自然科普:春江水暖“藻”先知
发布时间:2021-04-08
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2021年3月28日,“科普中国-我是科学家”第32期“复苏”演讲现场,北京林业大学环境科学与工程学院教授、中国自然资源学会科普工作委员会委员洪喻带来演讲:《春江水暖“藻”先知》。

以下为洪喻演讲实录:

2021.3.28 北京

非常高兴今天能够来到现场跟大家面对面交流,我的题目是《春江水暖“藻”先知》。大家顾名思义就能想到,春暖花开,水里头的藻要复苏了。那么,藻要复苏,这个事件有没有被以前的诗词歌赋所记录呢?大家可以回忆一下。

第一句是白居易的诗,他里面讲到“春来江水绿如蓝”。绿到了什么程度?还有一点蓝。

第二句是欧阳修的“春水绿於染”,他这句本来的意思是冬去春来,水里面出现了特殊的景象,我们的文人骚客是记录自己的心情,所以留下了这样的文字;但我的工作是环境工程,我是微藻人,我看到这样的诗句就犯职业病了。我就想,这句诗后面是什么样的现象呢?大家可以跟着我的思路想一想,我觉得它应该是爆发水华了。水华是什么?它实际上就是富营养化的水体,就是肥水,里面的营养物质特别多,比较单一的藻在里面爆发性地生长,形成了这样一种现象。

宋代诗人赵汝鐩也有一句诗,大家看,“霁江浮春”“粼粼鸭绿”,这其实也是描述水华现象。

我们诗人是来观察,观察了以后就把它写成诗了,可能零零散散的。但我们总结发现,这些诗人还挺智慧的,诗里头的因素还都挺全的——水华发生得要阳光充足,还得春暖花开、温度上升,另外水还得肥——“新水肥”。同时要有风,不能是大风,得是微风——“东风微”。诗人有这样的情怀去抒情,但我们能不能当旁观者,特别是我搞环境工程的,能不能旁观?我也去欣赏这个美景?那不能,我得去琢磨这事怎么办,它造成的环境污染得怎么去控制。

这就是水华。特别漂亮是吧?绿油油的。| 洪喻供图

给大家看一张照片,这是2014年我在水华爆发现场亲自照的,当时我从桥上随意照下去,我的摄像技术比较烂都能拍成这样。大家看到水华挺漂亮,它白天跟绿叶植物一样光合作用产生氧气,但它到晚上进行呼吸作用,会消耗水里面的氧气。所以,爆发水华的时候,往往会出现过了一夜,水里的鱼全都死了翻鱼肚白上来的情况;有的还会释放一些嗅味物质,特别难闻,比如2007年的太湖水华事件,很多人家里自来水很难闻,所以他们都去买矿泉水了;另外,一些水华藻会释放藻毒素,有可能溜进我们的自来水处理系统,后续我们人类的健康就有可能受到威胁。所以,我们就要去控制水华。

我和学生出野外 | 洪喻供图

我们做水华控制的经常要去野外。这里我给大家看几张图片,左边这张是我带着学生去现场采水样,大家看是不是挺危险,得在水面上操作。右边这张,本来我想po几张有我脸的照片,但是一般水华爆发的时候,我们都裹得严严实实,包括我的学生也看不到脸。我们在水边取水的时候,还得小心一点,经常搞不好就呲溜进去,照片中这个小型景观水体虽然淹不死,但水多脏啊,谁愿意到里头洗个澡。

听到我们做水华控制,很多人会想,那你们就把坏的藻抑制住,或者把它拿掉呗。是不是这样,大家往根里想,我们这么做到底是为什么。

显微镜下的微藻 | 洪喻供图

我这个地方拿了古文《毘尼日用》里头一句话来说,“佛观一碗水,八万四千虫”。这说明什么?古人从哲学上就知道一滴水里面有很多很多微生物。底下这些很漂亮的藻是我们以前去采水样的时候,把里面的藻用显微拍照出来的,这些只是很小的一部分。所以我们能看到,微藻也是丰富多彩的。因此我们知道了,我们控制水华是干什么?不能让单一的水华藻爆发性生长,把别的藻想生存的空间都给剥夺了。我们控制水华,实际上就是保护生物多样性和保护生态,去帮助生态更好地复苏。

接下来大家就知道了,我们得和水华、水华藻去斗智斗勇。实际上,我在博士期间就开始从事这个工作。

现在回想一下当年,我当时想过了大概三种办法——

首先是物理处置,是不是可以开发絮凝剂往水里扔?但每年都会发生水华,如果用絮凝剂去絮凝藻,那年年都得投,水底下的底泥就会越来越厚。

要不然,开发一个化学试剂去杀藻?效果立竿见影,很快就把藻杀死了,但会面临一个新问题:藻死了,藻细胞里面很多有机物质又释放了,搞不好藻杀完后,水还越来越臭。

我以前就学生物工程,我还想,是不是可以通过滤食性的鱼或者其他生物控制的手段来控制。但我又想,鱼它可以自己游,放进去后我就不太好控制它。

那怎么办?后来,我想可以从科学规律着手。因为水华它不是一天就发生的,它是水华藻一个变两个、两个变四个这么一点点长的,所以胖子不是一天吃成的。我当时就想,我可以根据藻的密度来——低密度的时候,我把它的活性抑制住,高密度的时候,我把它逮住拿走。于是,我开始依据这个思路来研究技术。

