“吹哨人”（Whistleblower）起源于英国警察发现有罪案发生时吹哨子以引起同僚和民众注意。由此延伸，当前“吹哨人”概念，往往是指发现危机预兆后，第一时间发出预警信号，以期待引起政府、社会或者他人迅速警惕，并采取积极应对行动。因为吹哨人的存在，人们得以在危机发生前采取措施，从而规避或者最大限度减少伤害和损失。

　　在中国的环境安全领域，张大奕教授便是这样一位“吹哨人”。少年求学、海外深造、归国报效，过往20余年里，他始终致力于环境污染物与生物风险的快速检测技术开发和在线监测设备的研制工作。

　　生态环境是关系民生的重大社会问题，环境风险评估是生态环境管理的重要环节，也一直是国际科学前沿和研究热点。在这条艰苦卓绝的科研道路上，张大奕总是冲在最前面的人。然而，冲在前面同时便意味着——他需要吃更多的苦，突破更多的技术壁垒，遭遇更多的艰难险阻，解决前人没有能解决的“疑难杂症”。

　　——题记

　　

　　——记吉林大学新能源与环境学院教授张大奕

　　　杨 戈 

　　

科研报国正当时

　　——“科技工作者一定要勇做突破学科前沿的奋进者、敢做面向国家重大需求的实践者、甘做为人民服务的奉献者。”

　　45岁的张大奕身上贴着若干个独具个性的“标签”：能写出一手精巧合律古诗词的“文艺青年”，清华园里攻读十载完成本硕博连读的清华博士，历经9年英伦深造时光、得到世界名校熏陶与磨砺的“海归”，在环境事故突发时经常第一时间出现在第一现场的“逆行者”……

　　这是一位拒绝平庸的中年人，他坚信唯有激流勇进、不畏艰险，方能中流击水、抵达目标。多年海外留学与工作经历的浸染，让他具有了几分西方式的直率与坦诚，但在举手投足间，依然不难发现，刻在他内心深处的那种属于中国传统知识分子的风骨与担当。

　　28年前，中国正在改革开放经济增长的快车道上疾驰。彼时，在经济大发展的背景下，环境科学还不是一门显学，没有引起国人足够的重视。但是张大奕的父亲敏锐地意识到，世界上任何一个国家在加速工业化和城市化的进程中，难免要以牺牲环境为代价。自然资源的过度开发、环境恶化和生态破坏，加之13亿基数之上人口的不断增长，未来会让中国面临日益沉重的压力。到那个时候，解决环境污染等问题就会成为国家可持续发展的关键。为此，在父亲的建议下，“文艺青年”张大奕放弃了对文学的追求，考取清华大学环境学院，后来师从我国知名环境学家李广贺教授，研究地下水中污染物的迁移转化规律。

　　2009年，博士毕业后的张大奕开启了英伦深造的生涯，先后在谢菲尔德大学、兰卡斯特大学学习与工作，一头扎进了世界尖端科技的海洋，争分夺秒地汲取着营养。这段经历让他获益匪浅，如同为他的科研世界打开了一扇窗，让他呼吸到新鲜的空气，欣赏到了别样的风景。

　　也正是在英国，张大奕意识到自己从前所研究的水文地质方向有点“传统”，因为“能解决的问题基本都已经解决了，国家层面和专业层面的需求似乎没有那么迫切”。通过对国家未来5～10年的发展需求进行调研，张大奕认为土壤和地下水污染防治将是一个与时俱进的新课题。作为世界上最大的发展中国家，中国需要先进的土壤和地下水污染监测和管控技术，与之相关的人才一定会成为社会亟需。

　　择己所长，择世所需。国家的需求就是科技工作者冲锋的方向。于是，张大奕做出了一个大胆的决定，将自己的研究内容从原来偏向传统水文地质的污染物迁移转化机制转变为环境污染物的在线检测和风险评估。张大奕明白，作为环境健康风险的评估者，最大的职责就是争取在那些潜在的风险还没有造成大规模破坏之前认识其可能的危害，并寻找出对策。

