为土壤“解毒”

来源:http://www.szjksh.com 作者:资讯 人气:76 发布时间:2019-12-05
摘要:随着经济社会的快速发展,我国生态环境受到不同程度的污染。“我吃的粮食安全吗?”成为很多人心中的疑问;“我住的地方安全吗?”也开始引起大家的关注。而这都与我们脚下的

图片 1  随着经济社会的快速发展,我国生态环境受到不同程度的污染。“我吃的粮食安全吗?”成为很多人心中的疑问;“我住的地方安全吗?”也开始引起大家的关注。而这都与我们脚下的这片土地有关。一方面,全国有很多耕地被污染,主要污染物包括重金属和持久性有机污染物(POPs)。例如,在长三角地区土壤中多环芳烃(PAHs)的含量最高达3700 μg/kg。这些持久性有毒污染物(PTS)可通过食物链影响人的健康。另一方面,随着城市化进程的加速,大量污染企业外迁留下了30万个以上高风险工业污染场地需要修复,小的不到1亩,大的有几百亩。若这些污染场地直接用于房地产开发,挥发性有毒有机污染物等将影响居民健康。土壤“中毒”了怎么办?还能再利用吗?在土壤“中毒”的情况下,如何保障农产品的安全,实现土地资源的持续利用呢?从1999年开始,浙江大学环境与资源学院朱利中教授和他的团队便致力于有机污染过程与控制研究。他们的入手点是调控污染物的界面行为。“界面行为始终贯穿于有机污染物迁移转化及生物效应的整个生命周期,多介质界面行为的分子机理及调控研究是土壤污染控制与修复的重要基础。要在污染土壤上生产安全农产品,我们首先要了解污染物是怎么从土壤里跑到植物里的。这就好比是人生病了,要先知道病因,才能开出药方来。”朱利中教授介绍说,植物可以从根部吸收土壤溶液中的有机污染物,也可以从叶面吸收空气中的有机污染物(包括从土壤中挥发出来的),这里涉及有机污染物的界面行为。只有摸清有机污染物界面行为的分子机制及规律,才能准确预测其迁移转化行为、诊断环境污染风险,最终有效调控污染物的生物有效性,实现农产品的安全生产。在很长一段时间里,业内专家都认为有机污染物的界面行为呈线性。由于土壤等环境介质的非均一性,导致有机污染物界面行为呈非线性。也就是说,土壤中有机污染物浓度高,种出来的农产品中有机污染物浓度却不一定高。“我们很自然地就想到,有机污染物非线性界面行为有没有什么规律可循?如果我们知道土壤‘中毒’的程度,能够由此推断出农作物的‘中毒’程度吗?”课题组进一步研究发现,有机质是导致非线性界面行为的主导因素,土壤中纳米颗粒团聚重组及其选择性结合有机质都可能影响有机污染物的非线性吸附行为。在揭示有机污染物非线性界面行为分子机理的基础上,课题组建立了定量预测有机污染物非线性界面行为及植物吸收积累有机污染物的数学模型,并由此揭示了基于多介质微界面行为的有机污染物生物有效性调控原理,提出了全方位保障农产品安全的新思路。这项基础研究成果在对付有机污染农业用地和工业用地时,都能用得上。“有了这个模型,在污染土壤中种下农作物后,我们就可以准确预测30天后或60天后农作物中有机污染物的浓度,为选择合适的作物提供了技术支撑。这对耕地资源非常宝贵的中国来说,非常重要。”朱利中教授说。比如,一片被污染的农田,我们经过模型分析预测,如果种茼蒿的话,有机污染物会超标,但种青菜萝卜不超标,那我们就可以选择种青菜萝卜。如果一定要种茼蒿怎么办呢?我们可以在土壤中加入生物碳或微量表面活性剂把有机污染物“固定”住,让它很少甚至不进入农产品中,这样生产出来的农产品仍是安全的。如果“中毒”实在太深,无法缓解而影响农产品安全乃至农作物生长,怎么办呢?课题组的对策是通过改善有机污染物的生物有效性,特别是强化微生物降解有机污染物,对污染农田实施增效修复。这种方法被称为生物表面活性剂强化植物-微生物联合原位修复,其修复PAHs污染土壤的效率比不加表面活性剂的提高50%以上,而修复材料的成本不到200元/亩。也就是说,对于“中毒”农田,课题组有三招来应对:选择合适作物,阻控吸收积累,原位增效修复。对于被污染的工业用地,课题组也有新招。早在80年代,国际上就出现了表面活性剂增效洗脱技术,即SER技术。该技术一般使用单一表面活性剂,由于表面吸附剂的吸附或沉淀损失,洗脱效率低、成本高、难以推广应用。课题组选用混合表面活性剂增效洗脱,使修复效率增加20%以上,成本降低1/3以上。“以前用其他方法修复一吨污染土壤的成本在1000元左右,现在采用混合表面活性剂增效修复技术,一吨的修复成本不到300元。不仅效率高,成本低,而且还非常环保,做到无废水排放。”朱利中教授说。生物表面活性剂强化植物-微生物联合原位修复和混合表面活性剂强化增效修复这两项技术填补了污染土壤修复的国际空白,已分别在污染农田土壤修复和工业用地污染场地土壤修复工程中得到了很好的验证。该项目的成果被编入《Handbook of Soil Sciences》(美国CRC出版社),8篇代表性论文和20篇核心论文分别被SCI他引666次、1390次,其中6篇列入Web of Science近十年高被引论文。4位完成人均列环境/生态领域ESI引文国际排名前1%,他们在“有机污染土壤修复”及“表面活性剂调控有机污染物生物有效性”方面发表的SCI论文数均列国际同类课题组第一。(文 吴雅兰 余瑛/摄影 张鸯)点击观看视频

