不同價(jià)態(tài)鐵處理腈綸廢水過(guò)程中菌群結(jié)構(gòu)分析

謝慧娜,王亞娥,李 杰,趙 煒,嵇 斌

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不同價(jià)態(tài)鐵處理腈綸廢水過(guò)程中菌群結(jié)構(gòu)分析

謝慧娜,王亞娥*,李 杰,趙 煒,嵇 斌

(蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

利用不同反應(yīng)器條件(SBBR、Fe(0)-SBBR、Fe(Ⅱ)-SBBR、Fe(Ⅲ)-SBBR)對(duì)腈綸廢水進(jìn)行處理,探究不同價(jià)態(tài)鐵對(duì)腈綸廢水處理過(guò)程及此過(guò)程中微生物群落結(jié)構(gòu)變化.結(jié)果表明,Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR對(duì)腈綸廢水有良好的處理效果,特別是NH4+-N,去除率均在90%以上;整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)Fe(0)-SBBR處理效果最好.利用Illumina MiSeq高通量測(cè)序技術(shù)分析處理過(guò)程中微生物群落結(jié)構(gòu),結(jié)果表明,Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR優(yōu)勢(shì)菌在屬水平上差異顯著,Fe(0)-SBBR主要以、、、等屬為主;Fe(Ⅱ)-SBBR主要以、、、等屬為主;Fe(Ⅲ)-SBBR主要以、、、等屬為主;與對(duì)照組SBBR相比,Fe(0)-SBBR對(duì)其處于相對(duì)劣勢(shì)的菌有很好的刺激生長(zhǎng)作用;Fe(0)和Fe(Ⅲ)對(duì)微生物群落的改變大于Fe(Ⅱ).

不同價(jià)態(tài)鐵；Illumina MiSeq高通量測(cè)序；腈綸廢水；微生物群落結(jié)構(gòu)

腈綸廢水污染物濃度高、成分復(fù)雜,是公認(rèn)的難處理有機(jī)廢水之一.主要成分包含腈類(lèi)、烷烴、芳烴、苯酚、丙烯酸甲酯、硫醇、N,N-二甲基乙酰胺、甲基烯丙基磺酸鈉等[1-2].故廢水處理常用的活性炭吸附、離子交換、電化學(xué)等方法,都難以實(shí)現(xiàn)腈綸廢水中有機(jī)物降解.目前,大部分處理方法主要集中在高級(jí)氧化技術(shù)預(yù)處理和生化處理的組合上[3-4].尤其是腈綸廢水的生物處理法已從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模研究擴(kuò)展到全面的廢水處理廠中.

鐵能夠促進(jìn)細(xì)菌內(nèi)部酶活性、電子傳遞、質(zhì)子傳遞及細(xì)胞色素合成等,越來(lái)越多學(xué)者將不同價(jià)態(tài)的鐵應(yīng)用到廢水生物處理中.如,Kong等[5]將零價(jià)鐵(ZVI)投加到SBAR反應(yīng)器中,好氧污泥顆粒化得到有效增強(qiáng);同時(shí)王亞娥等[6]處理腈綸廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)Fe0更有利于生長(zhǎng);Zhen等[7]研究發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間隨Fe(Ⅱ)濃度的升高而大大縮短; Zhang等[8]將Fe(III)添加到MEC厭氧反應(yīng)器后,有機(jī)物降解顯著增強(qiáng).微生物作為生物法體系的主體,決定著整個(gè)系統(tǒng)的處理效果,污水處理性能的穩(wěn)定運(yùn)行與其中的微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能動(dòng)態(tài)變化密不可分.所以?xún)H僅研究工藝對(duì)廢水的處理效果是不夠的,有必要對(duì)處理過(guò)程中的生物群落進(jìn)行控制和優(yōu)化.