　　当然，困难总是时时刻刻存在的，张大奕当时遭遇的最大瓶颈便是跨方向带来的知识鸿沟。“虽然都属于环境科学，但是从水文地质到环境检测，还是有着很大不同，需要恶补的功课非常多。首要的就是分子生物学。”张大奕解释道，水文地质涉及更多的是模型计算，而环境污染物的在线检测和风险评估，则是以分子生物学为核心，“我的生物学储备几乎是一张白纸，必须抓紧时间把这块内容从零开始补上来。”

　　做学问没有捷径，张大奕选择了最“笨”的方式。在最初的两年时间里，他将博士后工作之余的所有时间都用在了图书馆里面自习，钻研国外的生物学专著，从生物学基础一直到最新的前沿生物技术，他一年啃完了20多本“大部头”。这让张大奕在不知不觉中完成了从“业余”到专家的华丽转身。

　　经过两年的痛苦“折磨”，张大奕迎来了在英国的第一个突破。2011年，他设计并制作出一款全细胞生物传感器，用以评估环境中石油烃的风险，获得业内的良好反响。之后的两年间，张大奕每天泡在实验室里将近20个小时，沉浸在做不同的分子生物学实验中，制作多种类型的生物传感器，用来检测不同的污染物及其毒性。

　　2013年，张大奕来到兰卡斯特大学任教。成为一个独立项目负责人，他有了更多根据自己的想法开展研究的自由。“回顾之前在英国的工作，我反思最初考虑得还不够全面。生物传感器只是一个检测设备的元件，并不是检测设备全部。只把目光停留在传感器上是远远不够的。”因此，张大奕在兰卡斯特大学期间，除了继续开发新型生物传感器外，还做了比较多转型于设备化的工作。

　　机会总是留给有准备的人。在环境科学的探索领域里，张大奕正是这样一个时刻准备着的人。他在研究上一直保持着活跃，源源不断做出了一系列杰出的原创性工作，不仅跻身于国际研究的前沿行列，同时也用他的表现赢得了国外同行对于中国科研工作者的尊重。

　　与此同时，一腔赤子情怀的张大奕时刻关注着国内环境科学技术的发展。正如当初他所判断的，随着中国经济的持续快速发展，城市化和工业化进程不断加快，环境污染日益严重，国家对环保的重视程度也越来越高，正积极探索代价小、效益好、可持续的环境保护新技术与新道路。

　　2016年，国家针对土壤和地下水的污染问题出台了《土壤污染防治行动计划》。这个计划的出发点是保障农产品质量和人居环境安全，核心是改善土壤环境质量，促进土壤资源永续利用。土壤与地下水的污染检测与治理一向是全球性的难题，不过欧美国家已经走过近百年的研究道路，有了较成熟的应对模式，而中国的土壤与地下水环境研究才刚刚起步，“一穷二白”。

　　在海外的几年时光，张大奕明显感受到了西方发达国家对中国的科技封锁与围剿，同时也目睹了中国科技界对于人才的渴求和招募。越来越多重量级的海外人才纷纷回国发展，这些战斗在科研第一线的人才在归国的同时也把国际标准和国际前沿思想带回了国内。尽管身在国外多年，但是张大奕和国内一直保持着联系与合作，也一直密切关注着国内环境科学领域的发展。

　　2017年年初，恩师的一个越洋电话令张大奕的似箭归心更加坚定。“当时老师的话并不多，但那一句‘祖国现在需要你’就足够了！”张大奕表示，“我在清华是环境工程专业出身，一直接触水文地质领域，对土壤比较了解。在英国做的工作，又以环境污染物的检测和风险评估为主。我希望能够利用对国外前沿技术的了解，再结合我在国内的研究基础，针对中国现阶段发展中土壤和地下水污染的特性，开发出适合中国的、具有自主知识产权的检测设备和风险评估方法，能够早一天走到国际的前列”。

　　2018年6月，张大奕毅然放弃了国外的优厚待遇全职回国从零开始。多年的海外经历让他养成从更长远的方向考虑问题的思维习惯，从未来的角度来判断今天的决策是否正确，但在张大奕内心，科研报国这件事没有第二个选项。

　　用平生所学报效家国——正是张大奕年少时的志向。他说：“在这样一个伟大的时代，如果国家需要我时，我却没能为祖国伟大复兴的进程尽一份力，这才是人生无可弥补的遗憾！”