  编者按:11月27日,中国工程院公布了2017年院士增选结果,我省两位科学家——浙江大学朱利中教授和浙江工业大学郑裕国教授当选。

  党的十九大报告提出要加快建设创新型国家。两位科学家孜孜不倦地工作在科技前沿,不畏艰难,勇于创新,在各自专业领域作出了卓越贡献。他们是浙江的骄傲,也是科研工作者的榜样。当天,记者采访了这两位优秀科学家。

  朱利中

  让“生病”土壤恢复“健康”

  中国工程院11月27日公布新当选院士名单,浙江大学环境与资源学院朱利中教授在列。朱利中多年来致力于土壤有机污染防治研究,许多农田和场地的“生病”土壤经过他的修复,恢复了健康活力。

  记者27日致电祝贺朱利中教授,他说,自己取得成绩得益于党和国家的培养,离不开浙大和科研团队的支持。“院士是一项荣誉,更是一份责任。党的十九大报告提出建设美丽中国,强调要为保护生态环境作出我们这代人的努力。我要不忘初心,再接再厉,为土壤污染防治研究作出更多贡献,为我国生态文明建设培养更多创新人才。”朱利中说。

  朱利中从事的研究,直面我国经济社会发展进程中一个严峻的问题:脚下的土地“生病”了,有的不再适宜种植作物;有的挥发出来的有机污染物还会直接影响人们的健康。这一环境污染带来的困境,需要依靠现代科技来化解。朱利中说:“比如有的农田土壤受污染,但是我国人多地少,还是要靠这些土地生产安全农产品,这就需要修复。又如城市化进程中大量工厂搬迁后,留下受污染的场地,也必须经过修复,才能继续作为居民用地使用。”近年来,朱利中带领团队研发出多项土壤修复技术,在全国多个地方的有机污染农田和场地土壤修复工程中得到应用,并为相关企业提供技术咨询服务,取得显著成效。

  朱利中团队建立了定量预测有机污染物非线性界面行为及植物吸收积累有机污染物的数学模型,能够搞清楚有机污染物跑向哪里,在哪些位置积累,如何调控其迁移转化过程,为污染土壤选择合适的作物有了技术支撑,这对耕地资源宝贵的中国来说非常重要。“对污染较重的农田土壤我们要实现边生产边修复,既高效修复土壤,又要保障农产品安全。”朱利中说,如在土壤中加入生物碳或微量表面活性剂,把有机污染物“固定”住,让它很少甚至不进入农产品中。如果土壤实在“病”得太重,朱利中团队还可通过改善有机污染物的生物有效性,特别是强化微生物降解有机污染物,对污染农田实施增效修复,显著提升修复效率。