目前,鐵與微生物協(xié)同處理廢水多數(shù)都集中在理化指標(biāo)和酶活性的研究上[9],分子水平的研究也僅局限于單一價(jià)態(tài)的鐵[10-11],而不同價(jià)態(tài)鐵在廢水處理中微生物群落結(jié)構(gòu)分析鮮有涉及.課題組將鐵應(yīng)用到腈綸廢水生物處理中雖已有大量研究[6,12-13],但都局限在工藝或理化指標(biāo)上,尚未開(kāi)展微生物機(jī)理探究.本文將不同價(jià)態(tài)鐵置于SBBR反應(yīng)器中來(lái)處理腈綸廢水,采用Illumina高通量測(cè)序技術(shù)從分子水平來(lái)分析不同價(jià)態(tài)鐵在腈綸廢水生物處理中微生物群落結(jié)構(gòu).本研究的結(jié)果不僅可以為鐵與微生物協(xié)同處理廢水的微生物研究提供數(shù)據(jù)參考,同時(shí)為腈綸廢水的實(shí)際工程優(yōu)化提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

同時(shí)啟動(dòng)4個(gè)有效容積為4.5L的SBBR反應(yīng)器,運(yùn)行條件見(jiàn)表1.以未投加鐵的SBBR反應(yīng)器為對(duì)照組,周期為48h,試驗(yàn)過(guò)程中DO和pH值根據(jù)試驗(yàn)條件進(jìn)行變化,MLSS控制在2000mg/L左右.4個(gè)反應(yīng)器進(jìn)水均為吉林奇峰化纖股份有限公司污水處理廠調(diào)節(jié)池出水,平均進(jìn)水水質(zhì):pH(7.15±0.65)、COD(790±170)mg/L、氨氮(120±20)mg/L、總氮(131±21)mg/L、BOD5(220±60) mg/L.

表1 反應(yīng)器運(yùn)行條件

1.2 高通量測(cè)序分析方法

DNA提取與PCR擴(kuò)增:分別取穩(wěn)定運(yùn)行期各反應(yīng)器中污泥混合液,采用OMEGA公司的土壤 DNA試劑盒提取4個(gè)樣品DNA.分別以4個(gè)樣品基因組DNA為模板,對(duì)細(xì)菌16S rRNA基因V4區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增,引物520F:5￠-AYTG GGYDTAAAGN G-3￠,802R:5￠-TACNVGGGTATCTAATC C-3￠.PCR條件:98℃ 5min,變性(98℃ 30s),退火(50℃ 30s),延伸(72℃ 30s),72℃總延伸5min,擴(kuò)增產(chǎn)物4℃保存.PCR擴(kuò)增反應(yīng)結(jié)束后,2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè).檢測(cè)后樣品DNA送至上海派森諾生物科技有限公司進(jìn)行Illumina MiSeq高通量測(cè)序.

測(cè)序數(shù)據(jù)優(yōu)化:為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性,對(duì)有效序列進(jìn)行過(guò)濾和去除嵌合體處理.運(yùn)用QIIME進(jìn)行序列過(guò)濾,運(yùn)用Mothur去除嵌合體序列,得到用于后續(xù)分析的優(yōu)質(zhì)序列.

微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性分析:利用Uclust對(duì)優(yōu)質(zhì)序列進(jìn)行97%相似水平上分類(lèi)(OTU),并與 Greengenes和RDP數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì).利用 Mothur計(jì)算豐富度指數(shù)(Chao指數(shù)和ACE 指數(shù))、多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù))及樣本間OTU維恩圖.利用QIIME進(jìn)行分類(lèi)等級(jí)劃分(門(mén)、屬)及PCoA分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 腈綸廢水處理效果

實(shí)驗(yàn)連續(xù)測(cè)定了18個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)SBBR及Fe(0)/ Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR反應(yīng)器出水COD、NH4+-N、TN濃度,結(jié)果如圖1所示.

