快速診斷污染頑疾 “土壤醫(yī)生”開出綠色藥方
快速診斷污染頑疾 “土壤醫(yī)生”開出綠色藥方
相對(duì)于化學(xué)法和物理法修復(fù)污染土壤的弊端，利用生物或生態(tài)的方法修復(fù)污染土壤具有成本低、安全可控的優(yōu)勢(shì)。植物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中，會(huì)將土壤中的污染物吸取到體內(nèi)，達(dá)到土壤凈化的目的，就像森林吸收水分、陽光、二氧化碳一樣，基本不需要消耗能源，且能達(dá)到凈化環(huán)境的目的。
胡獻(xiàn)剛
南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授
人生病了，可以去看醫(yī)生。那么，土壤生病了怎么辦？隨著城市工業(yè)飛速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻。其中，大氣和水污染早已引起人們的警覺。而土壤污染由于過于隱匿，往往需要通過儀器設(shè)備采樣檢測(cè)才能被診斷出來。
由南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)術(shù)委員會(huì)主任周啟星教授帶隊(duì)研究的“典型區(qū)土壤污染診斷及修復(fù)植物的響應(yīng)機(jī)制”項(xiàng)目就好比一位土壤醫(yī)生，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤中典型污染物(重金屬、多環(huán)芳烴和抗生素等)的快速與多維度精準(zhǔn)診斷，開創(chuàng)了花卉植物修復(fù)污染土壤的新領(lǐng)域。近日，該科技成果獲得了2020年度天津市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)——自然科學(xué)特等獎(jiǎng)。
可簡(jiǎn)短、快速檢測(cè)出土壤中抗生素
該項(xiàng)目自2004年開展研究以來，在我國(guó)多地進(jìn)行試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析，最終系統(tǒng)闡明了我國(guó)典型工業(yè)化城市土壤重金屬和無公害蔬菜基地抗生素污染時(shí)空分布的特征與發(fā)生機(jī)制。其中，重金屬土壤污染主要出現(xiàn)在我國(guó)典型的工業(yè)化城市，而抗生素土壤污染主要出現(xiàn)在無公害蔬菜基地。
10年前，周啟星在實(shí)地調(diào)研基礎(chǔ)上就察覺并率先準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了抗生素濫用導(dǎo)致的土壤污染問題�！翱紤]到我國(guó)幅員遼闊、無公害蔬菜基地眾多，迫切需要快速診斷土壤中抗生素的方法，以保障人民群眾的食品安全�！毖芯繄F(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)骨干、南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院胡獻(xiàn)剛教授介紹說，“確如我的導(dǎo)師周啟星老師的預(yù)判，近年來，土壤抗生素污染已嚴(yán)重威脅我國(guó)的生態(tài)安全，并對(duì)人體健康造成重大隱患。”盡管抗生素的環(huán)境暴露已逐漸引起國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注，但作為菜籃子的無公害蔬菜基地中抗生素的殘留情況及污染診斷，未引起人們重視，也未見系統(tǒng)的研究，形成了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)“掃雷”的盲點(diǎn)。
對(duì)于土壤污染的診斷，采用傳統(tǒng)的分析方法，需要使用大量的有毒有害試劑。這不僅會(huì)產(chǎn)生新的環(huán)境污染問題，而且還可能會(huì)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)人員的健康產(chǎn)生傷害；同時(shí)，傳統(tǒng)分析方法耗時(shí)耗力，一個(gè)土壤樣品的分析通常要數(shù)個(gè)小時(shí)，方法比較“笨拙”。
周啟星和研究團(tuán)隊(duì)一起，利用微波輔助萃取的方法，能簡(jiǎn)短、快速地將土壤中的抗生素污染物提取出來，從制樣到分析半小時(shí)就可以完成，簡(jiǎn)便快捷，節(jié)省人力物力，非常適合我國(guó)大面積土壤污染的快速診斷。
“微波輔助萃取方法類似我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂梦⒉t加熱食品或解凍食品的過程，通過微波處理樣品，迅速加熱溶劑(食品加熱主要加熱水分子)，使加熱的極性溶劑能與土壤充分反應(yīng)�！焙I(xiàn)剛介紹說，在本項(xiàng)目基礎(chǔ)上，他們最近又取得重大突破——利用了人工智能的方法，通過大數(shù)據(jù)分析，用算法代替人工實(shí)驗(yàn)操作，在數(shù)分鐘內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)土壤污染的快速診斷與預(yù)測(cè)，并能達(dá)到防患于未然的目的。
“將人工智能與土壤健康診斷結(jié)合是科技發(fā)展的必然趨勢(shì)�；趧�(chuàng)新性科學(xué)理論和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)理統(tǒng)計(jì)分析，將來有望在手機(jī)上像打開一個(gè)普通的小程序一樣、像查看天氣預(yù)報(bào)一樣，隨時(shí)隨地查看我國(guó)的土壤健康情況，服務(wù)于我國(guó)政府和環(huán)保部門管理政策的制定�！焙I(xiàn)剛說。
