——记哈尔滨工业大学（深圳）教授路璐
　　
段盼盼  倪海波

　　
　　
　　环境工程领域有一句公认的话：没有什么东西天生是废弃物，所谓的废弃物都是放错了地方的资源。
　　日常生活和工业活动产生的污水，含有大量的废弃有机物，而如何在污水处理过程中将这些“资源”捕获、回收、利用，产生经济效益，同时还要减少碳的排放，就是哈尔滨工业大学（深圳）教授路璐致力的研究工作。
　　2019年12月，旅居海外7年的路璐回到国内，获得了国家青年人才计划项目,确立了以水-能源-碳系统关联（Water-Energy-Carbon Nexus）为主线的研究方向。他是国际上最早关注和提出相关概念的学者之一，在国外积累了丰富的科研经验。他的归来，为中国的环境工程研究注入了一股新鲜的血液，将为中国的节能减排事业带来新的动力。
　　
捕碳者 从污水中回收能量将温室气体变废为宝
　　污水处理是一个高耗能的过程，在传统的污水处理工业中，它的耗电量可以占到全球用电量的3%.5%。同时，在污水处理过程中，人们只关注污染物的去除，极少有人关心这个过程中产生的经济、能耗及温室气体的排放问题。
　　路璐介绍说，以往，在污水处理行业虽然也有一些提高能源化的尝试，比如厌氧发酵，它可以回收一部分的能源，减少化石燃料的使用，间接减少了碳排放，但是这些尝试都没有主动地关注和进行碳捕获和碳利用，其仍是一个碳排放或碳中性过程。对此，路璐率先提出了污水处理过程中捕获和利用温室气体的概念，并对一些可行性的路线进行了经济和技术分析。
　　2012年9月，路璐前往美国科罗拉多大学丹佛分校从事博士后研究工作，之后，他又先后任职于美国科罗拉多大学博尔德分校和美国普林斯顿大学。在这个过程中，他针对污水处理工业高能耗、高温室气体排放的现状，开发出了微生物电解碳捕获技术（MECC）。该技术在降解污水中有机物的过程中回收能量，将其转化为氢气，同时产生碱度用于固定二氧化碳为碳酸盐沉淀。
　　MECC不但能100%捕获有机物降解产生的二氧化碳，还能捕获更多空气中或点源污染排放的碳，使得污水处理成为一个负碳排放过程。同时，MECC回收的氢能大于自身的能量消耗，可取代化石燃料消耗，带来更大的负碳效应。它提供了另一种可持续污水处理的新思路。
　　在此基础上，路璐还分析了其他具有碳捕获潜力的污水处理技术，发现，如果将这些技术和MECC耦合起来构建新型污水处理厂，有望实现负碳排放、能量自给的污水处理。同时，可以将二氧化碳变废为宝，转化为碳酸盐、生物柴油、生物炭等产品。这项研究以目前碳排放量最大的中美两国为例，进行了系统的环境和经济分析。研究表明，负碳污水厂具有巨大的碳容量和经济效益。相关成果发表在Nature子刊Nature sustainability上，并获得了美国华裔环境工程与科学教授协会最佳论文奖。
　　目前，MECC技术已获得美国授权专利，正与美国埃克森美孚石油公司开展技术转移。研究工作得到多家美国媒体的关注和报道，包括：美国国家科学基金网站、ScienceDaily、The Engineering等。爱荷华大学的Jerald Schnoor教授高度评价该研究，认为据此研究成果，研究者需要对污水处理在气候变化中的作用引起重视。
　　
储能者 构建人工光合系统从污水和太阳光中获取可再生能源
　　我国是一个能源和资源短缺的国家，展开污水处理与资源化的研究对我国的可持续发展有着重大意义。在国家自然科学基金公布的环境工程9个研究领域中，有两项优先资助，其中一项就是“城市污水再生与资源化”。
　　路璐介绍道：“我国污水处理正处于转型阶段，由以前的先解决污染问题，到现在越来越重视资源化。虽然，我国污水处理资源化研究，目前绝大多数还处于实验室研究、理论研究的起步阶段，但是大规模工业化应用的需求越来越迫切，所以这在我国有着特别光明的发展前景。”
