许继飞、高玲芳
89
109
是
3
Useofcarbonmeshanodesandtheeffectofdifferentpretreatmentmethodsonpower/E
升级会员 