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拒绝浪费,绿潮藻类的资源化利用

已有 880 次阅读 2021-5-22 08:47 |系统分类:科普集锦

近年来,我国沿海地区每年夏季都要打捞起大量浒苔,然后以固体废弃物的形式填埋或焚烧处置,既加重了城市环卫的负担,又浪费了资源。实际上,相对于其他城市固定废弃物,浒苔的资源化利用具有广阔的前景。

海上“草原”

夏季到青岛看草原,这些年几乎成了一句流行语,但沿海城市何来草原?这自然是一句调侃的段子:每年6月底7月初,绿潮大面积入侵青岛近海,潮间带浒苔密被,黄金海岸化身青葱“草原”。事实上,自2007年以来,我国黄海的局部海域连年暴发大规模绿潮,影响范围最大时达6万平方千米,累计覆盖面积2 700平方千米,约有青岛市区面积的2倍。绿潮规模之大位居世界首位。

家族成员

形成绿潮的藻类主要由绿藻门石莼目石莼科的石莼属和浒苔属、刚毛藻目刚毛藻科的刚毛藻属和硬毛藻属等大型定生绿藻组成。其中,以石莼属和浒苔属最为常见。为管理和研究方便,目前国际上已把浒苔属并入石莼属。我国黄海绿潮的优势种包括扁浒苔、曲浒苔、缘管浒苔、条浒苔和浒苔等浒苔属藻类。

浒苔的繁殖能力和生长速度究竟有多强?据研究,漂浮海面的浒苔有单性生殖、无性生殖和有性生殖等多种繁殖方式,一株成熟的浒苔藻体有四分之一的部分能释放生殖细胞,产生约1 150万个游孢子或2 310万个配子;在营养丰富及适宜的水温和光照条件下,浒苔的日生长速率最高可达50%60%,以此速度,50天左右绿潮的面积就能扩大180倍。因此,漂浮浒苔强大的繁殖能力和生长能力是其生物量快速增长并引起绿潮的主要原因之一。

外国的“月亮”

我国绿潮的规模为世界之最,那世界上其他国家是什么状况?自20世纪70年代起,美国、法国、南非、菲律宾和日本等国的沿海地区都发生过较大规模的绿潮,直至今天,绿潮在这些国家仍时有发生,没有完全得到防治。这是一个令世界沿海各国政府都头痛不已的难题。

北海位于欧洲大陆的西北边缘,沿岸的英国、法国、德国和挪威等7个国家通过大力削减氮、磷等营养物质的排放,绿潮最终得到控制。但是在法国西北部的旅游胜地布列塔尼,这里绿潮的危害程度比20世纪70年代还要严重。例如,2009年,布列塔尼海滩堆积的绿藻——石莼——腐败分解产生的硫化氢气体毒死了海滩边的一匹马;2011年,该地区又有30头野猪因此丧命。

营养成分、水温和光照强度是绿潮暴发的关键因素,单纯针对某一方面的治理往往很难起到理想的效果。例如,日本自20世纪70年代以后就已经立法严格控制向东京湾和濑户内海排放营养物质,但绿潮仍然连年发生。气候变化导致的近海海水升温被认为是诱发绿潮的关键原因。因此,相对于控制氮、磷等营养物质的输入,在海水温度没有升高到绿潮暴发的适宜温度前打捞绿藻,抑制其迅速增殖,是一个相对更有效的方法。因此,防治绿潮需要根据其产生原因开展针对性的综合治理。

如何利用绿潮藻类

各国政府都采用过人工清理的方式来清除海边堆积的绿藻,虽然直接且有效,但是耗资较高。例如,澳大利亚政府每年拨出23万澳元用来清理其西南部皮尔湾内的绿藻;英国政府在2003年专门拨出10.73万英镑用于清理海边漂浮的海藻。然而,大多数耗费巨资打捞上岸的浒苔却被当作垃圾填埋或焚烧,综合利用率很低,大量的生物质资源被浪费,十分可惜。

作为水体富营养化的产物,我国绿潮藻类的优势种浒苔生长速度快、产量巨大、营养物质含量丰富,具有较高的利用价值。因此,浒苔绿潮暴发给海洋带来生态灾难的同时,也给人类带来宝贵的生物质资源。浒苔的综合利用主要包括开发有机肥料、生物质能源、食品和添加剂、饲料、药品以及工程材料等几个方面。

