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“土壤医生”开出绿色药方 可简短、快速检测出土壤中抗生素
时间:2021-08-04 09:01:02

相对于化学法和物理法修复污染土壤的弊端,利用生物或生态的方法修复污染土壤具有成本低、安全可控的优势。植物在生长发育过程中,会将土壤中的污染物吸取到体内,达到土壤净化的目的,就像森林吸收水分、阳光、二氧化碳一样,基本不需要消耗能源,且能达到净化环境的目的。

胡献刚

南开大学环境科学与工程学院教授

人生病了,可以去看医生。那么,土壤生病了怎么办?随着城市工业飞速发展,环境污染问题日益严峻。其中,大气和水污染早已引起人们的警觉。而土壤污染由于过于隐匿,往往需要通过仪器设备采样检测才能被诊断出来。

由南开大学环境科学与工程学院学术委员会主任周启星教授带队研究的“典型区土壤污染诊断及修复植物的响应机制”项目就好比一位土壤医生,实现了对土壤中典型污染物(重金属、多环芳烃和抗生素等)的快速与多维度精准诊断,开创了花卉植物修复污染土壤的新领域。近日,该科技成果获得了2020年度天津市科学技术奖——自然科学特等奖。

可简短、快速检测出土壤中抗生素

该项目自2004年开展研究以来,在我国多地进行试点实验、数据分析,最终系统阐明了我国典型工业化城市土壤重金属和无公害蔬菜基地抗生素污染时空分布的特征与发生机制。其中,重金属土壤污染主要出现在我国典型的工业化城市,而抗生素土壤污染主要出现在无公害蔬菜基地。

10年前,周启星在实地调研基础上就察觉并率先准确预测了抗生素滥用导致的土壤污染问题。“考虑到我国幅员辽阔、无公害蔬菜基地众多,迫切需要快速诊断土壤中抗生素的方法,以保障人民群众的食品安全。”研究团队学术骨干、南开大学环境科学与工程学院胡献刚教授介绍说,“确如我的导师周启星老师的预判,近年来,土壤抗生素污染已严重威胁我国的生态安全,并对人体健康造成重大隐患。”尽管抗生素的环境暴露已逐渐引起国内外普遍关注,但作为菜篮子的无公害蔬菜基地中抗生素的残留情况及污染诊断,未引起人们重视,也未见系统的研究,形成了环境风险“扫雷”的盲点。

对于土壤污染的诊断,采用传统的分析方法,需要使用大量的有毒有害试剂。这不仅会产生新的环境污染问题,而且还可能会对环境监测人员的健康产生伤害;同时,传统分析方法耗时耗力,一个土壤样品的分析通常要数个小时,方法比较“笨拙”。

周启星和研究团队一起,利用微波辅助萃取的方法,能简短、快速地将土壤中的抗生素污染物提取出来,从制样到分析半小时就可以完成,简便快捷,节省人力物力,非常适合我国大面积土壤污染的快速诊断。

“微波辅助萃取方法类似我们日常生活中使用微波炉加热食品或解冻食品的过程,通过微波处理样品,迅速加热溶剂(食品加热主要加热水分子),使加热的极性溶剂能与土壤充分反应。”胡献刚介绍说,在本项目基础上,他们最近又取得重大突破——利用了人工智能的方法,通过大数据分析,用算法代替人工实验操作,在数分钟内就能实现土壤污染的快速诊断与预测,并能达到防患于未然的目的。

“将人工智能与土壤健康诊断结合是科技发展的必然趋势。基于创新性科学理论和严谨的数理统计分析,将来有望在手机上像打开一个普通的小程序一样、像查看天气预报一样,随时随地查看我国的土壤健康情况,服务于我国政府和环保部门管理政策的制定。”胡献刚说。

目前,南开大学与中国环境科学研究院联合开展的土壤污染场地的智能识别研究,正在利用人工智能中的机器学习算法对我国土壤健康进行诊断、预测分析,服务于我国土壤环境基准的推导和标准的制修订。

