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中国科学家研发赤潮“灭火器”走出国门
日期: 2018-11-23     查看次数: 19

日前,在第18届全球有害藻华大会上,中科院海洋研究所研究员俞志明代表中方与美国伍兹霍尔海洋研究所资深研究员唐纳德·安德森共同签署了“改性粘土技术应用于美国佛罗里达沿海赤潮治理”的合作协议。目前,首批赤潮治理材料已运抵美国,进一步确立了我国赤潮治理技术在国际上的引领地位。

改性粘土治理赤潮技术在智利沿海示范应用

赤潮被称为“近海肥胖症”,与人类活动密切相关。由于赤潮像“火灾”一样具有突发性,所以亟待行之有效的应急处置方法。由中科院海洋研究所自主研发的改性粘土治理赤潮技术被业内称之为赤潮“灭火器”,是目前我国唯一得到大规模应用的赤潮治理方法,在我国近海从南到北20多个水域得到成功应用,列入许多沿海省市赤潮灾害的应急预案中;也是目前我国为数不多、走出国门的环保技术,在智利近海养殖区成功示范应用,并与美方签署协议共同应对佛罗里达沿海的赤潮灾害,充分展示了我国赤潮治理技术在国际上的引领地位,为“一带一路”国家战略做出了贡献。

为多项重大活动提供水环境安全保障

“2005年第十届全国运动会期间,南京玄武湖爆发了蓝藻水华,那是改性粘土技术第一次从实验室走向实际应用。”俞志明告诉记者,“最终我们研发的改性粘土技术成功消除了玄武湖蓝藻水华,保障了十运会水上项目的顺利进行。”

“2008年,青岛近海,奥运会帆船赛前夕发生了86平方公里的赤潮,位置就在奥帆赛赛场附近,当时用了近40艘船,使用了320吨赤潮消除材料,连续工作了30多个小时,最终消除了发生在赛事邻近水域的卡盾藻赤潮,保障了奥帆赛的顺利进行。”俞志明表示,自那以后,改性粘土技术的应用范围不断扩大。至今已成功应用于我国沿海7个省、市、自治区的20多个水域,包括近海核电冷源取水区、近海重大活动水域、旅游景点等有害赤潮的应急处置,保障了这些水域的水环境安全,成为目前赤潮应急处置有效的“灭火器”。

被列为世界“三大水污染问题”之一

赤潮在国际上统称为有害藻华,通常指由于水体中微型生物异常增殖或聚集而导致生态系统破坏、水质恶化的异常生态现象,可发生在淡水和海水中。“海洋环境污染是近海赤潮频繁发生的主要原因,某一种藻类在水中独霸了,就成为灾害了。”俞志明告诉记者,“赤潮会对海洋生态平衡、海洋渔业和水产资源造成破坏,危害人类健康,影响旅游业的发展。近年来,有害藻华几乎遍及世界所有国家沿海和内陆湖泊,被称之为目前世界‘三大水污染问题’之一。”

赤潮在我国从南到北近岸海域频繁发生,根据国家海洋局发布的《中国海洋环境状况公报》(2013-2017年)、《中国海洋灾害公报》(2013-2017年),近5年我国近海发生赤潮55次/年、年平均影响面积超过5000平方公里,影响范围覆盖我国近海大部分海域。从赤潮的暴发频次来看,近年来赤潮发生呈现明显的增多趋势。

赤潮生物快速增殖或大量聚集,会改变生态系统的平衡关系,降低水体的生物多样性、并随食物链传递,对海域生态系统的功能和稳定性构成威胁;除此之外,会大量消耗水体中的溶解氧,促使低氧现象加剧、从而对底栖生态环境构成威胁;赤潮发生期间,水色发生改变,有时会产生大量泡沫、并伴随异味产生,对近海生态环境和旅游业造成不利影响;有些赤潮生物可产生和释放毒素,发生在养殖区的赤潮会导致养殖生物的缺氧、中毒死亡,引发巨大的经济损失;人类若误食了含有毒素的海产品,则会发生腹泻、麻痹神经等不良反应,从而对人类健康构成威胁;有些赤潮,如球形棕囊藻赤潮,会产生大量囊体,若是发生在核电冷源取水区,则可能堵塞核电冷源取水系统,从而威胁滨海核电冷源安全。