  面对城市污染场地土壤的修复问题,朱利中团队研发出协同修复技术,相比传统方法使用肥皂粉修复场地土壤,提高了效率,降低了成本。“我们研发出混合表面活性剂增效洗脱,使修复效率增加20%以上,成本降低三分之一以上,并实现了废水零排放,在国际上处于领先地位。”朱利中说。

  “当选院士并没有改变我作为一个普通科技工作者的身份,以前做什么,今后还做什么。”朱利中说,在继续做好科研、教好书的同时,要积极地在更高层面上为国家工程建设咨询作出更多贡献。

  郑裕国

  让国产药打破国外垄断

  “这是党和国家,也是同行给予的荣誉。”11月27日,记者第一时间联系上了浙江工业大学郑裕国教授,电话里,郑裕国心情激动。他说,感谢多年来国家和学校的培养,特别要感谢“中国生物农药之父”沈寅初院士20多年来的悉心指导,“科研工作是一个需要长期坚持的过程,我和我的团队将一如既往将科研与经济社会发展紧密结合起来,将论文写在祖国的大地上。”

  作为生物工程学专家,郑裕国在微生物发酵和生物催化领域取得系列独创性成果。2008年、2010年和2015年,他带领团队三度问鼎国家科技奖,其研发的糖尿病治疗重大药物——阿卡波糖片“卡博平”打破了之前国外医药巨头的垄断,且售价较德国进口药“拜唐苹”低30%以上,它的出现也迫使“拜唐苹”药价下调。

  据保守估计,自2005年上市以来,“卡博平”为国家节省了近30亿元医保支出,平摊到每位糖尿病患者身上,大约每人每年约少花近1000元。

  回顾“卡博平”的研发过程,郑裕国教授介绍,微生物制药属于发酵工程的范畴,要进行微生物培养,原料、温度、工艺等都有讲究,“首先,需要筛选特殊的高产菌株,再用特定的方法进行诱变,才能使其适用于工业化生产。”

  然而,谁也不知道合适的菌种长什么样。郑裕国团队一边不断采样,一边摸索办法,终于琢磨出了一套高效的筛选模型——靠显色法让菌株自己“现出原形”。通过整整两年的努力,他们终于建立起有效的选育技术,找到了高产阿卡波糖生产专利菌株。

  有了合适的菌株,还仅仅是个开始。在这之后,需要一整个星期的悉心培育。培育菌株比照顾婴儿更需用心,科研人员要跟着24小时连轴转——整整7天7夜,团队轮班驻守实验室,生怕稍不留神就前功尽弃。

  接下来的步骤便是提纯。团队成员王亚军教授说:“伴随着阿卡波糖的生物合成,发酵产物里还存在着8种结构与性质十分相似的杂质组分,我们需要想办法在发酵和提炼阶段提高有效组分比重。”

  经过一系列发酵调控和分离技术创新,郑裕国团队最终用了两步就提取出有效药物成分,比国际上先进的三步分离技术更简单易行。

  提取出有效成分后,还要将它做成片剂。阿卡波糖本身有很强的吸水性,容易受潮而影响药效;同时,阿卡波糖原粉流动性差,很难压制成口服片剂。郑裕国带领团队通过多项技术创新,终于使得阿卡波糖片成功实现了大规模生产,且制造工艺更经济、环保。

  “只坐在实验室里是永远无法了解大众真实需求的。”郑裕国最看重实用性,他希望可以通过科研成果提高大众的生活质量,惠及民生。另一方面,作为浙江省功勋教师,郑裕国觉得一个教育工作者要“更看重如何通过科研促进人才培养。”

  自1983年留校任教后,郑裕国就全身心投入到生物工程研究中,在实验室里搞研究已成为他生活的一部分。每天上午8点开早会,郑裕国通常7点半就会来到学校,到晚上10时才回家。这样全年无休的日子,他已坚持了几十年。

  在他心里,始终有一个梦想——开发大品种农药生物制造绿色新工艺,传承沈寅初院士的生物农药事业,“这也是沈老师的梦想,我要努力实现它。”

(本报杭州11月27日讯)本报记者 曾福泉 马悦通讯员 吴雅兰 柯溢能 贾侃 陈婧

《浙江日报》2017年11月28日09版

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