我又想,自然界有没有这样的武器、利器给我们使用,进化的过程中有没有这样的方法蕴藏在身边?于是我就查文献资料,果不其然真有,叫“化感作用”。

由于桉树具有化感作用,树下不怎么长草 | 图虫创意

咱们来看这张图,图中是一片桉树林。不知道大家有没有去过桉树林的现场,桉树底下不怎么长草,因为桉树能够释放酚酸类等化感物质。如果我们用一样的原理去想,在自然界水体里头找到能特异性抑制水华藻生长的水生植物,是不是就可以控制水华?

芦竹抑藻 | 洪喻供图

我们做了很多研究,找到了好几种能够分泌强抑藻物质的植物,比如芦竹、荷叶,还包括我们的行道树落叶,像银杏、毛白杨就有这样的效果。这张图中,左边是对照组,右边我们把芦竹的水净体液放到水华水体里头去,过不了几天(当然也是需要几天的,不是马上立竿见影),水就清澈透明了,效果还蛮好的。

效果有了,我们就想,这里面是什么起到了作用?于是我们就开始找里面的活性物质。大家可以想象一下,假如我们要去逮犯罪分子,该怎么做?当然这里面的抑藻物质是好的,但可以这么去想。我们要先找到嫌疑犯,然后一点一点去细扣,最后把犯罪分子给找出来,找到犯罪分子之前都叫嫌疑犯,最后找到了,我们叫犯罪分子。

我们先找到嫌疑犯,然后一点一点去细扣,最后把犯罪分子给找出来 | 洪喻供图

所以我们就把这些化感物质一分为二,二分为四,一个一个分完了以后把它们关进瓶子里。然后我们发现,有的瓶子里面水华藻还长,活得好好的,但有的瓶子里面藻不长了。于是我们就知道,这个瓶子里面加进去的化感物质是有作用的,它就不是潜在的化感物质了,而是我们的目标物质。我们再对它进行鉴定,就能够掌握这个物质的信息。

刚刚讲到化感物质,我也说了,它抑制水华藻生长还得要几天,我觉得还是长了,尤其是水华爆发的现场,水华都爆发在那儿了,我还得等几天,谁受得了。所以针对高密度的藻,我们又想怎么把它给逮走,能不能把它抓出来。

其实科学就是源于生活。现场的很多小朋友应该都玩过磁铁,我们也是一样,想能不能把这个原理用过来抓藻。经过研究,我们发现藻的表面带负电,上面有很多小爪子,是糖蛋白、羧基这些结构。于是,我们就去寻找化学材料,能够结合到这样的小爪子上,手拉手一样地把藻给拽出来。拽出来的过程中,我们给这个复合材料复磁,让它有磁性,我们用的是磁性四氧化三铁。于是乎我们就研发出来了两个:一种物质用来抓藻,一种物质上面带着磁性物质再去抓藻。

这样的复合材料我们研发了一系列,实际上在现实当中也有应用了。只是现实当中利用磁捕船,是将特定的物质扔进水中(和水华藻结合),大家可以将这种物质想象成铁,我们把铁磨碎成粉再扔到水里头去,能够结合一部分藻,等结合后我们再开个船,用磁捕船给它磁性,嗖地过去,藻就被船拿走了,但这里面的效率还是可以大大地提高,还需要去通过研究来进行。

那大家听完了我刚才介绍的,会想:你做的这个(治理水华的)工作这么好,效率这么高。但是不是真的这样呢?实际上,我在做科学研究的过程中经常看文献,我发现总有好的文献能够超过之前的,所以研究技术没有最好,只有更好。

我们在研究的过程中,前面发现了化感物质,后面又去做了捕获材料。我们就想,能不能给化感物质装上导弹来制导,让它在特定的地方去抑制藻?

给抑藻剂导航 | 洪喻供图

于是我们用硅藻土加上了化感物质直奔底泥。如果我们在底泥里就把藻抑制在初级生长阶段,它就不会爆发了;如果不幸它漂起来了,边漂还边长,我们可以拿活性炭这样的材料吸附化感物质,到那儿去抑制藻的生长;如果不幸我们发现得比较晚,藻已经浮上来变成了藻毯,在水面上绿油油的,就像我前面拍的照片一样,这时候我们就用前面磁捕获那个方法把它吸走了。我们想,这个技术今后还是有一定前景的。

我讲了制导,又讲了磁捕获,这些方法快不快?化感物质我之前也说过,它的效果不是立竿见影。人总是比较贪婪的,尤其是做科研,总希望越快越好。我们前面讲了,投硫酸铜到水里,效果立竿见影,特别好,但鱼会死。我们能不能又立竿见影,鱼又不会死,还能耗比较低?