赤潮灾害如同火灾一样具有突发性,需要应急处置,所以长期以来人们在寻找一种像“灭火器”一样的赤潮灾害控制方法。理论上讲,有很多方法可以治理赤潮。考虑到治理方法的生态环境效应、大规模使用的成本等问题,迄今为止,很多方法只停留在理论研究和实验阶段,能够现场实际应用的方法很少,人们往往只能望“潮”兴叹。

破解国际难题大幅提高治理效率

“改性粘土治理赤潮技术能够有效治理大规模有害赤潮,其原理主要基于粘土颗粒和赤潮生物细胞间的絮凝作用。”俞志明表示,“天然粘土对赤潮生物絮凝效率低、现场用量大、对环境存在潜在影响,从而制约了此类方法的现场大规模应用。经过表面改性的粘土材料对赤潮生物的絮凝效率大大提高,能够快速、有效的降低水中赤潮生物浓度,现场应用半小时后水色即可明显改善。此外,改性粘土材料还可抑制水体中残留赤潮生物的继续萌发和生长,从而达到快速控制赤潮的作用。”

经过20多年的理论研究、技术创新和现场应用,该技术突破了天然粘土矿物治理赤潮效率低、用量大、淤积重、难以大规模应用的国际难题。以赤潮生物细胞与粘土颗粒相互作用机理研究为基础,在国际上首次提出了提高赤潮治理效率的粘土表面改性理论与方法,研制出治理效率提高几十到几百倍的改性粘土材料,并研发了与之配套的自动、高效、一体化的专用喷洒装备,在我国近海建立了若干个改性粘土治理有害赤潮综合应用体系和示范工程。

据悉,该技术已获得海洋工程科学技术奖(发明类)一等奖、山东省专利奖一等奖等,成为沿海省市赤潮灾害应急预案的重要处置方法,对国内外海洋环境保护、有害赤潮治理技术进步起到了显着的推动作用。同时,该技术还列入“赤潮灾害处理技术指南”(GB/T 30743-2014),并在联合国教科文组织-APEC联合出版的“近岸有害赤潮监测与管理对策”一书中得到推荐,成为国内外有害赤潮治理的推荐和标准方法。

绿色环保可改善水质和生态环境

针对青岛地区浒苔的发生,俞志明表示,“改性粘土技术是针对微藻形成的赤潮研发的治理技术,与浒苔是两回事。浒苔属于大藻,可以打捞,微藻捞不起来。然而我们做过室内及现场实验,当浒苔还处于微观繁殖体阶段时,其体长仅为十几至几十微米,与常规赤潮藻细胞相仿;这时如果使用改性粘土技术,可以对其微观繁殖体做到有效消除,从理论上讲能够对浒苔起到早期防控的作用。”

“改性粘土是以天然粘土矿物为原料,根据粘土表面改性理论制备而成。其主要组分为硅、铝等化合物,这也是大地土壤和海洋沉积物的主要成分。所以改性粘土具有成本低、绿色环保的特点。”据俞志明介绍,“使用量为每平方公里4—10吨,即每平方米4—10克。通过对十几种不同生长期的典型养殖生物,如对中国对虾、日本对虾、太平洋牡蛎、虾夷扇贝、仿刺参稚参、三文鱼等影响的实验结果表明,改性粘土在有效消除赤潮的同时,不会对这些典型生物产生不良影响。用户及第三方跟踪监测均未发现在改性粘土实施现场有其他养殖和水生生物死亡等现象。”

“同时,改性粘土还可降低水体中营养盐含量,具有改善水质、抑制有害赤潮再次暴发的功能。第三方评估结果表明,应用改性粘土技术对南京玄武湖蓝藻水华治理后,玄武湖长出了水草,浮游植物种类增加,透明度大幅提高,水质和浮游植物群落得到改善。”俞志明告诉记者,“最好的生态系统就是草类湖,应用改性粘土技术后,该水域水质得到净化,透明度增加,底部种子长了起来,再加上其它针对性的截污、环保措施,使得该水域的生态系统得到恢复、并实现了良性循环。”

