实验室里，几只大鼠在特制笼舍中自由呼吸，它们的每一次呼气都被电化学传感器捕捉，转化为实时更新的空气毒性数据。这不是科幻场景，而是北大环境科学与工程学院要茂盛教授团队开创的“活体传感”技术现场。

近期，要茂盛团队开发了一套空气毒性活体监测系统，实现了对空气污染健康效应的原位、实时、在线监测，为优化空气污染控制策略和公众健康防护提供独一无二的技术支撑。成果陆续在国际学术期刊《环境科学与技术》上发表。

要茂盛

从美国留学归国扎根燕园工作已将近20年，要茂盛带领团队在生物安全与空气污染监测领域开辟出一条自主创新之路，用科技“利器”为公众健康筑起“隐形”屏障。

从“事后化验”到“实时预警”的范式革命

“这些小家伙是不换岗的环境卫士。”在北京大学和呼和浩特监测站，几只大鼠正在打盹，它们的每次呼吸数据通过物联网同步到云端。要茂盛可以通过手机实时看到当时当地的空气毒性。“大鼠对空气污染非常敏感，整个系统每隔3秒探测空气毒性一次。”

这套监测仪器，完全不同于传统“采样-染毒-分析”的气溶胶毒性研究模式。它通过实时分析活体呼出气中标志物状态反演空气毒性，在时效和灵敏度上实现了跨越式的突破。为了实现“实时感知空气毒性”这个目标，要茂盛深耕了20年。

2007年初到北大工作时，国内空气污染研究正热，但对国外仪器的依赖相当严重。团队早期从空气中的流感病毒等生物气溶胶入手，尝试用单个污染物检测传感技术来实现对生物危害的感知，这也是要茂盛团队BioSTAND®的雏形。但空气成分复杂、种类繁多让他们很快意识到，单一指标难以精准描绘空气污染的真实状况，不能很好地保护人群健康。

传统方法涉及仪器设备昂贵，程序繁杂，需要花费大量时间采集空气样品，再洗脱染毒分析健康效应，不仅耗时费力，也很难准确实时地反映空气污染对健康的影响。缺乏有效健康数据，空气污染的精准控制遇到瓶颈。

此外，当前的空气污染监测标准仍聚焦于PM_2.5质量浓度，然而这一指标难以直接反映污染物对人体健康的危害。“这种依赖单一质量浓度指标而忽视成分毒性效应的做法，存在很大的片面性。”要茂盛如是说。

要茂盛意识到，研究要想取得突破必须走自己的路。“我们从全新的思路入手，聚焦生物体对污染物的综合反应。”在这个指导思想下，团队首先将目光转向细胞传感，利用绿色荧光蛋白标记酵母菌，当污染颗粒物暴露给酵母菌时，其上标记的氧化损伤蛋白便会发出荧光，这个方法如同给细胞装上了“信号灯”。

“酵母菌有近6000个蛋白表达基因，能响应的空气污染物种类远超传统仪器。后者大多仅能识别已知污染物，而这一新方法却能有效感知那些尚未明确的污染威胁。”要茂盛说。

然而，酵母菌的蛋白表达存在滞后性，比如暴露雾霾天气后1小时才出现信号，这对于实时预警的要求还不够。“我们需要的是‘烟雾报警器’。在细胞‘着火’之前就能探测到。”要茂盛说。这一开创性的想法，为后续的活体传感技术奠定了坚实的基础。

2020年，事情出现了转折。团队在实验中偶然发现，暴露于污染物的大鼠，其呼出气中的挥发性有机物会迅速改变。这些变化比细胞蛋白表达更能捕捉到早期的毒性信号。“这不就是大自然赐予的最灵敏的活体传感器吗？”要茂盛敏锐地抓住这个现象。

“大鼠的呼吸系统与人类相似，且对环境变化更敏感，能迅速响应空气污染物。通过实时检测大鼠呼出气中的多种生物标志物，并结合人工智能技术进行数据分析，我们就可以实现对空气毒性的精准动态监测。”要茂盛说。

要茂盛在第600次香山科学会议上作主题评述报告

要茂盛研发的系统将成本降低了两个数量级，且能无人值守运行。这项创新，如同在空气中部署了一套生物“雷达”系统。团队的成果实现了空气污染健康效应从“事后化验”到“实时预警”的范式革命。

“这可以看作污染监测的一个‘中国方案’。核心的、自主的技术只有掌握在我们自己手里，才能在科技竞争中处于更加主动的地位。”要茂盛说。

“中国方案”守护“健康中国”

“科研成果的价值不仅在于学术意义，更在于能否为社会带来实际效益。”要茂盛说。

怀揣这一追求，要茂盛团队在成果转化方面已迈出重要步伐。他们开发的基于呼出气标志物的病原体感染快速筛查技术，凭借电化学传感和人工智能分析可以在40秒实现多种病原体感染筛查，已在多地完成示范应用，目前正协同内蒙古疾病预防控制中心和首都医科大学附属北京儿童医院，推进儿童病原体感染与布鲁氏菌病的快速筛查合作。

2016年，要茂盛获颁国家技术发明二等奖

团队还将技术应用于“治未病”，通过建立特定疾病生物标志物样本库，系统分析标志物动态，有望捕捉阿尔茨海默症、癌症等疾病发生前的早期病变信号。“检测疾病症状，往往为时已晚，而呼出气藏着身体发生疾病前最早的‘求救信号’。”要茂盛展示着不同疾病特有的“呼吸指纹图”，这将为未来个性化健康管理提供全新路径。