由圖1可知,在1~18d,反應(yīng)器處于啟動(dòng)期,盡管進(jìn)水波動(dòng)較大,但各反應(yīng)器出水COD均呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢(shì),18d之后,各反應(yīng)器出水指標(biāo)基本穩(wěn)定.說(shuō)明反應(yīng)器啟動(dòng)完成.

對(duì)照組SBBR和Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR對(duì)COD的去除率在50%~60%之間,效果差異顯著(< 0.05),可明顯觀察到整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)Fe(0)-SBBR處理效果最好.一方面,海綿鐵作為一種特殊的零價(jià)鐵,自身作為載體為微生物提供更充足優(yōu)異的空間繁殖,達(dá)到對(duì)有機(jī)物強(qiáng)化去除效果[16];另一方面,海綿鐵具有還原性,能夠直接還原部分有機(jī)物,且海綿鐵經(jīng)腐蝕會(huì)形成一個(gè)Fe2+和Fe3+電化學(xué)平衡環(huán)境,適量的鐵離子可提高污泥活性,提高反應(yīng)器處理效率[17].此外,Fe2+能夠作為還原劑與有機(jī)物反應(yīng),在一系列反應(yīng)過(guò)程中還能夠產(chǎn)生活性氧化物,還原氧化降解腈綸廢水中有機(jī)物;Fe2+和Fe3+水解產(chǎn)物具有絮凝作用[6],能夠沉淀去除污染物.故零價(jià)鐵處理效果相對(duì)更好.對(duì)照組SBBR和Fe(Ⅱ)-SBBR在穩(wěn)定運(yùn)行期COD濃度曲線出現(xiàn)多次近乎重合現(xiàn)象.這是因?yàn)镕e2+在中性有氧條件下,極易被氧化成Fe3+,但其作用效果遠(yuǎn)不及單一Fe3+體系,故與對(duì)照組SBBR處理效果更接近.

在對(duì)NH4+-N去除中,各反應(yīng)器啟動(dòng)期出水濃度波動(dòng)幅度很大,穩(wěn)定期去除率在92%~97%之間,效果差異顯著(<0.05).TN去除中,各反應(yīng)器啟動(dòng)期出水濃度有一定波動(dòng),但整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì),穩(wěn)定期去除率在47%~56%之間,效果差異顯著(<0.05).氨氮和總氮的降解中,整體仍是Fe(0)-SBBR去除效果最好,穩(wěn)定期SBBR和Fe(Ⅱ)–SBBR較接近.鐵離子對(duì)硝化反應(yīng)具有一定的促進(jìn)作用[18],但Fe3+混凝沉淀物會(huì)附著在污泥表面阻礙微生物代謝生長(zhǎng),而零價(jià)鐵能夠集電化學(xué)、水解、Fenton反應(yīng)于一體,始終處在一個(gè)化學(xué)動(dòng)態(tài)平衡中,同時(shí)與微生物協(xié)同作用,使得Fe(0)-SBBR體系始終處在一個(gè)高活性狀態(tài)下,強(qiáng)化去除效果.

2.2 微生物分析

2.2.1 微生物群落豐富度和多樣性 利用Illumina MiSeq高通量測(cè)序技術(shù),對(duì)各反應(yīng)器樣品序列進(jìn)行過(guò)濾和去除嵌合體后共得到37662條優(yōu)質(zhì)序列.在97%相似性水平劃分原則下,所有樣品得到的序列可以劃分為426~574個(gè)OTUs.樣品OTU分類(lèi)結(jié)果及多樣性指數(shù)見(jiàn)表2.

