冬日的山东济宁金乡县马庙村，暖阳漫过村头坑塘的堤岸，清凌凌的水面下石子纹路清晰可见，波光粼粼间，银鳞小鱼突然跃出水面，溅起一串水花。

谁能想到，如今这鱼虾成群、岸边草木繁盛的水域，曾是全村人避之不及的“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。

这项蜕变背后藏着青岛大学生命科学学院教授牛玉生团队4年半的坚守。近日，该成果发表于全球水资源领域顶期《自然-水》（Nature Water）。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，首次系统地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。

这是青岛大学首篇该期刊论文。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。”

牛玉生教授在调试实验装置

从痛点出发，为治水而来

“社会上需要啥，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。深耕环境治理领域二十余年，牛玉生的经历格外特殊。

早年的他在非洲赞比亚从事矿产环境评估工作5年，跑遍了戈壁荒漠，又在科研管理岗位深耕多年，深知实验室成果落地难的痛点。2019年，回归科研一线后，他一眼盯上了山东省济宁市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、天津等北方大城市的用水安全，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黏糊糊的，已经严重影响到周边居民的生活了。”牛玉生回忆。然而，水体中的污染物并非一无是处，磷、氮等元素都是农业生产中的有益元素，是农业生产的肥料。

牛玉生的想法很明确，“我们不仅要把污水中磷、氮这些东西去除掉，更想通过一种方式‘变废为宝’。”带着这个目标，2021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，便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，每样材料都做相同规格样品，监测吸附效率、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2~3毫米的多孔玄武岩为基本载体。“玄武岩多孔结构延长磷与材料接触时间，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，团队以稀土以及锆基材料作为吸附活性位点，进而合成了镧锆二元金属氢氧化物负载玄武岩吸附材料，吴天明提到“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”，这为后续的协同作用打下了基础。

实验室里，这项材料的除磷效果一路飘红，可谁也没想到，到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。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，要逐一解决问题——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《中国科学报》说，这是团队所坚守的理念。

牛玉生教授在治理前的水塘前

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和材料的活性位点充分接触？

“我们利用CT扫描对岩石进行三维重构，并进行流场模拟，这需要强大的算力支持，当时我们是没有相关设备的。”吴天明回忆。

不辞辛苦，牛玉生带着团队开始跑遍吉林大学、中国科学院相关研究所等十几个单位，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，团队里的情绪难免有些沮丧。

转机来自于牛玉生一位朋友的帮助，借助其相关的超算计算机，解决团队的燃眉之急。那段时间，团队白天做实验，晚上熬夜处理数据，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，而加入微生物的作用之后，这项技术的可处理水量相当于材料体积的4.5万倍。

“用一方材料，能处理45000方的水，目前国内外的文献上记录的没有比我们处理更强的了！”牛玉生难掩自豪。

吸附穿透力的突破，让团队看到了协同机制的潜力，可新的问题又随之而来，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，进行了宏基因组、宏转录组、代谢组等多组学分析，积攒了近1T的原始数据。

“从这些数据中挖出我们想要的过程是很困难的，比之前加起来所有的工作量都大。”那段时间，实验室的灯常常亮到深夜，一开始筛选出了多种微生物，不知道哪种才是最为关键的。他们只能通过对比实验，逐一排除，最后把目标锁定在一种叫“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。这种微生物是典型的磷溶解菌，它能分泌柠檬酸、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一个附着机制，形成了“富磷”的微环境，让微生物能持续繁殖生长。

牛玉生教授（左二）与金乡县水务局相关负责人在现场调研

金乡马庙治理前后感官图

从实验室到田间地头

机理摸透了，技术成熟了，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正式开启。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。

治水效果来得比想象中更快。一个月后开始养殖鱼类，两个月后水面就已经从黑色变成青色，绿藻也没了。如今，这口池塘已成为村民饭后散步，孩童嬉戏的热门去处。

这项工作也得到了山东省生态环境厅土壤中心、金乡县水务局相关部门的高度认可。他们在现场调研时高兴的指出：“马庙景观水体多年来水体浑浊、恶臭难闻、蓝藻满塘的问题，终于被牛教授团队采用新技术治理解决啦！”“水质低劣的死水塘变为了鱼虾畅游的充满生机的活水体，两年多来，一直水质清澈，波光粼粼。”

牛玉生教授在对处理后水质进行检测

“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，有底气冲击头部刊物！”牛玉生大手一拍决定。团队没有选择循序渐进，而是直接且只向全球水资源领域排名第一的权威期刊《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颇对审稿人胃口，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却是团队之前未涉及的领域，“一开始压力很大，这么多建议，而且有些技术我们之前没接触过。”吴天明说到。

压力很快变成了动力。那段时间，吴天明自学流式细胞技术，泡在实验室一遍遍地做实验、测数据，补充了一系列实验，与张弓等一起对论文逻辑一遍遍打磨完善。“这个过程其实我自己也掌握了很多技能，是对自己体系更深的检查纠正。”10月初，团队再次提交了修改稿。这一次，审稿人很快给出了正面反馈。

12月中旬，正式接收消息传来的时候，团队成员脸上难言欢喜——4年半的攻坚克难，上百次实验，无数个熬夜的夜晚，终于有了最好的回报。

论文发表并非结束，2025年12月5日，金乡县5个村的8个坑塘的水质治理同步启动，团队采用自我研发的施工方案，仅用34天便完成全部工程，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，彻底消除了黑臭现象。

“和传统的处理方法相比，我们提出的协同体系治理成本可以节约几倍。”牛玉生介绍，通过生命周期分析（LCA）评估，其18项环境影响指标，均低于市面上的主流材料，应用场景极具扩展性。

科研不止于发表顶刊，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，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，团队的目标已明确聚焦于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。”