利用生物或生态的方法修复污染土壤

土壤医生为土壤诊断出症疾所在后,下一步就是治。

当前治疗污染土壤的方法和技术众多,从大类上分为化学法、物理法、生物法和生态法。化学法和物理法的优势是比较快速,但是存在修复成本高、修复过程中产生新污染的问题,严重阻碍了污染土壤修复技术的实际推广和应用。

为了解决上述问题,周启星等率先开展了花卉植物的系统筛选研究,在发现球果蔊菜、紫茉莉和孔雀草等超积累或修复花卉基础上,成功开发了一系列低廉高效生态的协同或强化修复技术。特别是,在上述发明、发现和创新基础上,项目成果深入探讨并揭示了其中的机理,进而形成了土水污染修复与治理原理。

“相对于化学法和物理法修复污染土壤的弊端,利用生物或生态的方法修复污染土壤具有成本低、安全可控的优势。”胡献刚介绍,植物在生长发育过程中,会将土壤中的污染物吸取到体内,达到土壤净化的目的,就像森林吸收水分、阳光、二氧化碳一样,基本不需要消耗能源,且能达到净化环境的目的。

在周启星的努力下,该项目组在与农业部环保监测所合作下,将花卉植物修复技术在污染农业区推广,指导农民将具有修复能力的花卉植物与农作物如马铃薯、番薯间套作生长,收获后的农作物因为花卉植物对污染物的隔离作用使其污染物吸收受到限制可以进入市场,用于吸收土壤污染物的花卉植物可以流入市场作为景观植物,也可以回收继续研究。

不会对人体、环境造成危害和负担

大家可能会担心,完成污染土壤修复使命的花卉植物流入市场后如何处理,会不会对人体造成危害,或是对环境造成二次污染?

“用于污染土壤修复的超积累或修复植物(对污染物有偏好性吸收或高降解能力的植物)将土壤中的污染物转移到体内之后,可用于观赏或其他不被人密切接触的用途。”胡献刚表示,“因此不会对人体造成危害,也不会给环境带来新的负担。”

首先,花卉吸收污染物后不会被食用,而是作为商品出售供观赏,因此重金属、多环芳烃或抗生素不会进入食物链,影响人体健康。当花卉的观赏价值“用”完之后,可以通过垃圾收集和卫生填埋,超积累或修复植物的生物量处理问题也就迎刃而解了。其次,即使污染物通过花卉植物释放到空气中,但由于花卉基数小,单株植物污染物含量释放到环境中背景值含量低,并不会对人体造成危害。

据了解,花卉植物修复周期较长,平均需要2年的修复时间。通过周启星等成功开发的一系列低廉高效生态协同或强化修复技术,可以缩短到1年左右。

土壤污染的快速诊断与绿色修复是我国当前土壤环境安全的重要课题。周启星当前主持的科技部重点研发计划项目,将上述技术方法进一步提升和创新,并应用于我国石油污染土壤的诊疗。

“我国在石油开采、冶炼和贮运过程中,导致的土壤石油污染问题,已成为一件令政府和企业都很头疼的事情。”胡献刚介绍说,“周老师正在带领研究团队,通过开展利用修复植物、降解或产电微生物、纳米材料以及电化学技术等多种手段相结合的方法,尝试探索出一条快速诊断石油烃污染、去除石油烃污染物的新方法。”

据介绍,该方法目前已在我国代表性的石油污染场地取得了较好的效果。

土壤在碳达峰、碳中和上扮演了重要的角色。周启星指出,土壤既是碳固定的“汇”,发挥控制碳排放的作用;同时也是碳排放的“源”,也会不断释放含碳的温室气体到大气环境中。他表示,如何有效地发挥土壤碳的负排放,是土壤健康诊疗的新使命和新课题。

周启星相信,随着土壤健康新功能的开发和使用,我国碳达峰、碳中和必定会引来一个令人鼓舞的全新阶段。(王雯婷 记者 陈 曦)

关键词: 抗生素 土壤医生 绿色药方 检测

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