快速診斷污染頑疾 “土壤醫(yī)生”開出綠色藥方

　　相對於化學法和物理法修復污染土壤的弊端，利用生物或生態(tài)的方法修復污染土壤具有成本低、安全可控的優(yōu)勢。植物在生長髮育過程中，會將土壤中的污染物吸取到體內，達到土壤凈化的目的，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，且能達到凈化環(huán)境的目的。

　　胡獻剛

　　南開大學環(huán)境科學與工程學院教授

　　人生病了，可以去看醫(yī)生。那麼，土壤生病了怎麼辦？隨著城市工業(yè)飛速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴峻。其中，大氣和水污染早已引起人們的警覺。而土壤污染由於過於隱匿，往往需要通過儀器設備採樣檢測才能被診斷出來。

　　由南開大學環(huán)境科學與工程學院學術委員會主任周啟星教授帶隊研究的“典型區(qū)土壤污染診斷及修復植物的響應機制”項目就好比一位土壤醫(yī)生，實現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診斷，開創(chuàng)了花卉植物修復污染土壤的新領域。近日，該科技成果獲得了2020年度天津市科學技術獎——自然科學特等獎。

　　可簡短、快速檢測出土壤中抗生素

　　該項目自2004年開展研究以來，在我國多地進行試點實驗、數據分析，最終系統(tǒng)闡明瞭我國典型工業(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佈的特徵與發(fā)生機制。其中，重金屬土壤污染主要出現在我國典型的工業(yè)化城市，而抗生素土壤污染主要出現在無公害蔬菜基地。

　　10年前，周啟星在實地調研基礎上就察覺並率先準確預測了抗生素濫用導致的土壤污染問題。“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。”研究團隊學術骨幹、南開大學環(huán)境科學與工程學院胡獻剛教授介紹説，“確如我的導師周啟星老師的預判，近年來，土壤抗生素污染已嚴重威脅我國的生態(tài)安全，並對人體健康造成重大隱患。”儘管抗生素的環(huán)境暴露已逐漸引起國內外普遍關注，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)境風險“掃雷”的盲點。

　　對於土壤污染的診斷，採用傳統(tǒng)的分析方法，需要使用大量的有毒有害試劑。這不僅會産生新的環(huán)境污染問題，而且還可能會對環(huán)境監(jiān)測人員的健康産生傷害；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個小時，方法比較“笨拙”。

　　周啟星和研究團隊一起，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日常生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。”胡獻剛介紹説，在本項目基礎上，他們最近又取得重大突破——利用了人工智慧的方法，通過大數據分析，用演算法代替人工實驗操作，在數分鐘內就能實現土壤污染的快速診斷與預測，並能達到防患于未然的目的。

　　“將人工智慧與土壤健康診斷結合是科技發(fā)展的必然趨勢。基於創(chuàng)新性科學理論和嚴謹的數理統(tǒng)計分析，將來有望在手機上像打開一個普通的小程式一樣、像查看天氣預報一樣，隨時隨地查看我國的土壤健康情況，服務於我國政府和環(huán)保部門管理政策的制定。”胡獻剛説。

　　目前，南開大學與中國環(huán)境科學研究院聯合開展的土壤污染場地的智慧識別研究，正在利用人工智慧中的機器學習演算法對我國土壤健康進行診斷、預測分析，服務於我國土壤環(huán)境基準的推導和標準的制修訂。

　　利用生物或生態(tài)的方法修復污染土壤

　　土壤醫(yī)生為土壤診斷出癥疾所在後，下一步就是治。

　　當前治療污染土壤的方法和技術眾多，從大類上分為化學法、物理法、生物法和生態(tài)法。化學法和物理法的優(yōu)勢是比較快速，但是存在修復成本高、修復過程中産生新污染的問題，嚴重阻礙了污染土壤修復技術的實際推廣和應用。

　　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)現毬果蔊菜、紫茉莉和孔雀草等超積累或修復花卉基礎上，成功開發(fā)了一系列低廉高效生態(tài)的協(xié)同或強化修復技術。特別是，在上述發(fā)明、發(fā)現和創(chuàng)新基礎上，項目成果深入探討並揭示了其中的機理，進而形成了土水污染修復與治理原理。

　　“相對於化學法和物理法修復污染土壤的弊端，利用生物或生態(tài)的方法修復污染土壤具有成本低、安全可控的優(yōu)勢。”胡獻剛介紹，植物在生長髮育過程中，會將土壤中的污染物吸取到體內，達到土壤凈化的目的，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，且能達到凈化環(huán)境的目的。

　　在周啟星的努力下，該項目組在與農業(yè)部環(huán)保監(jiān)測所合作下，將花卉植物修復技術在污染農業(yè)區(qū)推廣，指導農民將具有修復能力的花卉植物與農作物如馬鈴薯、番薯間套作生長，收穫後的農作物因為花卉植物對污染物的隔離作用使其污染物吸收受到限制可以進入市場，用於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)境造成危害和負擔

　　大家可能會擔心，完成污染土壤修復使命的花卉植物流入市場後如何處理，會不會對人體造成危害，或是對環(huán)境造成二次污染？

　　“用於污染土壤修復的超積累或修復植物(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移到體內之後，可用於觀賞或其他不被人密切接觸的用途。”胡獻剛表示，“因此不會對人體造成危害，也不會給環(huán)境帶來新的負擔。”

　　首先，花卉吸收污染物後不會被食用，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入食物鏈，影響人體健康。當花卉的觀賞價值“用”完之後，可以通過垃圾收集和衛(wèi)生填埋，超積累或修復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，但由於花卉基數小，單株植物污染物含量釋放到環(huán)境中背景值含量低，並不會對人體造成危害。

　　據了解，花卉植物修復週期較長，平均需要2年的修復時間。通過周啟星等成功開發(fā)的一系列低廉高效生態(tài)協(xié)同或強化修復技術，可以縮短到1年左右。

　　土壤污染的快速診斷與綠色修復是我國當前土壤環(huán)境安全的重要課題。周啟星當前主持的科技部重點研發(fā)計劃項目，將上述技術方法進一步提升和創(chuàng)新，並應用於我國石油污染土壤的診療。

　　“我國在石油開採、冶煉和貯運過程中，導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。”胡獻剛介紹説，“周老師正在帶領研究團隊，通過開展利用修復植物、降解或産電微生物、奈米材料以及電化學技術等多種手段相結合的方法，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，我國碳達峰、碳中和必定會引來一個令人鼓舞的全新階段。