首携自主知识产权技术走进智利

改性粘土在国内的大规模应用,为其进一步推广奠定了基础。针对国际热点问题、破解赤潮治理难题,使得改性粘土技术成为国内为数不多走向世界的新型环保技术。在国内大范围应用后,俞志明团队将改性粘土治理赤潮技术带出了国门。

2015年,智利暴发了大规模赤潮,对包括三文鱼在内的近海养殖业造成了数十亿美元的损失,并引发社会动荡。“当时智利并没有想到用中国技术去解决问题,而是想去韩国。结果赤潮研究领域的权威专家安德森告诉智利相关负责人,中国的技术比韩国更先进,所以智利代表团来到了中国。”俞志明告诉记者,“针对困扰智利近海养殖业的赤潮问题,2016年10月,智利政府组织了由政府部门、养殖企业和科研院所等人员组成的代表团慕名来华参观和学习了由我们团队研发的改性粘土治理赤潮技术,并与我们签署了多份合作协议。”

2017年6月,国际化大型养殖健康集团Virbac在智利的分公司代表智方与中科院海洋所签署了改性粘土技术应用于智利近岸赤潮治理的战略合作协议及改性粘土技术相关产品独家代销协议。根据该协议,中科院海洋所研发了针对智利近岸养殖区的赤潮治理材料——一种新型改性粘土,并通过了国际第三方美国伍兹霍尔海洋研究所检测,2017年12月正式启运、出口智利。

2018年3月,中科院海洋研究所俞志明团队一行4人应邀赴智利对改性粘土治理赤潮技术进行了现场服务与示范,在当地引起了强烈反响,有报道称,俞志明及其工作团队提供的治理赤潮方案是革新性的,是赤潮的“灭火器”。中国科学家首次携自主知识产权的环保技术走进智利,为两国在环保与可持续发展领域务实合作树立起良好范例”。

“牵手”美国在国际上具有示范意义

自2017年11月以来,美国佛罗里达州沿岸暴发大规模赤潮,持续近1年,导致大量海生物死亡及近海旅游业的经济损失,并对人类健康构成威胁。这一严重的生态灾害在全球范围内引起广泛关注。

“能跟美国签署合作协议很难,他们对外来技术要求严格,要进行各种检测、甚至包括核辐射检测等,一个外国技术要应用到他们的海域,难度可想而知。美国对我们研发的改性粘土技术的认可,也代表了我们的技术在环保等各个性能方面的优势,这在国际上具有很强的示范意义。”俞志明表示,“首批运抵美国的材料共300公斤,在7000——8000平方米水域进行实验,第二批材料和改性粘土专用喷发设备也已经运往美国。”

双重效益显现未来主攻养殖领域

改性粘土材料在有效消除有害赤潮的同时,还能吸附水体中的营养盐、有机质等,具有降低水体富营养化、净化水质、抑制赤潮再次暴发等作用。目前,针对不同用户需求和赤潮生物特点,俞志明团队已研发出适合于不同水体,如养殖、核电冷却、普通景观、重大活动等的系列改性粘土材料。

“这么多年的应用带来更多的是社会效益和间接的经济效益。比如近海核电冷源取水区有害赤潮的应急处置,核电停电一天一个机组损失就高达上千万元,我们研发的技术就可以帮助他们减轻或避免损失,节省这笔费用。”俞志明认为,“对赤潮消除材料和设备的生产企业来说,这既是一种环保材料,附加值又高,也可以成为其新的利润增长点。我们与企业是技术支持的合作模式,比如出现赤潮后使用何种材料、如何使用,我们提供技术指导。针对不同用户的需求,我们不断研发应对不同赤潮藻的方法,‘对症下药’并且进行推广。”

“赤潮是全球性的问题,养殖领域将成为我们下一步的重点发展方向。”俞志明表示,“福建养殖业有很多养殖品种,其中以鲍鱼的经济价值较高,我们将针对鲍鱼,对养殖水体赤潮治理开展进一步研究。而东南亚、智利等地区的养殖业也较为发达,我们计划对‘一带一路’沿线国家和地区进行改性粘土治理赤潮技术的推广,让这项技术应用到更多国家和地区,在越来越多的领域得到应用。”

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