　　从路璐已做的研究工作来看，他其实更偏重于污水处理能源化。一般来说，可以在污水处理过程中回收三种能源：氢气、甲烷和电能。“严格来说，氢气和甲烷属于能源的载体，它们回收以后可以产生一定的能源价值。”路璐所研究的微生物电化学技术，可以让微生物在降解污水中有机物的过程中，将有机物中蕴含的化学能转化为电能，然后通过电路技术直接利用电能，或将电能转化为氢气、甲烷、液体碳燃料等其他形式的能源。
　　近些年，路璐在污水处理能源化的研究中，还对太阳能的回收利用进行了探索。太阳能具有储量丰富、清洁无污染等优点,是世界各国重点开发的新能源之一。但是，太阳是一种间歇性能源，很难将其储存。那是否可以将污水中的化学能和太阳能共同转化成另外一种可储存、可运输的能源？对此，路璐构建了可处理污水的人工光合系统（APS），被称之为微生物光电化学系统（MPEC），以自然光作为唯一的外部驱动力从实际污水中产生氢气。
　　传统人工光合系统（APS）需要借助半导体吸收太阳光以实现水分解产氢。要实现这个目标，半导体需要同时满足：其带隙大于分解水所需的热力学能势；其导带电位小于析氢反应电位，而价带电位大于水氧化反应电位。而在现实中，绝大多数的半导体都不能同时满足这两个条件。少数符合要求的半导体如Gu2O和TiO2，前者不稳定，后者只能吸收占<5%太阳能的紫外光。所以，为了使反应进行，目前的APS需要外加电压或使用多个半导体，这大大增加了成本和复杂性。
　　路璐创新性地提出，用微生物电化学氧化替代传统APS的水氧化反应，来为析氢反应提供电子。反应从污水中的有机物中获取能量，将氧化电位从0.82V（水氧化）降低至.0.29V，将所需能势从1.23V降低至0.13V。这等同于将所需的半导体带隙降低至0.13V。这一创新降低了APS对半导体材料的门槛，使得几乎所有的半导体可实现光合产氢，而无需外加电压，并可使用带隙较小的半导体，大大提高了对光的吸收效率。
　　根据这一创新理论，路璐进一步开发了新型、廉价的微生物光电化学（MPEC）系统。以啤酒厂废水为底物，在一个太阳光条件下，能稳定产生17.23mA/cm2的光电流密度，时长达90小时。这个数据是目前同类研究获得的最高记录，远高于目前公认的APS商业化指标10mA/cm2。
　　“相较于传统APS需要纯水，MPEC可利用和处理污水，同时解决了能源和水环境污染问题。”路璐表示，MPEC氧化反应不产生氧气，这避免了氢气和氧气混合带来的安全风险和分离成本。相关成果发表在Energy & Environmental Science 上，其为环境与能源领域最高影响因子期刊。该研究还获得了美国国家科学基金的资助和关注，并以视频方式进行了报道。
　　在利用MPEC从污水中产氢的基础上，路璐继续深入研究，在半导体材料、催化剂和电子电路等方面取得一系列突破，成功在MPEC中实现自发CO2和H20催化还原，生成重要的工业合成原料合成气（H2和CO的混合气），并同时去除污水中的污染物，实现水资源再生。此项研究，标志着有望在同一个体系内实现水-能源-碳的可持续发展，是重要的理论创新并展现了广阔的运用前景。该研究成果已发表在Cell子刊Joule上。
　　
追梦者 在环境工程领域的求学之旅
　　2000年，中国高校经历了一波合并浪潮，通过合并，一些高校的规模扩大，实力得到了提升，高校排名也随之上升。其中，就包括路璐曾就读的武汉理工大学。但其实，路璐填报的第一志愿并不是武汉理工大学。
　　当时，“懵懵懂懂”的路璐跟着“潮流”在第一志愿一栏填报了西安交通大学电子科学与技术专业。因为没有服从专业调剂，所以路璐被第二志愿武汉理工大学环境工程专业录取。他说：“进入环境工程领域也算机缘巧合，但是现在回头来看，我觉得很庆幸，因为我本身对生物和化学很感兴趣，而生物、化学正好是环境工程最基础的两个学科，所以后来越学越觉得有意思。”
　　20年前，环境工程在中国属于新兴的交叉学科，但在这个领域，路璐如鱼得水，顺利地完成了本科和硕士的学习。在华中科技大学攻读硕士时，路璐跟随导师康建雄教授参与了大量的工程设计和工程实践，积累了丰富的工程经验，培养了很强的工作能力。