表2 微生物群落的豐富度和多樣性指數(shù)

ACE指數(shù)和Chao指數(shù)是反映微生物種群豐度的2個(gè)指標(biāo),其數(shù)值越大說(shuō)明樣品中的種群越豐富.從表2可以看出,相似度97%時(shí),Chao指數(shù)和ACE指數(shù)反應(yīng)的豐度情況均為:SBBR>Fe(Ⅲ)-SBBR> Fe(Ⅱ)-SBBR>Fe(0)-SBBR,與OTUs基本一致.說(shuō)明在腈綸廢水處理過(guò)程中,部分本土微生物受到鐵的抑制,微生物豐度降低,這與Wu等[19]研究中納米鐵的添加可能會(huì)減少微生物種群的豐度結(jié)果相一致.香農(nóng)(Shannon)指數(shù)反應(yīng)了微生物多樣性,指數(shù)越大多樣性越高.本研究中,Shannon指數(shù)SBBR> Fe(Ⅲ)-SBBR>Fe(Ⅱ)-SBBR>Fe(0)-SBBR,即對(duì)照組SBBR污泥樣品多樣性最高,而Fe(0)-SBBR樣品多樣性最低.

2.2.2 微生物群落相似性和差異性分析 本研究通過(guò)Venn圖和PCoA分析來(lái)闡明樣品間的相似性及差異性,結(jié)果如圖2所示.

對(duì)照組SBBR和Fe(0)/ Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR共有170個(gè)OTUs,分別占各自總OTUs的比例分別為30%、40%、32%、31%,說(shuō)明這部分微生物不受鐵元素影響,一直能夠在各個(gè)反應(yīng)器中生存,原因可能是其進(jìn)水水質(zhì)相同,而水質(zhì)特點(diǎn)是影響微生物結(jié)構(gòu)的最主要因素[20-21].170個(gè)共有OTUs中相對(duì)豐度排在前五的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)為變形菌門(mén)(Proteobacteria, 47.1%)、浮霉菌門(mén)(Planctomycetes,21.8%)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes,7.6%)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi,5.3%)和酸桿菌門(mén)(Acidobacteria,3.5%).每個(gè)樣品中獨(dú)有的OTUs分別占各自總OTUs的比例分別為18%、15%、18%、11%,鐵的添加改變了微生物原有生存環(huán)境,菌群對(duì)生境做出響應(yīng),形成各自獨(dú)有的菌落.對(duì)照組SBBR和Fe(Ⅱ)-SBBR樣品中共有62個(gè)OTUs,較其它兩兩樣品間共有OTUs都大,說(shuō)明其樣品微生物群落結(jié)構(gòu)相似性相對(duì)較高.由圖2 (b) PCoA分析可知,Fe(0)-SBBR與其它樣品微生物群落結(jié)構(gòu)差異較大,對(duì)照組SBBR與Fe(Ⅱ)-SBBR微生物群落結(jié)構(gòu)較相似,這與維恩分析結(jié)果相一致.

2.2.3 污泥微生物群落結(jié)構(gòu)分析 (1) 門(mén)水平上的組成和豐度:如圖3所示,對(duì)照組SBBR和Fe(0)/Fe(Ⅱ)/ Fe(Ⅲ)-SBBR主要優(yōu)勢(shì)菌門(mén)為變形菌門(mén)(Proteobacteria)、浮霉菌門(mén)(Planctomycetes、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、放線菌門(mén)(Actinobacteria),此6個(gè)門(mén)總的相對(duì)豐度分別為87.7%、84.6%、93.7%、90.9%.這與文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的污水處理微生物菌落研究結(jié)果一致[22-23].在對(duì)照組SBBR和Fe(Ⅱ)-SBBR體系中,Proteobacteria是相對(duì)豐度最大的菌門(mén),占細(xì)菌總數(shù)的比例分別為32.1%、54.7%,Proteobacteria在氨氮去除和亞硝酸鹽積累及有機(jī)物去除中扮演著重要角色[24-25],這可能是反應(yīng)器運(yùn)行中硝化和反硝化發(fā)生及廢水COD降低的主要原因.在Fe(0)-SBBR 和Fe(Ⅲ)-SBBR體系中,Proteobacteria相對(duì)豐度減少,在脫氮過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用的Planctomycetes快速繁殖[26],相對(duì)豐度達(dá)到36.2%和30.4%.在Fe(0)-SBBR中,Bacteroidetes受Fe(0)刺激增長(zhǎng)較快,對(duì)系統(tǒng)脫氮具有很好促進(jìn)作用[27],然而Firmicutes和Actinobacteria受Fe(0)毒害作用較大,相對(duì)豐度減少至0.5%和1.6%.此外,在對(duì)照組SBBR和Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR中,Acidobacteria能夠降解多種有機(jī)物[28-29],但在加鐵體系中其相對(duì)豐度都明顯降低,可見(jiàn)腈綸廢水處理過(guò)程中Acidobacteria對(duì)鐵的耐受性較差.

