中國科學家改良後的粘土，成了治理赤潮的利器
2020-09-03 中國科普博覽出品：科普中國
製作：科海拾貝團隊
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
財產保險、人身保險、責任保險……人類社會為了應對風險，發明了保險這一金融體系，而近日，一款新的保險——「海水養殖赤潮指數保險」在福建首次出單。促使這款保險湧現的動力，是養殖戶對赤潮與日俱增的恐懼。
每年4-6月份，福建部分海域的顏色便會出現異樣，遠遠望去好似一片火海，吸引眾多遊客紛紛駐足。實際上這種變色海水可不是什麼美麗的自然景觀，而是由人類活動引發的「赤潮」。
△赤潮 圖源：百度百科
赤潮是什麼？
赤潮（red tide），是指由於海洋中微型浮遊生物在一定環境條件下快速增殖或高度聚集, 導致一定範圍和時間內的水體發生變色的現象。赤潮一詞其實是歷史沿用名詞，「赤」並不特指紅色。根據引發赤潮的生物種類和數量的不同，赤潮有時也呈現黃、綠、褐色等不同顏色，但其中以赤色最為常見。
△赤潮 圖片來源：Veer圖庫
赤潮的爆發會具有明顯的季節性，赤潮往往在春夏季節爆發。這與赤潮形成的原因有關。
赤潮現象是多種因素綜合作用的結果，包括能引發赤潮的藻類等生物因素，微量元素、營養鹽類等化學因素，日照、氣壓、風速等氣象因素，海流、溫度、鹽度等水文因素。
△赤潮的相關影響因素（圖片來源：作者提供）
其中海水溫度變化被認為是赤潮爆發的主要幕後推手之一，20-30℃是赤潮發生的適宜溫度範圍。因為這個溫度範圍是引發赤潮的藻類喜歡的生長溫度，比如異彎藻。這種藻類曾多次導致大連灣區域形成赤潮，對當地的養殖業造成了嚴重威脅。赤潮異彎藻在10～30℃之間均能正常生長，25℃時生長速率則達到峰值。
需要警醒的是，據《大氣科學研究》一項研究報導，1970年以來，地球變暖過程中的90%的熱能都注入了海洋，海水不斷升溫可能會使赤潮災害日益嚴重。
除了海水升溫，海洋中氮、磷元素的增加也會導致赤潮加重。隨著工業廢水和養殖業汙水、以及生活汙水向海洋中過度排放，氮磷鐵錳元素及有機物匯於大海之中，最終導致水體的富營養化，從而引發赤潮。據聯合國環境規劃署(UNEP)調查，在全球範圍內，35%左右的湖泊、水庫存在不同程度的富營養化，河口和近海水域也受到嚴重影響。在這個營養過剩的天堂一般的海洋世界裡，赤潮生物都會抓緊時機大量繁殖。
藏在美麗背後的危險
早在遠古時期，海洋中就存在類似赤潮的現象。如同人類體內的炎症會引起發熱一樣，赤潮也是海洋生態系統自我調整的一種方法。但進入20世紀後，人類活動對海洋環境影響的日益加重，直接導致赤潮發生的原因發生了根本變化，赤潮也逐漸演變為頻繁發生的生態災害。
近年來赤潮災害更是呈現出爆發規模大、持續時間久，出現頻率高的趨勢。2015年北美洲西海岸爆發了大規模擬菱形藻（Pseudo-nitzschia）赤潮，北起美國阿拉斯加，南至墨西哥沿岸，覆蓋面積之大前所未有。
2017 年 10 月美國佛羅裡達近海暴發了近十年來持續最久、災情最嚴重的短凱倫藻（Karenia brevis）赤潮, 持續時間達15個月之久。
在中國，進入20世紀70年代後，赤潮發生次數也開始呈幾何倍數增長。
△70年代以來我國近海赤潮次數呈幾何倍數增長（圖片來源：國家海洋局, 1989—2017）
《舊約·出埃及記》中關於赤潮的描述是：「河裡的水，都變作血，河也腥臭了，埃及人就不能喝這裡的水了。」可見自古以來赤潮對自然界的生態平衡以及人類的生產生活就具有極大的破壞力。
在現代社會，受到赤潮爆發影響首當其衝的就是養殖業。每年由於赤潮導致缺氧或中毒而死的魚、蝦、貝類不計其數。而赤潮中所含有的毒素更是會在一些海產體內富集，最終危害人類健康。
