【中國科學報】改性粘土擊退「紅色幽靈」
2020-12-02 中國科學院
科學家們正在利用改性粘土作業。
赤潮在國際上被稱為「紅色幽靈」，它是在特定的環境條件下，海水中某些浮遊植物、原生動物或細菌爆發性增殖或高度聚集而引起水體變色的一種有害生態現象，已經成為世界性「公害」。
近年來，一種名為「改性粘土」的技術在消除赤潮方面發揮了明顯作用。該項技術的研發者是中科院海洋所海洋國家實驗室海洋生態與環境功能實驗室主任、研究員俞志明。他對《中國科學報》記者說：「十多年磨一劍，終於將這項技術投入到實際應用中。」
神奇的「改性粘土」
20世紀70年代，日本科研人員提出用粘土治理赤潮的技術，使天然礦物與導致赤潮的微藻結合後產生絮凝沉降效應，藻類沉到底部，不能產生光合作用，從而可以消除赤潮。
1991年，俞志明加入中科院海洋所，開始研究赤潮問題。「我的博士方向就是粘土吸附，蒙脫土和高嶺土是粘土的兩大種類，我發現當時日本選用粘性較大的蒙脫土作為治理赤潮的原料。每平方米用400克、一平方公裡要用400噸粘土，使用量非常大，並不能很好地大規模推廣。」
使用天然粘土治理赤潮進入了瓶頸期。俞志明和團隊成員潛心研究，發現高嶺土的效果比蒙脫土好。通過機理研究，俞志明終於發現了其中的奧秘：「粘土表面含有負電，而赤潮生物也帶有負電，負負相斥，所以天然粘土絮凝藻類生物的效率很低。相對來講，高嶺土表面所含負電較蒙脫土少，所以高嶺土的效果比蒙脫土好。」這一新的研究結果給俞志明一個重要啟發，「如果通過技術手段，把粘土表面負電降低，甚至變成正電，那麼治理赤潮的效果就會非常明顯了。」
由此，俞志明提出了旨在提高粘土治理赤潮效率的「粘土表面改性理論」，在此理論指導下製備出高效改性粘土，其治理效率比原來提升了幾十到幾百倍，現在每平方公裡用4噸到10噸改性粘土就可以消除藻類生物。
俞志明告訴記者，「找到負電影響治理效果的原因並不容易。」剛開始大家一頭霧水，提出了無數種方案，「有時候失敗也不知道是怎麼失敗的」。
「我們還對改性粘土治理赤潮進行了生理生化和分子生物學機理方面的研究，發現藻類細胞受到改性粘土的撞擊之後，即使沒有沉到水底，細胞內部也會受到影響。」俞志明解釋道，「通過現場試驗，我們發現，藻類細胞抵抗粘土作用時，會產生含量過多的過氧化物，導致細胞停止生長，甚至死亡。所以改性粘土控制機理有兩方面，一個是直接絮凝沉降，另一個是影響藻細胞的生理生化性質。」
如今，改性粘土治理赤潮技術是我國具有自主智慧財產權、目前國際上能夠大規模應用的少數幾種方法之一，2014年成為我國赤潮治理國家標準方法。該成果曾獲得包括2015年海洋工程科學技術獎一等獎在內的多個科技獎項。
「小試牛刀」效果明顯
2005年，改性粘土技術迎來了「首秀」，為南京玄武湖消除藍藻水華。南京全運會召開在即，主辦方在全國範圍內廣發「英雄帖」，徵集有效的治理技術。經過篩選，俞志明團隊進入最終環節。
俞志明說：「這是改性粘土技術第一次走出實驗室，也是頭一次用在淡水裡，現場治理我們沒有相關經驗，所以心裡還是有些打鼓。」為了確保治理方法的有效性和可靠性，主辦方劃出一部分水域，對改性粘土方法進行嘗試。
8月份的南京氣溫高達40多攝氏度，俞志明和團隊成員坐在船上噴灑粘土，「非常辛苦」。十天之後，「試驗區」治理效果明顯，得到了專家組的肯定，主辦方最終將玄武湖的藍藻水華治理全部委託給了俞志明團隊。
歷時三十餘天，俞志明團隊徹底消除了玄武湖的藍藻水華，首戰「一炮打響」，從此以後，改性粘土技術真正走出了實驗室，得到大規模推廣應用。