圖3 微生物群落在門(mén)水平組成和相對(duì)豐度(>1%)

圖4 微生物群落在屬水平組成和相對(duì)豐度

(2)屬水平上的組成和豐度:從4組樣品共307個(gè)菌屬中選擇相對(duì)豐度排在前25的菌屬進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示.在對(duì)照組SBBR中,相對(duì)豐度較高的菌屬有:(16.7%)、(7.3%)、(6.9%)、(4.4%)、(4.3%)、(3.4%)、(3.1%).其中,是對(duì)高分子聚合物有特殊降解能力的細(xì)菌[30],在 Fe(0)/Fe(Ⅱ)/ Fe(Ⅲ)-SBBR中相對(duì)豐度分別為9.4%、9.9%、6.9%,鐵對(duì)其有一定的毒害作用,但在3組樣品中仍是相對(duì)優(yōu)勢(shì)菌屬,猜測(cè)其對(duì)腈綸廢水中聚合有機(jī)物有特殊降解能力.在Fe(Ⅱ)- SBBR中,除與對(duì)照組SBBR相同的優(yōu)勢(shì)菌外,(6.9%)、(5.2%)、(5.1%)、(4.5%)繁殖為新的優(yōu)勢(shì)菌屬.其中,為亞鐵氧化菌[31],可見(jiàn)Fe2+能夠刺激鐵氧化菌快速增長(zhǎng);能氧化NH4+為 NO2[32],是多數(shù)廢水處理中主要的脫氮菌,本研究中只在Fe(Ⅱ)-SBBR中具有良好的繁殖特性.在Fe(Ⅲ)-SBBR中,相對(duì)豐度最高,占細(xì)菌總數(shù)的12.6%,成為體系中最優(yōu)菌.具有良好的脫氮作用,為Fe(Ⅲ)-SBBR反應(yīng)器對(duì)氮的去除提供強(qiáng)大支撐.

在Fe(0)-SBBR中,雖然相對(duì)豐度較高的細(xì)菌與對(duì)照組SBBR有一定重合,但優(yōu)勢(shì)菌屬仍存在明顯差異,主要菌屬有(11.7%)、(11.3%)、(9.4%)、(6.3%)、(5.3%)、(4.5%)、Pirellulaceae(3.8%)、Cytophaga(3.7%)、(3.0%).和能夠利用有機(jī)碳和氮生長(zhǎng)繁殖[33],從而達(dá)到去除污染物的目的,是對(duì)照組和Fe(Ⅱ)-SBBR中相對(duì)豐度的5倍,這可能是Fe(0)-SBBR反應(yīng)器較好出水效果的主要貢獻(xiàn)者.、、、、在其余3組樣品中都處于劣勢(shì)菌群,這些菌多數(shù)與有機(jī)物的降解和硝化反硝化過(guò)程有關(guān),可見(jiàn)Fe(0)的存在對(duì)優(yōu)勢(shì)菌屬起到很好的篩選作用.

