周啟星教授在孔雀草田間實驗現(xiàn)場。南開大學供圖

龍葵對污染脅迫生長響應室內(nèi)實驗。南開大學供圖

土地默默滋養(yǎng)萬物，人類活動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的，因為污水和廢氣一旦排放出來，很容易在變色的河水和變味的空氣中被人們所察覺。而土壤被污染的過程卻是“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一日地滲入土壤，而水和大氣中的污染物也終會回歸土地，很難被肉眼發(fā)現(xiàn)。

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

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”，南開大學環(huán)境科學與工程學院院長周啟星團隊幾十年來始終致力于研究土壤污染的診斷及修復機制。一直在為土壤“看病”“治病”的周啟星，也成為國內(nèi)最早開展土壤污染和地下水環(huán)境修復基準研究的倡導者和實踐者。

“土壤污染具有潛在性、滯后性等特點，治理修復的難度大、周期長、成本高。”周啟星說，為了解決這個世界性難題，他帶領團隊研究并提出了“土壤典型污染物的快速與多維度精準診斷方法”以及“用植物修復受污染的響應機制”。日前，這項科研成果獲得了2020年度天津市科學技術(shù)獎——自然科學特等獎。

▍土壤也會“生病”

改革開放以來，我國工業(yè)化、城市化進程加快，一些地方片面追求經(jīng)濟效益，盲目開發(fā)資源，且不注意環(huán)境的保護，給我國環(huán)境帶來了不小的傷害。

據(jù)2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，全國土壤總超標率為16.1%。污染物中，以無機物污染(重金屬)為主，有機物污染(農(nóng)藥、抗生素等)次之。不同類型土壤中，耕地土壤超標率高達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，重金屬對土壤的主要污染源頭來自工業(yè)“三廢”，工業(yè)廢渣、廢氣中的重金屬在土壤中擴散、沉降、累積，含重金屬的廢水來灌溉農(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，最終會導致糧食減產(chǎn)，造成巨額的經(jīng)濟損失。

在所有重金屬污染中，尤以鎘污染最為嚴重。20世紀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，居民長期食用含鎘稻米和含鎘水而造成鎘中毒。鎘進入人體后會破壞人體的骨骼系統(tǒng)，使骨質(zhì)變脆易折，也就是人們常說的“骨痛病”。

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

近年來，隨著人們對食品安全問題的重視，一大批采用畜牧糞肥的無公害綠色蔬菜生產(chǎn)基地營運而生。周啟星的學生、南開大學環(huán)境科學與工程學院教授胡獻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)，均存在抗生素超標的問題。

“這是因為牲畜或禽類在飼養(yǎng)過程中就攝入了過量的抗生素，導致其糞便中抗生素也超標，用這樣的動物糞便給土壤施肥，就會使得抗生素大量在土壤中富集，”胡獻剛說，長此以往，會對人體健康以及整個生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成長期潛在危害?？股氐沫h(huán)境污染已成為我國乃至全球面臨的重大環(huán)境問題之一。

▍快速揪出“隱形殺手”

習近平總書記曾多次強調(diào)“強化土壤污染管控和修復，有效防范風險，讓老百姓吃得放心、住得安心”。

“土壤的污染具有復雜性。”周啟星說，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，它們混合作用會使得毒性變得更為復雜，對動植物和微生物也會造成更大的危害。

因為污染原因千頭萬緒，重金屬和抗生素等污染物又看不見、摸不著，這就使得土壤污染的治理成為一件棘手的事。南開團隊經(jīng)過多年積累，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診斷方法。

通過新的辦法能在半小時之內(nèi)就診斷出這個區(qū)域的土壤是否被污染，以及污染到何種程度。胡獻剛說，以往的檢測辦法是通過實地取樣，回到實驗室后在土壤樣本中加入有機試劑，通過較長時間的反應才能得出結(jié)論。因為土壤中各種污染物的含量不同，且可能存在相互作用的問題，也常常會出現(xiàn)一些污染物不易被檢測發(fā)現(xiàn)到的現(xiàn)象。

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

基于污染物對植物生長影響機理機制的研究，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、果實等樣本，使得對土壤污染的分析更加多維和精準。

這樣的多維分析法，正在實現(xiàn)土壤污染的“遠程診斷”。胡獻剛介紹，團隊正將人工智能技術(shù)引入土壤污染診斷中。通過大數(shù)據(jù)分析這個地區(qū)的地理特點，包括土壤使用情況，周邊的空氣、水源等環(huán)境要素，運用算法就能算出這個區(qū)域土壤受污染的情況。據(jù)統(tǒng)計，這樣的大數(shù)據(jù)分析方法準確率在80%-90%左右，“能解決遠程監(jiān)測，以及大面積檢測的需要。”

▍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。重金屬不能像有機化合物那樣降解，可以在土壤中長期存留，是污染土壤中最難修復的一類無機污染物質(zhì)。為此，人們嘗試過各種各樣的辦法給受傷的土壤“治病”。

對小面積污染嚴重的土壤治理，人們采用過物理的辦法——“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。但需花費大量的人力與財力。

后來人們嘗試過化學的辦法，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的作用下定向移動，達到清除重金屬的目的，但容易造成二次污染及某些營養(yǎng)元素的流失和沉淀。

這些物理或化學修復手段要么造價昂貴，要么可能破壞污染土壤場地結(jié)構(gòu)及土壤理化性質(zhì)等。周啟星團隊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——植物修復技術(shù)。

植物修復技術(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，從而達到清潔污染土壤的目的，這是周啟星團隊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。

也就是說，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，通過重復種植可將污染土壤中的重金屬濃度降低到可接受水平。

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

該團隊從千萬種植物中篩選出龍葵、三葉鬼針草等6種修復土壤能力超強的花卉植物并在實際應用中獲得了效果。

在一些土壤污染地區(qū)，他們將這些修復花卉與馬鈴薯等農(nóng)作物套作種植，修復花卉吸收了土壤中的污染物，可作為景觀花卉再次進入市場銷售。而這樣的修復花卉因為不被人類食用，也不會進一步給人體帶來健康危害。

景觀花卉開敗后，可直接通過垃圾回收處理。胡獻剛解釋說，“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，不會給環(huán)境帶來更大負擔。”

專家們的一個共識是，還是要從根本上提高全社會對于土壤污染問題的重視，從源頭上減少污染的產(chǎn)生，而不能只靠亡羊補牢式的修復。

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

采用抗生素來減少病害，也是養(yǎng)殖業(yè)實現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高經(jīng)濟效益的一個普遍的做法，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。胡獻剛提醒，人們對抗生素污染造成的潛在風險重視還不夠，由于抗生素的大量頻繁使用，由抗生素引起的抗藥性問題已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)，將會對人類公共健康構(gòu)成潛在威脅。

他認為，“從源頭上控制，減少各種污染物的排放，是最好的辦法。”