周啟星教授在孔雀草田間實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

龍葵對(duì)污染脅迫生長(zhǎng)響應(yīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。

土地默默滋養(yǎng)萬(wàn)物，人類活動(dòng)卻讓它成了各種污染物流向的“最后的垃圾桶”。

水污染和大氣污染是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)槲鬯蛷U氣一旦排放出來(lái)，很容易在變色的河水和變味的空氣中被人們所察覺(jué)。而土壤被污染的過(guò)程卻是“默不作聲”的：工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市垃圾等含有的重金屬日復(fù)一日地滲入土壤，而水和大氣中的污染物也終會(huì)回歸土地，很難被肉眼發(fā)現(xiàn)。

土壤的“隱疾”就這樣在不知不覺(jué)中累積，如同一個(gè)“生物定時(shí)炸彈”，往往直到一地出現(xiàn)土壤污染導(dǎo)致的中毒事件，人們才意識(shí)到這里的土壤“生病了”。而此時(shí)，人類已經(jīng)付出了慘痛的代價(jià)。

為了快速發(fā)現(xiàn)“生病”的土壤，并讓大量被污染的土壤重新變“清潔”，南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)周啟星團(tuán)隊(duì)幾十年來(lái)始終致力于研究土壤污染的診斷及修復(fù)機(jī)制。一直在為土壤“看病”“治病”的周啟星，也成為國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展土壤污染和地下水環(huán)境修復(fù)基準(zhǔn)研究的倡導(dǎo)者和實(shí)踐者。

“土壤污染具有潛在性、滯后性等特點(diǎn)，治理修復(fù)的難度大、周期長(zhǎng)、成本高。”周啟星說(shuō)，為了解決這個(gè)世界性難題，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研究并提出了“土壤典型污染物的快速與多維度精準(zhǔn)診斷方法”以及“用植物修復(fù)受污染的響應(yīng)機(jī)制”。日前，這項(xiàng)科研成果獲得了2020年度天津市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)——自然科學(xué)特等獎(jiǎng)。

土壤也會(huì)“生病”

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)工業(yè)化、城市化進(jìn)程加快，一些地方片面追求經(jīng)濟(jì)效益，盲目開(kāi)發(fā)資源，且不注意環(huán)境的保護(hù)，給我國(guó)環(huán)境帶來(lái)了不小的傷害。

據(jù)2014年發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，全國(guó)土壤總超標(biāo)率為16.1%。污染物中，以無(wú)機(jī)物污染(重金屬)為主，有機(jī)物污染(農(nóng)藥、抗生素等)次之。不同類型土壤中，耕地土壤超標(biāo)率高達(dá)19.4%，涉及面廣、污染量大，危及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、人居環(huán)境安全和生態(tài)環(huán)境安全。

周啟星介紹，重金屬對(duì)土壤的主要污染源頭來(lái)自工業(yè)“三廢”，工業(yè)廢渣、廢氣中的重金屬在土壤中擴(kuò)散、沉降、累積，含重金屬的廢水來(lái)灌溉農(nóng)田。此外含重金屬的農(nóng)藥、磷肥等的大量施用，也使得大量重金屬富集在土壤的表層，最終會(huì)導(dǎo)致糧食減產(chǎn)，造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失。

在所有重金屬污染中，尤以鎘污染最為嚴(yán)重。20世紀(jì)60年代，在日本的富山縣神通川流域，由于鉛鋅冶煉廠排放的含鎘廢水污染水稻田，居民長(zhǎng)期食用含鎘稻米和含鎘水而造成鎘中毒。鎘進(jìn)入人體后會(huì)破壞人體的骨骼系統(tǒng)，使骨質(zhì)變脆易折，也就是人們常說(shuō)的“骨痛病”。

一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是，近年來(lái)，人們?cè)桨l(fā)關(guān)注土壤中重金屬、農(nóng)藥等人類健康“隱形殺手”的診斷和治理問(wèn)題。與此同時(shí)卻很容易忽視藏匿在土壤中的另一個(gè)“隱形殺手”——超標(biāo)的抗生素，也在向人類健康發(fā)起挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，隨著人們對(duì)食品安全問(wèn)題的重視，一大批采用畜牧糞肥的無(wú)公害綠色蔬菜生產(chǎn)基地營(yíng)運(yùn)而生。周啟星的學(xué)生、南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授胡獻(xiàn)剛走訪了大量使用畜牧糞肥的農(nóng)作物蔬菜基地后發(fā)現(xiàn)，均存在抗生素超標(biāo)的問(wèn)題。