破解新时代环境难题

　　——“我们创造了很高的GDP，但怎样才能把经济上的繁荣转化为幸福感，造就一个和谐、安全、健康的社会？”时代在与时俱进，问题也在随之不断地迭代更新，摆在以张大奕为代表的环境科技工作者面前。

　　“绿水青山就是金山银山！”随着经济水平的飞速提升，山清水秀、安全健康的生态环境，承载着人民群众对于美好生活的向往，提振着人民群众的获得感和幸福感。这既需要国家从法律法规层面搭建整体框架，更需要千千万万名从业者尽快提升科学技术水平，积极地投身到环境生态建设的领域中去。

　　土壤与地下水污染具有隐蔽性、长期性和难恢复性的特点，相关问题的解决面临着众多挑战，包括污染物的分析与识别、毒性的诊断与表征、微生物群落与响应的解析，以及科学有效的修复等。张大奕认识到如果只是简单地做些理论研究是远远不够的，还需要将科研成果有效地转化为“工具”，以应对国家发展中亟待解决的环境问题。

　　时代的考题常考常新。张大奕回国之后，首先厘清了中国环境污染物检测和风险评估的技术痛点。在他看来，之前传统的检测手段都是在实验室里完成的，但实际上污染是个动态过程，需要在线监测设备在现场对污染物的实时变化，以及对可能出现的突发性污染事件做出及时反馈。这种在线监测设备对于智能化、自动化、集成化水平的要求非常高。另外，高端检测设备的先进技术和核心部件大多数依赖于国外，不可避免地会遇到“卡脖子”的风险，而土壤和地下水的数据均属于国家机密，如果使用国外芯片或者国外的数据传输模式的话，很有可能会造成资料泄露，带来国家安全方面的隐患。

　　考题既出，张大奕下笔破卷。他将在英国学到的新知识、新技术和新工艺，有针对性地同中国的实际情况进行了深入融合，随之提出了新的检测技术理念和解决在线检测问题的技术方案，形成具有自主知识产权和自主生产能力的核心部件，一举打破国外的垄断。

　　“我们检测的核心目的是要识别出环境当中污染物的种类、数量、含量、危害，传统环境风险监控与评估技术大多针对单一介质中的单一环境风险因子，现在我们国家面临着严峻的环境污染问题，出现很多新污染物及特征性污染物，已有检测技术具有操作复杂、成本高、周期长等局限性，难以准确评估复合污染风险，无法精准追溯风险来源。”张大奕解释道。

　　针对现有生物传感器检测目标污染物数量少、特异性和灵敏度不足的问题，张大奕提出了调控子基因碱基修饰和调控蛋白三维空间构型优化的生物传感器构建新方法，通过基因工程修饰和调控蛋白定向进化的方式，成功构建了多环芳烃、石油烃和生态毒性生物传感器，拓展了生物传感器的应用范围，并将检测灵敏度由2～5mg/L提升到0.1mg/L，检测时间由24～48小时减少到2小时，实现了污染物含量和毒性的快速精准测定。

　　针对单独使用生物传感器或生物光谱技术无法识别复合污染条件下的生态风险来源这一技术局限，张大奕提出了“生物传感-生物光谱”耦合的环境风险因子溯源技术理念，并开发了系统性解决方案。他带领团队通过开发正则化分析和人工神经网络回归算法，解决了傅立叶红外（FTIR）和拉曼（Raman）光谱大数据处理难题，建立了可以全谱分析和自动分类的光谱解析支持向量机（SVM）模型，实现了基于生物光谱学的典型污染物快速自动识别。这一技术成功用于环境样本中不同类型微塑料的自动检测与分类。通过开发深度卷积神经网络算法，张大奕解决了生物传感细胞复杂光谱特征峰深度解析难题，不仅可以甄别典型污染物造成的生物传感细胞光谱变化，还可以准确识别出活性氧生成、DNA损伤、蛋白活性抑制和细胞膜损伤4种典型毒性机制造成的细胞损伤特征，区分六价铬、铜等重金属和多环芳烃、农药等有机污染物的毒性机制，在复合污染物条件下精准识别毒性来源（风险溯源准确率88.5%），具有通量高（同时检测96～384个样品）和速度快（<10秒/样品）等特点，适用于复杂环境样本中多种污染物生态毒性的快速甄别和风险精准溯源。