與對(duì)照組SBBR比較可知,在25個(gè)菌屬中, Fe(0)/ Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR分別有11、9、12個(gè)細(xì)菌受到促進(jìn)相對(duì)豐度增加,分別占各細(xì)菌總數(shù)比例為53.7%、43.5%、55.1%,受到抑制相對(duì)豐度減少的菌分別有13、15、12個(gè),分別占各細(xì)菌總數(shù)比例為21.7%、28.2%、21.2%.Fe(Ⅱ)-SBBR中個(gè)別細(xì)菌生長(zhǎng)較快,但整體菌群結(jié)構(gòu)與對(duì)照組SBBR差異較小,Fe(0)-SBBR中一些在對(duì)照組SBBR中處于相對(duì)劣勢(shì)的菌則受到更多促進(jìn)生長(zhǎng).這表明,Fe(0)和Fe(Ⅲ)對(duì)微生物群落的改變大于Fe(Ⅱ),繼而強(qiáng)化實(shí)際腈綸廢水處理效果.

3 結(jié)論

3.1 Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR對(duì)COD、NH4+-N、TN的去除率分別在50%~60%、92%~97%、47%~56%之間;整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)Fe(0)-SBBR處理效果最好,說(shuō)明零價(jià)鐵體系對(duì)腈綸廢水具有更好的處理效果.

3.2 Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR優(yōu)勢(shì)菌,在門(mén)水平上相似,但在屬水平上差異顯著;Fe(0)-SBBR主要以Gemmata、Planctomyces、Aridibacter、Fluviicola等屬為主;Fe(Ⅱ)-SBBR主要以Thermomonas、Aridibacter、Bacillus、Paracoccus等屬為主; Fe(Ⅲ)-SBBR主要以Planctomyces、Bacillus、Nostocoida、Aridibacter等屬為主;其中,Aridibacter對(duì)腈綸廢水中聚合有機(jī)物可能有特殊降解能力.

3.3 Fe(0)-SBBR對(duì)對(duì)照組SBBR中處于相對(duì)劣勢(shì)的菌有很好的刺激生長(zhǎng)作用;Fe(0)和Fe(Ⅲ)對(duì)微生物群落的改變大于Fe(Ⅱ).

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Analysis of microbial community structure in acrylic fiber wastewater treated by different valence forms of iron.

XIE Hui-na, WANG Ya-e*, LI Jie, ZHAO Wei, JI Bin

(School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)., 2018,38(9)：3406~3412

Different reactors (SBBR, Fe(0)-SBBR, Fe(Ⅱ)-SBBR, Fe(Ⅲ)-SBBR) were employed in this paper to investigate the treating processes of acrylic fiber wastewater by different valence forms of iron as well as the variation of microbial communities during these processes. The results showed that acrylic fiber wastewater was well treated by Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR, especially the removal rate of NH4+-N was above 90%. And, the Fe(0)-SBBR worked best throughout the entire operating cycle. Illumina MiSeq high throughput sequencing was also utilized to analyze the structure of microbial communities during the processes. It was found that the dominant bacteria were significantly different at the genus level between Fe(0)/Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)-SBBR systems.、、、were the dominant genera in Fe(0)-SBBR.、、、were the dominant genera in Fe(Ⅱ)-SBBR.、、、were the dominant genera in Fe(Ⅲ)-SBBR. Compared with control group SBBR, Fe (0)-SBBR could strongly stimulate the growth of bacteria which were at a relative disadvantage. Moreover, the change of microbial community by Fe (0) and Fe (Ⅲ) were greater than that by Fe (Ⅱ).

different valence forms of iron；illumina miseq high throughput sequencing；acrylic fiber wastewater；microbial community structure

X703

A

1000-6923(2018)09-3406-07

謝慧娜(1988-),女,河南漯河人,蘭州交通大學(xué)博士研究生,研究方向?yàn)樗廴究刂?發(fā)表論文3篇.

2018-01-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51468030)

* 責(zé)任作者, 教授, wye@mail.lzjtu.cn