“這是因?yàn)樯蠡蚯蓊愒陲曫B(yǎng)過(guò)程中就攝入了過(guò)量的抗生素，導(dǎo)致其糞便中抗生素也超標(biāo)，用這樣的動(dòng)物糞便給土壤施肥，就會(huì)使得抗生素大量在土壤中富集，”胡獻(xiàn)剛說(shuō)，長(zhǎng)此以往，會(huì)對(duì)人體健康以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成長(zhǎng)期潛在危害。抗生素的環(huán)境污染已成為我國(guó)乃至全球面臨的重大環(huán)境問(wèn)題之一。

快速揪出“隱形殺手”

習(xí)近平總書(shū)記曾多次強(qiáng)調(diào)“強(qiáng)化土壤污染管控和修復(fù)，有效防范風(fēng)險(xiǎn)，讓老百姓吃得放心、住得安心”。

“土壤的污染具有復(fù)雜性。”周啟星說(shuō)，土壤的重金屬污染除了一些主要的有毒重金屬污染之外，還有一些毒性小的重金屬，它們混合作用會(huì)使得毒性變得更為復(fù)雜，對(duì)動(dòng)植物和微生物也會(huì)造成更大的危害。

因?yàn)槲廴驹蚯ь^萬(wàn)緒，重金屬和抗生素等污染物又看不見(jiàn)、摸不著，這就使得土壤污染的治理成為一件棘手的事。南開(kāi)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年積累，首次建立了土壤典型污染物，包括重金屬、PAHs和抗生素等的快速與多維度精準(zhǔn)診斷方法。

通過(guò)新的辦法能在半小時(shí)之內(nèi)就診斷出這個(gè)區(qū)域的土壤是否被污染，以及污染到何種程度。胡獻(xiàn)剛說(shuō)，以往的檢測(cè)辦法是通過(guò)實(shí)地取樣，回到實(shí)驗(yàn)室后在土壤樣本中加入有機(jī)試劑，通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)才能得出結(jié)論。因?yàn)橥寥乐懈鞣N污染物的含量不同，且可能存在相互作用的問(wèn)題，也常常會(huì)出現(xiàn)一些污染物不易被檢測(cè)發(fā)現(xiàn)到的現(xiàn)象。

南開(kāi)大學(xué)的研究者采用微波輔助萃取的方法，用微波加速有機(jī)溶劑與土壤的快速充分反應(yīng)，能在半小時(shí)之內(nèi)，就讓土壤中的重金屬、抗生素等污染物“現(xiàn)形”。

基于污染物對(duì)植物生長(zhǎng)影響機(jī)理機(jī)制的研究，研究者們選擇了更為系統(tǒng)的采樣方式。不僅只收集土壤樣本，還有地下水、植物根莖、果實(shí)等樣本，使得對(duì)土壤污染的分析更加多維和精準(zhǔn)。

這樣的多維分析法，正在實(shí)現(xiàn)土壤污染的“遠(yuǎn)程診斷”。胡獻(xiàn)剛介紹，團(tuán)隊(duì)正將人工智能技術(shù)引入土壤污染診斷中。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析這個(gè)地區(qū)的地理特點(diǎn)，包括土壤使用情況，周邊的空氣、水源等環(huán)境要素，運(yùn)用算法就能算出這個(gè)區(qū)域土壤受污染的情況。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這樣的大數(shù)據(jù)分析方法準(zhǔn)確率在80%-90%左右，“能解決遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，以及大面積檢測(cè)的需要。”

植物“醫(yī)生”給土壤“治病”

重金屬一旦沉積在土壤中，想要把它清除出去并非易事。重金屬不能像有機(jī)化合物那樣降解，可以在土壤中長(zhǎng)期存留，是污染土壤中最難修復(fù)的一類無(wú)機(jī)污染物質(zhì)。為此，人們嘗試過(guò)各種各樣的辦法給受傷的土壤“治病”。