智利是全球第二大三文魚出口國，2016年由鏈狀亞歷山大藻(Alexandrium catenella)等引起的大規模赤潮，導致全國12%的養殖三文魚死亡，造成智利近海養殖業超過10億美元的經濟損失。
2012年在我國福建近海域，爆發了米氏凱倫藻(Karenia mikimotoi)赤潮，這次赤潮覆蓋面積達300km2，鮑魚養殖業受到嚴重衝擊，經濟損失達到20億人民幣，創造了歷史新高。
△米氏凱倫藻的光鏡和電鏡圖片（圖片來源：(呂頌輝, 岑競儀 et al. 2019) ）
對於人類來言，海產品中毒而死造成的經濟損失並不是最可怕的，最可怕的是那些中毒但沒有死亡的海洋生物。
魚、蝦、貝類吞食有毒的赤潮藻後，雖然可能不會立刻斃命，但毒素仍會在體內不斷地累積。食用了這些積累了毒素的海洋生物，將會對人體產生巨大的危害。
△1970 年到 2005 年麻痺性貝類毒素(PSP)分布在全球不斷擴展 (圖片來源：Anderson, 2009)
赤潮毒素到底能有多毒？
研究表明，最厲害的赤潮毒素比眼鏡蛇的毒性還要高80倍！人一旦中毒，輕者頭暈、腹瀉，重者會出現呼吸困難、肌肉麻痺等症狀，甚至可能死亡。
2017年6月，福建部分海域爆發赤潮，泉州、漳州相繼出現因食用貝類水產品而中毒的事件。其中在漳州的一則突發事件中，就有36人中毒，患者出現了頭暈、噁心、肌肉麻木的症狀，原因就是食用了含有毒素的青蛤（淡菜、貽貝）。
粘土滅火器大顯神通
赤潮像野火一般燒遍了世界各國的海岸線，而人類長期以來卻缺乏一種像「滅火器」一樣的應急處置裝置。令人振奮的是，近年來由中國科學家自主研發的粘土「滅火器」在赤潮治理中屢建奇功。
粘土「滅火器」裡的土可不是一般的土，而是一種可以與赤潮生物結合後產生絮凝沉降效應的粘土。這種粘土可以將赤潮生物沉降到不見天日的海底，由於無法再進行光合作用，這些生物就會「餓死」在海底。
在上個世紀70年代，日本就開始用一種特殊的粘土——蒙脫土治理赤潮。但這種天然粘土效率較低，在實際應用中每平方公裡就要用400噸，無法大規模地推廣。
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。
△改性粘土高效治理赤潮原理（圖片來源：俞志明，陳楠生et al. 2019）
這麼多的粘土倒進海裡，難道不會對水質產生不良影響嗎？
實際上，研究人員在改性粘土施用的過程中，會密切觀測粘土對水質、養殖生物和底棲環境的影響。結果證實，改性粘土法對魚、蝦、貝等養殖生物和海洋環境並沒有負面影響，是一種安全綠色環保的治理手段。
△改性後的粘土在表面形態、土層間距和絮凝狀態上均發生變化（圖片來源：Yu, Song et al. 2017)
2005年，改性粘土小試牛刀，首次現場應用, 便成功治理了南京玄武湖藍藻水華。自此改性粘土法在沿海20多個水域大顯身手，成為我國近海赤潮應急處置的標準方法。2016以來，改性粘土又走出國門，成為一名國際消防員，繼續在美國佛羅裡達近海、智利養殖海域等水域的赤潮治理中發揮著重要作用，被譽為「中國製造的赤潮滅火器」。
雖然人類在與赤潮的鬥爭中取得了一定的勝利，但從長遠來看，赤潮治理形勢依舊十分嚴峻。因此若想徹底降服這頭海洋魔獸，我們需要的不僅是全方位的科研攻關，更重要的是從源頭上遏制住汙染，控制汙水入海量。同時合理開發利用海洋，選擇對水質淨化有作用的養殖品種，加強養殖業的科學管理以及海洋環境監測工作。保護海洋，防治赤潮，從我們身邊做起！
參考資料：
Anderson D M . Approaches to monitoring, control and management of harmful algal blooms (HABs)[J]. Ocean & Coastal Management, 2009, 52(7):342-347.