目前，南開大學(xué)與中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院聯(lián)合開展的土壤污染場(chǎng)地的智能識(shí)別研究，正在利用人工智能中的機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)我國(guó)土壤健康進(jìn)行診斷、預(yù)測(cè)分析，服務(wù)于我國(guó)土壤環(huán)境基準(zhǔn)的推導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)的制修訂。
利用生物或生態(tài)的方法修復(fù)污染土壤
土壤醫(yī)生為土壤診斷出癥疾所在后，下一步就是治。
當(dāng)前治療污染土壤的方法和技術(shù)眾多，從大類上分為化學(xué)法、物理法、生物法和生態(tài)法。化學(xué)法和物理法的優(yōu)勢(shì)是比較快速，但是存在修復(fù)成本高、修復(fù)過程中產(chǎn)生新污染的問題，嚴(yán)重阻礙了污染土壤修復(fù)技術(shù)的實(shí)際推廣和應(yīng)用。
為了解決上述問題，周啟星等率先開展了花卉植物的系統(tǒng)篩選研究，在發(fā)現(xiàn)球果蔊菜、紫茉莉和孔雀草等超積累或修復(fù)花卉基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了一系列低廉高效生態(tài)的協(xié)同或強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)。特別是，在上述發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新基礎(chǔ)上，項(xiàng)目成果深入探討并揭示了其中的機(jī)理，進(jìn)而形成了土水污染修復(fù)與治理原理。
“相對(duì)于化學(xué)法和物理法修復(fù)污染土壤的弊端，利用生物或生態(tài)的方法修復(fù)污染土壤具有成本低、安全可控的優(yōu)勢(shì)�！焙I(xiàn)剛介紹，植物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中，會(huì)將土壤中的污染物吸取到體內(nèi)，達(dá)到土壤凈化的目的，就像森林吸收水分、陽光、二氧化碳一樣，基本不需要消耗能源，且能達(dá)到凈化環(huán)境的目的。
在周啟星的努力下，該項(xiàng)目組在與農(nóng)業(yè)部環(huán)保監(jiān)測(cè)所合作下，將花卉植物修復(fù)技術(shù)在污染農(nóng)業(yè)區(qū)推廣，指導(dǎo)農(nóng)民將具有修復(fù)能力的花卉植物與農(nóng)作物如馬鈴薯、番薯間套作生長(zhǎng)，收獲后的農(nóng)作物因?yàn)榛ɑ苤参飳?duì)污染物的隔離作用使其污染物吸收受到限制可以進(jìn)入市場(chǎng)，用于吸收土壤污染物的花卉植物可以流入市場(chǎng)作為景觀植物，也可以回收繼續(xù)研究。
不會(huì)對(duì)人體、環(huán)境造成危害和負(fù)擔(dān)
大家可能會(huì)擔(dān)心，完成污染土壤修復(fù)使命的花卉植物流入市場(chǎng)后如何處理，會(huì)不會(huì)對(duì)人體造成危害，或是對(duì)環(huán)境造成二次污染？
“用于污染土壤修復(fù)的超積累或修復(fù)植物(對(duì)污染物有偏好性吸收或高降解能力的植物)將土壤中的污染物轉(zhuǎn)移到體內(nèi)之后，可用于觀賞或其他不被人密切接觸的用途�！焙I(xiàn)剛表示，“因此不會(huì)對(duì)人體造成危害，也不會(huì)給環(huán)境帶來新的負(fù)擔(dān)�！�
首先，花卉吸收污染物后不會(huì)被食用，而是作為商品出售供觀賞，因此重金屬、多環(huán)芳烴或抗生素不會(huì)進(jìn)入食物鏈，影響人體健康。當(dāng)花卉的觀賞價(jià)值“用”完之后，可以通過垃圾收集和衛(wèi)生填埋，超積累或修復(fù)植物的生物量處理問題也就迎刃而解了。其次，即使污染物通過花卉植物釋放到空氣中，但由于花卉基數(shù)小，單株植物污染物含量釋放到環(huán)境中背景值含量低，并不會(huì)對(duì)人體造成危害。
據(jù)了解，花卉植物修復(fù)周期較長(zhǎng)，平均需要2年的修復(fù)時(shí)間。通過周啟星等成功開發(fā)的一系列低廉高效生態(tài)協(xié)同或強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)，可以縮短到1年左右。
土壤污染的快速診斷與綠色修復(fù)是我國(guó)當(dāng)前土壤環(huán)境安全的重要課題。周啟星當(dāng)前主持的科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，將上述技術(shù)方法進(jìn)一步提升和創(chuàng)新，并應(yīng)用于我國(guó)石油污染土壤的診療。
“我國(guó)在石油開采、冶煉和貯運(yùn)過程中，導(dǎo)致的土壤石油污染問題，已成為一件令政府和企業(yè)都很頭疼的事情�！焙I(xiàn)剛介紹說，“周老師正在帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)，通過開展利用修復(fù)植物、降解或產(chǎn)電微生物、納米材料以及電化學(xué)技術(shù)等多種手段相結(jié)合的方法，嘗試探索出一條快速診斷石油烴污染、去除石油烴污染物的新方法�！�
據(jù)介紹，該方法目前已在我國(guó)代表性的石油污染場(chǎng)地取得了較好的效果。
土壤在碳達(dá)峰、碳中和上扮演了重要的角色。周啟星指出，土壤既是碳固定的“匯”，發(fā)揮控制碳排放的作用；同時(shí)也是碳排放的“源”，也會(huì)不斷釋放含碳的溫室氣體到大氣環(huán)境中。他表示，如何有效地發(fā)揮土壤碳的負(fù)排放，是土壤健康診療的新使命和新課題。
周啟星相信，隨著土壤健康新功能的開發(fā)和使用，我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和必定會(huì)引來一個(gè)令人鼓舞的全新階段。