對(duì)小面積污染嚴(yán)重的土壤治理，人們采用過(guò)物理的辦法——“改土法”，即在被污染的土壤上覆蓋一層非污染土壤，或是將污染土壤部分或全部換掉。但需花費(fèi)大量的人力與財(cái)力。

后來(lái)人們嘗試過(guò)化學(xué)的辦法，比如“電化法”，即在水分飽和的污染土壤中插入電極，通電使得金屬離子在電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)，達(dá)到清除重金屬的目的，但容易造成二次污染及某些營(yíng)養(yǎng)元素的流失和沉淀。

這些物理或化學(xué)修復(fù)手段要么造價(jià)昂貴，要么可能破壞污染土壤場(chǎng)地結(jié)構(gòu)及土壤理化性質(zhì)等。周啟星團(tuán)隊(duì)一直在尋找既不破壞土壤生態(tài)環(huán)境，又能保持土壤結(jié)構(gòu)和微生物活性的土壤污染治理的新途徑——植物修復(fù)技術(shù)。

植物修復(fù)技術(shù)，即利用植物的超量吸收積累特性從污染土壤中“提取”重金屬，從而達(dá)到清潔污染土壤的目的，這是周啟星團(tuán)隊(duì)眼下找到的最有效的辦法。“比起其他方法，它成本低廉、安全性高且效果持久。”周啟星說(shuō)。

也就是說(shuō)，在被污染的土地上，種植一些能夠超量吸收重金屬的植物。這類植物對(duì)重金屬等污染物的吸附效率是普通植物的幾十倍甚至幾百倍，通過(guò)重復(fù)種植可將污染土壤中的重金屬濃度降低到可接受水平。

植物修復(fù)技術(shù)的處理費(fèi)用很低，與常規(guī)的填埋法相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其適合于在發(fā)展中國(guó)家應(yīng)用。植物修復(fù)技術(shù)還具有保護(hù)表土、減少侵蝕和水土流失的功效，可廣泛應(yīng)用于礦山的復(fù)墾、重金屬污染土壤的改良，是目前最清潔的污染處理技術(shù)。

該團(tuán)隊(duì)從千萬(wàn)種植物中篩選出龍葵、三葉鬼針草等6種修復(fù)土壤能力超強(qiáng)的花卉植物并在實(shí)際應(yīng)用中獲得了效果。

在一些土壤污染地區(qū)，他們將這些修復(fù)花卉與馬鈴薯等農(nóng)作物套作種植，修復(fù)花卉吸收了土壤中的污染物，可作為景觀花卉再次進(jìn)入市場(chǎng)銷售。而這樣的修復(fù)花卉因?yàn)椴槐蝗祟愂秤茫膊粫?huì)進(jìn)一步給人體帶來(lái)健康危害。

景觀花卉開(kāi)敗后，可直接通過(guò)垃圾回收處理。胡獻(xiàn)剛解釋說(shuō)，“正如電池集中收集更容易造成污染一樣，單盆或少量花卉仍殘存微量重金屬，不會(huì)給環(huán)境帶來(lái)更大負(fù)擔(dān)。”

專家們的一個(gè)共識(shí)是，還是要從根本上提高全社會(huì)對(duì)于土壤污染問(wèn)題的重視，從源頭上減少污染的產(chǎn)生，而不能只靠亡羊補(bǔ)牢式的修復(fù)。

比如，在極易出現(xiàn)重金屬污染的石油開(kāi)采地區(qū)或是相關(guān)廠區(qū)，應(yīng)格外重視源頭上控制污染物的產(chǎn)生和擴(kuò)散。

采用抗生素來(lái)減少病害，也是養(yǎng)殖業(yè)實(shí)現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)普遍的做法，研究表明，抗生素藥物只有15%可被吸收利用，剩下的85%被直接排放至環(huán)境中。胡獻(xiàn)剛提醒，人們對(duì)抗生素污染造成的潛在風(fēng)險(xiǎn)重視還不夠，由于抗生素的大量頻繁使用，由抗生素引起的抗藥性問(wèn)題已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)，將會(huì)對(duì)人類公共健康構(gòu)成潛在威脅。

他認(rèn)為，“從源頭上控制，減少各種污染物的排放，是最好的辦法。”