　　原本，路璐打算硕士毕业后直接就业，且他曾有机会进入北京桑德环保集团有限公司。然而，转折出现在他完成硕士毕业论文期间。他的硕士研究课题是利用高级氧化方法处理含油废水，这个过程中，他逐渐对科学研究产生了浓厚的兴趣，并成功发表了一篇一区SCI论文。康建雄教授鼓励他道：“如果你想要继续从事科学研究，我可以推荐你到任南琪老师那边去读博士，进行更深入的学习。”
　　当时，任南琪院士正担任哈尔滨工业大学副校长，已经在城市水资源与水环境改善对策，污水生物处理工艺、技术与设备等方面做出了突出贡献。路璐了解到，任南琪院士的研究方向正好是自己感兴趣且想要走下去的科研方向，于是当机立断，放弃了直接就业，转而前往任南琪门下继续深造。
　　“在哈尔滨工业大学读博，我认为是改变我人生最重要的一步。在这个过程中，我各方面的能力、眼界甚至思想和追求都上了一个很大的台阶。”博士一开始，路璐就确立了利用微生物电化学技术从污水处理过程中产生氢气的研究方向，此后4年，他在这一方向上展开了十分系统的、深入的探索，取得了多项创新性的研究成果。
　　他基于微生物电解池（MEC）技术，进行了一系列高效强化生物产氢工作，即针对发酵产氢细菌底物转化率低的瓶颈（上限33%），以糖蜜废水为底物，开展乙醇型发酵耦合MEC梯级产氢，获得了>80%的超高转化率；开展了低温（4℃）MEC产氢，突破了发酵产氢细菌不能在低温下正常工作的瓶颈，探明了特殊的低温功能微生物；通过MEC从蛋白质中获取氢气，突破了发酵细菌不能利用蛋白产氢的瓶颈，解决了高蛋白有机废物，如污水厂剩余活性污泥，发酵产氢效率低的难题，该研究论文被列为环境/生态领域ESI1%高引用论文。
　　由于科研表现突出，路璐于2010年获中华人民共和国教育部“博士研究生学术新人奖”；2011年，获宇星科技/城市水资源与水环境国家重点实验室“宇星科技环境工程奖学金”和宝钢教育基金“宝钢优秀学生奖”；2012年，获哈尔滨工业大学市政环境工程学院的“周定奖学金”、哈尔滨工业大学研究生院第五届研究生“十佳英才”及中国科学院生态所/奥加诺株式会社第六届奥加诺（水质与水环境）一等奖学金；2013年，获哈尔滨工业大学第十五届优秀博士学位论文荣誉。
　　路璐在博士期间发表的几篇重要论文，至今仍具有较高的影响力。例如，2020年是哈尔滨工业大学建校100周年，为此，Nature杂志推出哈尔滨工业大学百年校庆特刊。其中，路璐的一项研究成果作为环境工程领域的标志性成果在此特刊上予以展示。
　　
登高者 机会留给有准备的人
　　“九层之台，起于垒土”，机会从来都留给有准备的人。在博士期间打下的扎实基础，让路璐在之后的科研路上越走越远。前往美国从事研究工作后，他的很多代表性成果都是立足于博士期间的研究延伸、产生的。其中，不得不说的一项工作是，他作为核心成员，参与了一项和美国雪佛龙能源公司合作的研究项目，开发了自给能量的新型微生物电化学修复系统，用于修复石油烃污染的土壤和地下水。
　　石油污染生物修复面临的最大挑战是，需要人工添加大量电子受体，用于微生物的好氧或厌氧代谢，这极大地增加了能耗和成本。针对此瓶颈，路璐提出了用电活性微生物（EAB）降解有机物，用电极充当电子受体的新思路。且针对受石油烃污染的土壤含水层，构建了新型的一体式生物电化学修复系统。该系统结构紧凑，模块化的电极组件可直接插入含水层进行修复。
　　路璐详细介绍道，EAB通过与其他微生物种群形成互作关系，将石油烃降解为二氧化碳并产生电子，电子被电极收集后，经外电路传至空气阴极并与空气中的氧气和有机物降解产生的质子结合，生成水。这一创新将电极视为初始电子受体，可将微生物厌氧呼吸链中的电子导出地面，以空气中源源不断的氧气作为最终的电子受体。“该过程为自发反应，不消耗任何能量，产生的电流还可作为电信号监控降解过程。”
　　研究同时发现，电极的修复半径可随着时间的推移逐渐扩大，远离电极的土壤微生物可与电极微生物形成互作关系，共同完成修复。目前，该修复系统已被美国雪佛龙能源公司用于中试，在加州Santa Rosa 100m2原油污染现场开展土壤和地下水修复。