　　针对现有环境风险监控预警设备对国外技术依赖度较高、核心元器件国产化水平亟须提高、灵敏度和可靠性亟盼增强等应用难点，张大奕创新性地提出了生物梯度扩散薄膜理念，采用细胞印刷技术将生物传感细胞固定于梯度扩散薄膜中，利用梯度扩散薄膜测定可溶态污染物含量、生物传感细胞信号测定污染物毒性水平、拉曼生物光谱信号甄别毒性机制，构建了商用化的生物梯度扩散薄膜芯片，解决了拉曼光谱仪光栅国产化技术难题，优化了光纤光子检测器和光纤拉曼光谱仪的检测灵敏度和精确度，研制出模块化的生物荧光与光谱检测元器件、环境样本自动采集系统，开发出“生物传感-生物光谱”耦合的“污染物生态毒性在线检测设备”。这一设备的关键模块均为自主研发，实现了土壤和地下水修复过程中污染物实时在线监控，有效支撑地下水水质长期监控、河流监测断面重金属水质在线监测、污染场地修复工程过程中地下水质量动态监控等工作，避免了被西方国家“卡脖子”的隐患。

　　自古至今，耕地涉及天下温饱和国家稳定。土壤安全便是保障国家粮食安全与生态环境安全的重要基础。但当前，中国土壤污染的区域性、流域性问题对食品安全、人居环境和人体健康构成严重威胁。土壤修复成为打好“净土保卫战”的核心任务，也是实现农产品安全生产和美好人居环境、促进农业可持续发展和生态文明建设的基础性工作。

　　在张大奕看来，土壤退化是自然环境变化与人为因素共同作用的结果，但退化土壤地区极端恶劣的自然环境，是土壤退化的决定性因素和生态修复的关键性掣肘。“所谓极端环境指的就是不适合人类和动植物生存的环境，比如说西北地区的沙漠、青藏高原、东北地区盐碱地等。针对极端环境地区的生物修复，我们国家也有着巨大的需求。”张大奕介绍，“在这种极端环境下，土壤、动植物和微生物面临严酷的生存挑战。自然土壤缺乏微生物支持的生态系统，如同‘无根之木、无源之水’，不具备草本和木本植物生存所必需的营养条件，导致传统生态修复技术成本居高不下，且草木成活率低。”

　　张大奕认为，国内外传统的以植树造林为主要手段的生态修复技术，从原理上并不适宜于可持续性进行退化土壤的生态修复。退化土壤生态修复行业需要具有革命性和创新性的技术，即通过评估生态系统自然承载能力，设计符合自然规律的修复目标，从生态底层开始修复，逐步恢复生态系统成员、功能与景观，辅以适当的短期人工养护，形成具有自我恢复能力和自然平衡的人工生态系统。

　　在过去的几年里，张大奕和团队一起利用荒漠藻为先锋拓殖生物，以人工诱导藻类土壤生物结皮技术为核心，以藻草灌（-乔）三元或藻藓草灌（四元）组合为基础工艺，因时因地运用环境生态工程手段或措施，快速恢复生态系统基础功能，达到改良土壤和恢复景观功能的目的。为了实现这个目的，张大奕带领团队成员奔赴西北、西藏等极端环境地区，历经两年时间采集了大量的自然生物土壤结皮样本，从中筛选出了一批适合于青藏高原等地区土壤生态修复的荒漠藻种，并在拉萨地区开展了一系列荒漠藻种大规模人工培育养殖、现场喷播营造、长期监测运维的工程示范与验证性工作，取得了关键技术突破，让生物结皮快速稳定地浮现在茫茫沙海之上，发挥了固沙、成土、培肥、育草、固碳、修复生态系统的作用。这种神奇的技术遵循退化土壤生态系统的环境现状和自然演替规律，通过人工筛选、优化、扩繁、定植和养护等工程手段，强化自然恢复过程，可将自然环境下数十年，甚至上百年才能完成的自然恢复过程缩短至数月之内。