在空气污染监测方面，团队研发的系统已在全国15个城市示范应用。该系统使得城市不同时间段空气毒性变化一目了然。“例如，在北京，我们发现中午毒性数值明显走高，人员活动排放增加，空气毒性相对较高。部分城市系统数据却揭示了凌晨时段的毒性高峰，凸显污染模式的空间差异。”要茂盛说。

除了民用领域，活体传感技术在应急响应领域也展现出潜力。搭载大鼠活体传感系统的无人机可远程探测核生化污染，在汶川地震、北京冬奥会等国家重大事件中，团队研发的技术系统已承担了灾害监测与疫情防控等重要任务。“当传统仪器还在分析已知污染物时，我们的监测系统已经可以对未知毒性物发出警报。”要茂盛说。

要茂盛（左二）团队在汶川地震救灾现场

谈到自由探索、有组织科研这两种科研方式，要茂盛认为，这本是事物的一体两面。自由探索是在自己擅长且感兴趣的领域内做到极致，而有组织科研则是将团队各自擅长的部分整合起来，形成合力，共同完成更大的科研目标。要茂盛用汽车制造形容这个过程：“有人造引擎、有人造变速箱，有人专心造轮胎、螺丝钉等，组装一辆好车，需要团队每个人的努力，各自发挥自己的优势和工匠精神。”

团队与北京工匠生物科技有限公司合作开发产品，将呼吸检测技术引入多家疾控中心与三甲医院的病原体感染筛查。要茂盛已将实验室的技术原理和方法应用到社会服务中，涵盖环境监测、疾病早期诊断、病原体安检等领域，打通了科研落地“最后一公里”。

将实验室研究成果转化为实际效益，为推动美丽中国、健康中国建设贡献智慧和力量，这是每一位科研工作者的重要使命，更是要茂盛团队一直秉承的愿景。

如今，要茂盛常往返于北京、呼和浩特两地，团队将北京大学研发的前沿技术转化落地的重要平台——在内蒙古师范大学环境健康研究院创建的“天空地环境健康移动实验室”，正积极服务着地方生态环境健康监测。

“做高价值的研究，并把它做到极致”

“在北大的成功，离不开学生的努力。”要茂盛既是良师，亦是益友。在对学生的培养中，他要求学生具有扎实的科学研究基本功和创新精神。他对学生的科研选题严格把关，要求学生挑选高价值的课题。“所谓高价值，就是有社会价值、国家关注或紧急需要，符合国家发展长远战略定位的科研项目。”要茂盛说。

要茂盛在日内瓦国际发明展览会领奖

过往经历凝练了要茂盛的科研信条——“走前沿、挑大梁、重坚持”。这也是他对学生的基本要求。他解释：“走前沿就是努力做原创性的研究；挑大梁是以国家需求作为研究方向；而坚持，是前两个目标实现的保障。”

在如此科研理念的浸润下，要茂盛的学生们已经在世界舞台崭露头角。李菁的“全球尺度大气颗粒物生物成分与毒性时空变化的研究”，陈灏轩的“基于大鼠呼出气生物标志物的空气毒性实时监测与机制研究”，均获得美国气溶胶研究协会杰出博士论文奖，该奖项每年在世界范围内只授予一人。这些学术新星在这个国际舞台上向世界展示该领域的最新进展。

李菁在美国获奖时与导师要茂盛等合影（左四要茂盛、左五李菁、右五美国国家工程院院士David Y. H. Pui）

“科研需要传承，更需要创新。我希望我的学生能够继承我的科研精神，要有敢想敢做的拼劲儿，科研就是一个敢于突破、敢于创新的过程，我相信他们都是未来的力量，能肩负起国家的科研使命。”要茂盛说。

要茂盛在科研之路上还在持续突破自己，视角新颖的成果不断涌现。在新近发布的一篇论文中，要茂盛团队揭示了一个有趣的现象。在日常交流中不同语言的使用影响人体呼出气溶胶的排放浓度和粒径分布，这一发现为理解全球疫情传播差异提供了全新视角。

在耶鲁大学从事博士后工作时，世界一流学府致力推动人类发展的实干精神就让要茂盛深受触动。自那一刻起，“科研的终极价值，在于其改变世界的可能”就成为他矢志不渝的信条。带着累累硕果，要茂盛团队正将这一信条付诸实践。

人物简介：

要茂盛，北京大学环境科学与工程学院博雅特聘教授，北京大学生物气溶胶实验室负责人，主要从事生物气溶胶与空气污染健康研究。

主持国家重大科技项目、国家自然科学基金委创新群体项目、广州国家实验室应急攻关项目等，创建了空气生物安全防御系统BioSTAND®，并实现产业化，用于北京冬奥会场馆的防疫保障。在Science、Nature、Angew Chem Intl Ed以及ES&T等SCI刊物上发表130多篇论文，研究成果获国家技术发明二等奖、北京市自然科学一等奖、第44届日内瓦国际发明展览会特别嘉许金奖、国际专业刊物卓越研究奖以及三大洲的青年气溶胶杰出贡献奖，入选中国生态环境十大科技进展。