　　全职回国后，路璐在目前环境领域最前沿的课题水-能源关联基础上，提出应关注能量生产和废水处理过程中的碳排放，将研究扩展为水-能源-碳关联系统研究。其主要关注，在处理、回用有机废水的过程中的能量（氢能或含碳燃料）回收，如何将二氧化碳转化为具有经济价值的资源，以及整个过程的碳足迹。目标是，实现同时产能、减碳和资源回收的新型废水处理过程。路璐的这一构想与我国的中长期环境与能源政策十分契合，符合国家发展中的重大需求。他本人也首次在Nature子刊Nature sustainability上对该研究方向与前景进行了归纳总结。
　　虽然，回国后的研究工作受到了新冠肺炎疫情的影响，但路璐还是攻坚克难，在疫情期间尽快展开了团队组建和实验室建设的相关工作，并取得了初步胜利。目前，路璐的团队已有11个成员，实验室90%以上已完成建设，足够支撑科研工作的开展。此外，他和任南琪院士及哈尔滨工业大学其他两位老师作为核心成员，申报组建了“深圳市海外高层次人才创新创业计划团队”，继续推动环境工程领域的相关研究发展。
　　不得不提的是，在深圳市海外高层次人才创新创业计划团队项目的资助下，路璐于近日在水-能源-碳关联研究领域取得新进展。他研制了一种同时从污水和太阳光中获取能量，自发还原温室气体CO2和H2O，生成重要工业原料——合成气（CO和H2混合物）并同步净化污水的新方法，相关成果于2020年9月21日以研究论文形式发表于Cell旗下能源旗舰子刊Joule。
　　
传承者 做一个合格的青年教师
　　“师者也，教之以事而喻诸德也”，在路璐的求学过程中，他的硕士生导师康建雄教授和博士生导师任南琪院士是对他影响最深的人，也是他最感谢的人。他表示：“康教授是我的伯乐，因为在他的指导和引领下，我对环境工程这一领域越来越感兴趣，也是在他的推荐下，我来到了任南琪院士的门下继续深造，走上了科研之路。”
　　对路璐而言，任南琪院士更像“巨人的肩膀”，他甘为人梯，尽心尽力地培育着一代又一代青年人才。“任院士的培养方式不是事无巨细地、手把手地教你，他是尽自己所能为你提供一个‘舞台’，在背后默默地支持你。他十分尊重学生的想法，你可以根据自己的兴趣做自己想做的事，你会有很大的自主性，而他就是在你需要的时候，为你提供帮助。”路璐说道。
　　如今，路璐也已成长为一位合格的，可以传道、授业、解惑的青年教师。他继承了任南琪院士的教学风格，在学生培养方面更注重学生的自主性和独立性。在团队建立初期，他花了大量的时间来了解学生的兴趣和想法、优势和劣势，帮助他们找到最适合自己的位置。
　　在路璐看来，对研究生的培养，老师不必事必躬亲，要充分发挥学生的自主能动性，让他们学会“学习”，学会解决问题，而不是“填鸭式”地只会学习。每周他都会和学生进行交流，及时了解学生的动态和需求，从大方向上帮助学生把控，而技术方面的细节问题，他会让学生先尝试自己解决，然后他再出手相助。
　　“另外，在和学生相处的过程中，你不能太权威，这样的话，学生有什么问题会不敢跟你说。”路璐和学生相处时，从来没有架子，聊天的内容不局限于科研上的工作，还有生活中的各方面。也因为如此，在路璐和学生之间有一种轻松的氛围，与其说他们是师生，其实他们更像朋友和伙伴。
　　除此之外，路璐还十分注重培养学生们的团队合作精神，他说：“环境工程是一个交叉学科，你不可能把所有学科都摸索透彻，所以合作很重要，这样大家才能拧成一股绳，真正地在这个领域做出好的成果。”
　　凡是过往,皆为序章；凡是未来,皆有可期。路璐回国后，一切都处于起步阶段，一方面，他希望尽快把课题组运转起来，承接更多的研究项目；另一方面，他希望立足深圳这块创业沃土，通过“产学研”结合，能尽快实现成果的落地转化。因此，回国至今，他一直处于十分忙碌的状态。所幸，对路璐来说，科研既是工作，也是兴趣，每一份忙碌里都藏着他对未来的向往。