Yu Z , Sun X , Song X , et al. Clay surface modification and its coagulation of red tide organisms[J]. Chinese Science Bulletin, 1999, 44(7):617-620.
Daguer, H., R. B. Hoff, L. Molognoni, C. R. Kleemann and L. V. Felizardo (2018). &34; Current Opinion in Food Science.
Wang W , Yu Z , Song X , et al. Intrusion Pattern of the Offshore Kuroshio Branch Current and its Effects on Nutrient Contributions in the East China Sea[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 2018, 123(1).
Yu Z , Song X , Cao X , et al. Mitigation of harmful algal blooms using modified clays: Theory, mechanisms, and applications[J]. Harmful Algae, 2017, 69(nov.):48-64.
呂頌輝, 岑競儀, 王建豔 and 歐林堅 (2019). &34; 海洋與湖沼 50(03): 487-494.
國家海洋局, 1989—2017. 中國海洋災害公報. 北京: 國家海洋局
王燕, 宋洪軍, 李豔，李瑞香 (2015). &34; 中國海洋大學學報(自然科學版) 45(01): 41-46.
俞志明、陳楠生，2019，國內外赤潮的發展趨勢與研究熱點，海洋與湖沼，50（3）：474-48
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赤潮「滅火器」榮獲國家技術發明獎二等獎 為國際海洋環境治理貢獻...
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「近海赤潮處置方法」獲國家技術發明二等獎
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【中國科學報】改性粘土擊退「紅色幽靈」
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。 -
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赤潮「消防員」俞志明:還海洋一片藍色
中科院海洋所俞志明團隊研發的「改性粘土治理赤潮技術」榮獲2019年度海洋科學領域唯一國家技術發明類獎 。今天閃電新聞記者帶你一起來了解這個科研團隊。「沒有赤潮了，不能再有赤潮了」，是養殖戶們最常念叨的一句話。半年前，中科院海洋所俞志明的研究團隊就駐紮在了這裡養殖戶的閥架上，他們反覆論證用改性黏土治理赤潮這一研究成果，想要徹底幫養殖戶們解決心病。「第一個我們要在這個地方要建立一個防護體系，前期做試驗，看對鮑魚的生長有沒有影響，連續噴灑半個月，二十天，實驗結果表明不會對鮑魚產生影響。 -
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中國科學家幹細胞治癌獲突破
原標題:中國科學家幹細胞治癌獲突破參考消息網11月24日報導港媒稱，中國科學家通過幹細胞編程來「尋找並摧毀」癌症，朝著在癌症治療領域取得突破邁出了重要一步。報導稱，根據上周發表在中國科學期刊《細胞研究》上的一篇論文，研究人員用幹細胞培育出了初期免疫細胞，這些細胞之後會發展成T細胞，T細胞在胸腺中生成，並在人體免疫反應中發揮核心作用。一段時間過後，腫瘤消失了。報告說，由於新的T細胞存在記憶，接受治療的小鼠終生都不會再患上同一類型癌症。研究團隊在中科院網站上發表的聲明中說，這種方法可以帶來癌症治療領域的突破。 -
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