在治理中，也有不少人質疑，大量粘土沉到水底，是否會對水質產生不良影響。對此，俞志明解釋說：「粘土的吸附功能，不僅可以控制藻類，還能吸附磷、氨氮類的營養物質。例如養殖池中會產生養殖底泥，為了抑制有害物質，養殖戶會噴一層粘土對它們進行固化。」為了確保改性粘土對現場的魚、蝦、貝等生物沒有負面影響，俞志明團隊做了大量的生態效應實驗，「在實驗中，我們使用了超過現場用量十倍的改性粘土，發現不會影響水裡生物的生長。因此，我們得出結論，這項技術不僅不會產生危害，還能對水質環境起到改善作用」。
自2005年以來，改性粘土技術已成功應用於我國近海從北到南20多個水域有害赤潮的治理，分別保障了我國2008年奧帆賽、2011年深圳世界大學生運動會等重要賽事的進行，並在核電站、養殖企業中發揮了重要作用。「根據不同的性質，我們研發了不同類別的粘土。例如針對核電廠冷源取水海域的棕囊藻赤潮，為了防止囊體的堵塞作用，就要用特殊材料，能夠破壞囊體；而對養殖水域來說，在消除赤潮的同時，還要儘量降解藻毒素。」俞志明說。
走出國門廣泛應用
隨著技術逐漸成熟，改性粘土的名氣也打到國外，被列入由聯合國教科文組織出版的《近海赤潮監測和管理對策》一書，成為國內外赤潮治理方面的重要依據和指導。
最近，俞志明等人應國際赤潮研究領域影響最高的專業雜誌Harmful Algae主編Sandra Shumway的邀請，就改性粘土理論、方法與應用等方面發表了綜述性文章，進一步提高了改性粘土技術在國際上的影響力。
2015年，智利暴發了大規模赤潮，對其養殖業造成致命打擊，造成10多億美元的經濟損失，並引發了社會動亂。2016年10月28日，智利鮭魚聯合會鮭魚技術研究所總經理、智利經濟部漁業與水產司環境保護專員等一行11人，到中科院海洋所考察了改性粘土治理赤潮項目。
「當時智利首先考慮的是韓國技術，但是國際上一位赤潮權威專家建議，一定要來中國看看，因為中國的技術做得更加成功。」俞志明說。
不久前，智利Virbac-Centrovet公司與海洋研究所籤署了獨家代理合作協議，希望通過改性粘土技術，治理智利近海海域有害赤潮，減少養殖產業的損失。
俞志明說：「現在不僅是智利，新加坡也想用這個技術。當前赤潮是全球性問題，我們的技術已經成熟，我希望能夠有更多機會，讓中國的技術走出國門。」
據俞志明介紹，目前在改性粘土技術的實際應用中，主要還需要人工操作：「現場操作很累，我們目前正在研發自動化設備，以期實現高效、自動化的現場操作。現在設備已通過了初步試驗，下一步就是針對市場需求，把設備標準化、商業化。」
目前，俞志明團隊正在承擔有關赤潮的國家重點科技研發項目。對於未來發展，他信心滿滿：「立足國家需求，放眼國際市場，我們將從『一帶一路』沿線國家入手，針對沿海國家赤潮問題很多的現狀提出治理方法。」
（原載於《中國科學報》 2017-10-23 第6版 院所)
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之後，科學家改良了這種粘土，增加了粘土和赤潮生物間的橋聯和網捕作用，使得粘土絮凝赤潮生物的效率提高了幾十到幾百倍。另一方面，改性粘土會對赤潮生物產生強大的脅迫作用，即使沒有被沉降，赤潮生物的生長和繁殖也會受到抑制。例如，赤潮生物在抵抗粘土時會產生過多的過氧化物，這種物質的積累能夠導致其停止生長甚至死亡。另外改性粘土還可以吸附水體中的磷、氮等營養鹽類，從而進一步改善水質。 -
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