于是我们又想到,藻不是带负电吗,那我给藻加上电压行不行,去扰乱藻表面的电荷平衡。藻细胞它也有墙(指细胞壁和细胞膜),我们加电让它紊乱了以后,墙就会有裂缝,甚至电压加得合适了,可能一面墙都倒了,这时候藻就会被抑制住甚至被杀死。

为了进一步改进这个方法,我们又用了纳米线,纳米线是横向的,小于一百纳米,用这样的线去做尖端,类似避雷针那样尖端放电,就相当于给我们低压电场的情况底下装了一门大炮对着藻去轰炸,把它炸出一个孔出来。这个方法现在虽然只是发了文章,但比较有前景,成本低,能耗也低,还比较安全——属于物理方法。

大家知道,技术是有研发周期的,有的长有的短,前面我们讲到的一些方法中,植物的化感作用现在在水体里头已经应用了。

综合治理前后白洋淀水质对比 | 左:洪喻供图;右:图虫创意

左边这张图是我2018年在白洋淀做水专项考察时拍摄的一张照片,大家能看到水华还比较厉害。我们筛选了优势植物,并且进行了搭配来控制水体富营养化和防止出现水华爆发。

经过几年的科研攻关,大家看右边这张图,现在的白洋淀是不是水质蛮好的?

小区景观实体 | 图虫创意

我们的这个技术还能用在什么地方?我们的化感物质毕竟是外加的,所以在保守情况下,我觉得我们的化感物质还能用在一些小型的半封闭或者封闭的景观水体里头,比如大家小区里的景观池塘,一些高尔夫球场的景观水体,还有一些小型的人工湖等等。我们做北京市科委的小型景观水体水华防治和河南省科技计划项目的时候做过一些这样的工作。

前面我们讲的都是治标,水是肥水,春暖花开后,它冷不丁可能就爆发,所以我们治标的这些技术都是它发生了我们再去治,或者去提前预警。那我们想一想,能不能根治它,能不能治本,我们让水还没肥之前就把它解决。我有这个想法是2009年开始的。我想,能不能让我的藻参与到污水处理过程中。

所以接下来我就给大家讲讲一个Q的故事。这个Q不是大家过年看的《唐探3》里面那个邪恶的Q,我这里面的Q是一个小姑娘。

这个小球藻叫Chlorella sp. HQ,其中H是我的姓,洪,Q是我学生的姓,秦 | 洪喻供图

2009年,我还不能招研究生,就带着我的本科生一起做实验。当时我想,我就用别人已经发现的高价值的藻来做研究。我把这个藻买来后,因为想让它处理污水,所以我就把它暴露在空气中,想看看处理效果怎么样。我这个学生大二就进到实验室,她非常用功,天天都在实验室待着,有一次很凑巧去测了这个水。

她告诉我,老师,这个藻果不其然产油效果很好,是高价值的藻。

我说,好啊,那你镜检一下吧。

她镜检后告诉我,老师,很不幸,这个藻不是你当时买来的藻。

我就说,那这个藻哪来的?

找了一圈,发现不是我们实验室的藻。我们后续继续去分离、纯化、鉴定,发现这个藻实际上是一株小球藻,但我们至今仍未知道这些小球藻是从哪儿来的。所以大家能看到,我们的科学研究是什么,虽然有机会在那儿,还得要你足够勤奋才能抓得住。

我乐于跟大家分享我的工作 | 洪喻供图

我做了这么些工作,虽然做的也不是太多,但我还是乐于跟大家分享。我记得我以前分享的时候提过一个问题,今天我也考考大家:我们现在呼吸的空气,是什么制造的,主要是来源于什么?

地球上的氧气,有一部分是我们的绿叶植物所生产的,还有很大一部分,超过一半都是我们的微藻制造的。大家知道吗,我们现在地球上的微藻已经发现了两万多种,而且还有很多没有被发现。所以我们就更能知道,水华控制的意义是什么——保护微藻的生物多样性,保持水生生态的生态平衡,让它的生态恢复能够是一个健康的恢复。

不知道大家有没有关注过2007年太湖水华事件新闻,当时那个事件影响挺大。以前的人们,包括一些企业,他们的环保理念其实不是太强,所以很多时候往往都是环境污染发生了,再去治理。我们环境人其实有点像救火队员,哪里出了事,就冲到那儿去解决。近几年来习大大提出“绿水青山就是金山银山”,大家也慢慢感知到,好的生态环境才能保持社会的绿色可持续发展。

我作为微藻人,今后也将继续带着我的学生们开展微藻相关的工作。我希望把我控制有害藻的工作做得更好,扭转水生态恶化的局面,然后利用我的有益藻去前端做更好的污水处理,帮助水环境得到恢复,同时让水生生态系统更好地复苏。

谢谢大家。


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