　　“这是一个有效的、原创性的退化土壤修复新思路，为我国土地整治事业的发展提供了新的手段和方法。”说到这项成果，张大奕难掩兴奋之情，“未来我们要向全国的极端环境地区进军，把一些原本废弃的土地变成耕地，这将有助于解决我们国家的粮食安全问题，是一个利国利民的大事！”同时，因为极端环境下土壤退化的问题不光是中国的问题，也是当今全球共同的难题，张大奕和他的同事们在这份沉甸甸的试卷上，给出了独树一帜的中国答案，让全世界认识到了中国人的“解题”能力。

把环境科学的论文写在大地上

　　——“我们的目标是一边做最尖端的科研，一边解决最实际的问题。”

　　环境污染物检测和风险评估，是新时代面前一个充满挑战的大命题。习近平总书记一直鼓励科研人员要把“论文写在祖国的大地上”，张大奕对此深以为然。正所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，实干兴国是张大奕一以贯之的主张。

　　“我们环境领域和其他基础学科不太一样，搞化学或者物理学的科学家，可能在实验室里面就能把工作做好，但是环境学科是一个应用型学科，最核心的任务是解决国家面临的实际问题，只是在实验室里闷头做科研，对于解决环境问题的帮助是有限的。”在张大奕看来，环境科技工作者的实验室应该建在田间地头、山水之间，建在环境事故发生的第一现场。

　　为了科研，张大奕经常天一亮就跑到野外去采样，一直到天黑了才回来。野外的环境条件艰苦，交通尤为不便，“我们往往要负重徒步很长的路，因为既要携带采样设备，还需要搜集土壤和水体样品，可能出门时候的背包是10公斤，回来就变成30公斤了”。

　　由于工作的特殊性质，遭遇突发的应急性环境事故时，哪怕是半夜三更，一个电话，张大奕和同事们也总要在第一时间赶到现场，根本不会考虑是不是下班时间或者正在休息。“因为突发性事故之后，我们如果不能第一时间到现场检测的话，就会让事态发展产生很大的不确定性”。

　　4年前，一场新冠疫情席卷而来，成为中华人民共和国成立后传播速度最快、感染范围最广、防控难度最大的一次重大突发公共卫生事件。党中央和国务院高度重视，于疫情暴发后不久即紧急启动“新型冠状病毒传播与环境的关系及风险防控”重大攻关专项，由中国工程院直接领导，多达20余位相关领域院士参与其中。张大奕主动承担起项目前方联络组组长的任务，不惧风险，奔赴武汉市疫情最前线开展工作，多次深入火神山、雷神山等收治重症患者的定点医院和方舱医院等高风险区域，了解疫情现状，获取大量疫情防控一线的第一手重要资料，并制定了污水、大气、医疗垃圾等环境监测采样现场工作方案。

　　由于事发突然，当时人们对新冠病毒的特点还不了解，没有经验可循，全国上下都处于十分恐慌的状态，前线工作更是面临着巨大的技术挑战和心理压力。看似简单的采样并不容易，“臃肿”的防护服给工作造成了极大不便。平常两个小时能完成的采样工作，那时至少需要五六个小时。在第一线忙碌还会遇到一些紧急的突发情况，例如防护破损、样品喷溅、设备故障等。但就是在这样艰难而又危险的条件下，张大奕带领前线科研人员逐步建立起环境样品病毒富集与分析的标准方法，在武汉一线医院、方舱等高风险区域采集气、水、土、固表等各类环境样品1000余份，进而为新冠病毒的环境检测和消杀策略提出建议。

