滴灌是目前应用最为广泛的精量高效节水灌溉技术之一，已成为农业实现节水、高产、高效的重要技术平台。灌水器堵塞是制约滴灌技术应用、推广的国际性难题。而我国水资源紧缺与水环境污染并重，滴灌水源复杂多样，再生水、沼液等劣质水也常作为滴灌水源。劣质水中大量微生物导致的灌水器生物堵塞问题极为突出，使得灌水器堵塞机理更复杂、风险更高。传统加酸氯生物堵塞控制方法极易造成土壤和作物健康风险，且容易引发微生物的抗性导致堵塞控制效果不佳。为此，李云开教授团队围绕灌水器生物堵塞的形成机制、绿色高效控制开展了系统研究。破解了灌水器生物污垢形成的微生物-水动力学耦合作用机理，提出了以生物污垢为靶向的灌水器流道漩涡洗壁与多途径杀菌控垢策略。建立了水磁化和电化学两种生物堵塞的水质活化绿色控制新方法，揭示了水质活化方法控制灌水器生物污垢的微生物分子生态学作用机制，并构建了水质活化生物污垢控制技术高效应用模式。主要研究成果如下所述：
针对灌水器流道尺寸狭小（0.5-1.2mm）、半封闭式特征导致的流道附生生物污垢难以原位、无损监测的难题，借助工业CT成像+染色+逆建模多种技术获取了流道生物污垢的空间分布特征，采用CFD计算流体动力学方法明确了生物污垢附下流道内的水动力学特征，首次量化了流道内部水动力学-生物堵塞污垢形成的动态互匮关系；借助16s rRNA基因测序技术探明了近壁面水力剪切力对生物污垢内微生物总量、组成和丰度的影响，识别了诱发生物污垢形成的关键菌群。破解了滴灌系统生物堵塞形成的微生物-水动力学耦合作用机理（图1）。在此基础上提出了以控制生物污垢为靶向的流道漩涡洗壁优化设计方法，巧妙地利用流道的漩涡区来实现流道壁面生物污垢的自清洗。
图1 生物污垢形成的微生物-水动力学耦合作用机理与调控策略
提出了一种水磁化水质活化生物污垢控制新方法，自主研发了直流脉冲磁化发生装置，发现水磁化处理使得生物污垢总量减少了29.1%-53.8%。借助X射线衍射和晶体结构精修方法明确了水磁化对灌水器生物污垢内矿物沉淀的影响，研究表明水磁化通过介导水源中水分子簇分散、质子转移和晶体成核直接控制了碳酸盐和磷酸盐的形成。进一步利用PLFAs标记和16s rRNA测序等技术，探明了水磁化对生物污垢内微生物总量、微生物分泌的胞外聚合物和微生物群落结构的影响，明确了水磁化对微生物种间互作关系和关键菌群的影响，解析了磁化水在微生物群落结构（关键/优势菌）-堵塞物质成分（EPS/沉淀）-堵塞行为的链级作用机理（图2）。
图2 水磁化水质活化方法对生物污垢的控制
构建了电化学产生活性氧/氯的水质活化生物污垢控制新方法，搭建了阳极为Ti/SnO2+Sb2O3的升流式电化学活化装置，发现电化学处理下生物污垢生物量减少了37.5%-79.9%。借助Illumina Miseq高通量测序结合分子生态网络分析揭示了活性物质控制灌水器附生生物污垢形成的微生物分子生态学机制（图3）。发现电化学处理显着改变了生物污垢中的细菌群落结构，降低了群落的多样性，并改变了优势物种。细菌网络的复杂性和大小在电化学处理下不稳定，降低了细菌物种之间的相互作用。细菌群落和网络的重建是细胞外聚合物和生物污垢生物量下降的原因。然而，电化学处理后耐氯细菌增加，间歇电化学处理较连续电化学处理有更低的菌群相对丰度和更高的生物污垢去除率。
图3 电化学水质活化方法对污垢内微生物网络的影响
建立的水质活化方法为解决滴灌系统灌水器生物堵塞探索了新途径，效果明显优于传统加氯方法，且避免了加酸氯等化学方法导致的土壤和作物健康风险。相关的研究成果于2021年度在Journal of Hazardous Materials期刊（ESI<10%，IF=10.58）发表论文3篇（见链接）、授权国家发明专利1项。微生物-水动力学耦合作用机理一文被审稿人评价为“This study provides novel insights into the control of biofouling in complex flow paths”，水磁化控制生物污垢新方法发表当年就已被西班牙、比利时等国知名专家引用8次，电化学控制生物污垢方法被审稿人评价为“A good work to reveal the impacts of ECT on microbial communities and interactions”。水质活化控制灌水器堵塞的方法在北京市科协全国科技工作者直播节目进行了报道，并通过云上智农等平台开展了线上技术培训，总观看人次大于2万人。
周博副教授、博士后肖洋、博士后宋鹏分别为三篇论文的第一作者，博士生侯鹏、刘泽元、马常健，硕士生林雨飞、刘文超、沈岩、张家鼎，普林斯顿大学Zhiyong Ren教授，昆士兰大学Stefano Freguia教授，美国农业部John P. Brooks研究员和阿尔巴尼大学Yaoze Liu副教授参与了本项研究。本研究受到了国家自然科学基金重大项目（51790531）、面上项目（52079139）、国家重点研发计划课题（2017YFD0201504）、中国农业大学高水平创新团队等项目资助。
代表性论文1:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389421009018
代表性论文2:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389420312541
代表性论文3:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389420316022
