快速診斷污染頑疾 “土壤醫(yī)生”開出綠色藥方

　　相對于化學(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。植物在生長發(fā)育過程中，會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——自然科學(xué)特等獎。

　　可簡短、快速檢測出土壤中抗生素

　　該項(xiàng)目自2004年開展研究以來，在我國多地進(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)測了抗生素濫用導(dǎo)致的土壤污染問題。“考慮到我國幅員遼闊、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。”研究團(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)重威脅我國的生態(tài)安全，并對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“掃雷”的盲點(diǎn)。

　　對于土壤污染的診斷，采用傳統(tǒng)的分析方法，需要使用大量的有毒有害試劑。這不僅會產(chǎn)生新的環(huán)境污染問題，而且還可能會對環(huán)境監(jiān)測人員的健康產(chǎn)生傷害；同時，傳統(tǒng)分析方法耗時耗力，一個土壤樣品的分析通常要數(shù)個小時，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就可以完成，簡便快捷，節(jié)省人力物力，非常適合我國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�活中使用微波爐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)。”胡獻(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，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。基于創(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)上像打開一個普通的小程序一樣、像查看天氣預(yù)報(bào)一樣，隨時隨地查看我國的土壤健康情況，服務(wù)于我國政府和環(huán)保部門管理政策的制定。”胡獻(xiàn)剛說。

　　目前，南開大學(xué)與中國環(huán)境科學(xué)研究院聯(lián)合開展的土壤污染場地的智能識別研究，正在利用人工智能中的機(jī)器學(xué)習(xí)算法對我國土壤健康進(jìn)行診斷、預(yù)測分析，服務(wù)于我國土壤環(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。”胡獻(xiàn)剛介紹，植物在生長發(fā)育過程中，會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，收獲后的農(nóng)作物因?yàn)榛ɑ苤参飳ξ廴疚锏母綦x作用使其污染物吸收受到限制可以進(jìn)入市場，用于吸收土壤污染物的花卉植物可以流入市場作為景觀植物，也可以回收繼續(xù)研究。

　　不會對人體、環(huán)境造成危害和負(fù)擔(dān)

　　大家可能會擔(dān)心，完成污染土壤修復(fù)使命的花卉植物流入市場后如何處理，會不會對人體造成危害，或是對環(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。”胡獻(xiàn)剛表示，“因此不會對人體造成危害，也不會給環(huán)境帶來新的負(fù)擔(dān)。”

　　首先，花卉吸收污染物后不會被食用，而是作為商品出售供觀賞，因此重金屬、多環(huán)芳烴或抗生素不會進(jìn)入食物鏈，影響人體健康。當(dāng)花卉的觀賞價值“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，并不會對人體造成危害。

　　據(jù)了解，花卉植物修復(fù)周期較長，平均需要2年的修復(fù)時間。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)用于我國石油污染土壤的診療。

　　“我國在石油開采、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。”胡獻(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代表性的石油污染場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；同時也是碳排放的“源”，也會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，我國碳達(dá)峰、碳中和必定會引來一個令人鼓舞的全新階段。