　　在第一线的工作过程中，张大奕针对现有新冠病毒生物安全监控预警技术依赖于操作烦琐的人工样本采集，难以满足疫情防控常态化形势下高密度监控预警网络的技术需求这一问题，结合自己的技术积累与创新，自主开发出国际首台“智能一体化环境病毒在线监控设备”和首套“新冠病毒在线监控预警网络”，为常态化疫情防控工作提供装备支撑。此外，他在国际上首次发现医院室外和排水系统周边土壤中的新冠病毒RNA残留现象，率先揭示了疫情聚集区气溶胶、污水和土壤等外环境介质的新冠病毒来源与分布特征；针对新冠病毒环境溯源问题，张大奕协助编写了科技部《新型冠状病毒溯源进展》蓝皮书中“环境溯源”的相关章节，提出了“自然宿主—带病毒环境介质—人类”的新冠病毒起源传播途径，提交了《关于新冠病毒来源及环境传播可能路径假设的情况汇报》专报，明确提出了“新冠病毒来源地未定，可能来源于地球上任一野生动物或野生动物栖息地环境显著改变地区”和“人类活动破坏生态环境是新冠病毒感染等新兴传染病暴发与传播的关键因素”等学术观点；定量分析了病原体生理因子与环境地质水文参数对地下水系统中病原体迁移传播的影响，评估了以新冠病毒为代表的30余种病原体在地下水系统中的传播风险。

　　张大奕的出色表现有力地支撑了疫情期间新冠病毒风险评估与应急防控工作，也赢得了国内外同行的称赞与尊重。“真正要把一项技术，从实验室最后成功做成一个成熟的设备或者一个可行的方案。这个过程要经历千辛万苦，能够坚持下来，确实很不容易！”一向不言辛苦的张大奕在回顾疫情期间的历历往事时也禁不住感慨，“但项目成果的取得，从来不是一个人的智慧所能推动的，是凝结了团队所有人心血的结晶。整个团队的共同努力才是成功的关键。”

　　张大奕不仅是位出色的科研学术带头人，更是一个优秀的管理者。自2018年回国到今天已经是第6个年头了，这也是中国环境科学研究快速发展的6年，从最初的单枪匹马、一穷二白到如今的兵强马壮、意气风发，张大奕带领着自己的团队，驶入了科研高速路。

　　“团队一方面要有能力，一方面还要有冲劲。”张大奕时常和团队里的年轻人们谈理想和抱负，“既然选择了环境科学领域，就要做好吃苦的准备。肯定有很多的困难和坎坷，等着我们去突破。但同样，谁最先经历了风雨，就一定会最先看到彩虹。”

　　在年轻人眼中，张大奕是团队的“定海神针”，多少“难啃的骨头”在他的思路想法面前都会迎刃而解。而在张大奕自己看来，创新不是心血来潮，更不是高大上的口号，而是凭借积淀，结合具体科研项目的需求，在工作中扎扎实实，遇到问题，解决问题。

　　张大奕认为，身为带头人要敢为天下先，在遇到瓶颈的时候能顶住压力，知道带领团队往哪个方向走。“科研的过程就是不断积累和突破，我们面对的每一个课题都有各自的特点和难点，所处的地理位置不一样，地质条件不一样，甚至人文环境不一样，所以每个方案都有各自的挑战性。我们的工作就是这样一个不断摸索不断创新的过程，往往这个过程也最磨炼人的意志！”张大奕如是说。

　　从20世纪90年代，到进入21世纪的前20年，随着中国科技水平从“望尘莫及”走到与西方强国的“同台竞技”，作为年轻的科技突围者，张大奕见证并亲历了中国科技界自立自强的加速度，尤其是在新冠疫情的危难之中，看到“有那么多人不顾自己的安危，为这个国家和民族拼命”，让他对于中华民族的伟大复兴充满了信心，“我们中国人勤奋坚韧又聪明，只要树立起强大民族自信，在科研道路上坚持不懈地奋斗下去，一定可以成为世界科技的领跑者！”

　　

专家简介

　　

　　张大奕，吉林大学新能源与环境学院教授，国家级海外人才计划获得者。长期从事环境污染物毒性与生物安全的快速检测技术开发和在线监测设备研制工作。主要理论创新包括污染物诱导毒性应激响应的调控机制、基于全细胞生物传感器-生物拉曼光谱耦合的环境风险溯源原理、病原体生物风险跨生态屏障机制与溯源原理等；主要技术创新包括基于染色体修饰的全细胞生物传感器构建方法、基于傅立叶红外（FTIR）和拉曼（Raman）光谱的污染物快速检测技术、快速甄别环境污染物浓度/毒性/人体健康风险的在线检测技术、病原体超快速光谱检测技术等；主要应用创新包括多种商业化全细胞生物传感器、在线式有机污染物微萃取检测仪、智能一体化环境病毒在线检测仪等。