肥料  首先,晾干后的浒苔含氮量在2.3%3.5%,而普通农作物秸秆(如玉米杆和小麦秆)的含氮量仅在0.1%1.1%,不足浒苔的三分之一。其次,就表征矿物质总量的指标——灰分含量——而言,浒苔的灰分含量在30%以上,而农作物秸秆的灰份含量在1%10%,远低于浒苔。因此,以浒苔为主料堆肥制成的有机肥料有机质含量高达50%以上,并富含氮、磷和钾等营养成分,不逊于用农作物秸秆、畜禽粪便和污泥等制成的有机肥。据报道,浒苔有机肥对蔬菜产量有明显的促进作用,肥效(肥料施入土壤后对作物所产生的增产效果)可与鸡粪堆肥相当,但重金属和抗生素等有害物质含量远低于后者。

生物质能  生物质能是指直接或间接利用绿色植物的光合作用,把太阳能转化为化学能后固定或贮藏在生物体内的能量。目前,生物质能是唯一一种可同时转化为固、液、气三种形态的能源,具有环境友好和可再生的双重特性,在我国是仅次于煤、石油和天然气的第四大能源。而在瑞典,生物质能、太阳能、风能和地热能等可更新能源占全国能源供应的52%,其中,主要来源于森林木质材料的生物质能源就超过20%。

浒苔生物质能的开发主要包括通过热解生产生物柴油和生物炭,使用发酵法制取乙醇和沼气等。据研究,浒苔裂解产生的生物柴油的密度与使用木材和秸秆等裂解产生的相差无几,并具有更高的碳氢含量。浒苔还可以在隔绝氧气或充氮的情况下以较低的温度(300800℃)热解制取生物炭。生物炭作为土壤改良剂,在固碳、减少温室气体排放、改良土壤肥力和修复受污染土壤等方面具有广阔的应用前景。

笔者所在的课题组以干制浒苔为原料,在350650℃的温度下热解制取生物炭,其孔径和比表面积与相应条件下制成的玉米秸秆生物炭相近,但含氮量和灰分含量都远高于后者。浒苔生物炭还有较高的酸碱度,如650℃制成的生物炭酸碱度在9.5左右,呈弱碱性。目前,由于过量施用化肥、工矿污染或大气污染形成的酸雨等原因,我国部分地区的土壤酸化越来越严重,浒苔生物炭以其较高的营养成分和酸碱度,在酸化土壤改良和修复方面具有较大潜力。

饲料  浒苔富含碳水化合物、粗纤维、矿物质、高蛋白、低脂肪和人体必需的8种氨基酸,营养全面。其中,氨基酸的含量接近世界粮农组织提出的氨基酸模式,具有较好的食用价值,可以作为一种质优价廉的天然饲料。据报道,在常规鸡饲料中添加浒苔,可以显著改善蛋黄的颜色、提高鸡蛋的品质和促进蛋鸡的产蛋能力;在猪日粮中添加10%的新鲜浒苔,能显著促进猪的生长,其平均日增重量比对照组提高11%。

食品  浒苔颜色碧绿,营养丰富,但因其有浓重的藻类腥味,难以直接食用。通过脱腥、提取、加工和合成等工序后,浒苔可以制成多种食品。例如,浒苔通过高压隔水蒸煮脱腥可制成罐头,也可通过冷冻干燥获得浒苔精粉制作浒苔干脆面和饼干。最令人称道的是,浒苔可制成风味独特、健康养生的绿藻果汁复合饮料,口味淡雅、色泽宜人、香气柔和,毫无一丝海藻腥味。

药品  浒苔的主要成分为多糖和粗纤维,含量占干重的60%以上。因此,可以利用浒苔提取多糖等活性物质应用于医疗。实际上,浒苔的药用价值在我国古代就已被发现:《本草纲目》记载干苔“烧末吹鼻止衄血,汤浸捣敷手背肿痛”;《随息居饮食谱》称干苔“清胆,消瘰疠瘿瘤,泄胀、化痰,治水土不服”。

工程材料  浒苔在制作防雨材料、吸声材料、建筑材料和塑料等方面具有广泛的应用价值。 

需要注意的是,自然生长的浒苔具有极强的季节性,因此,原料的供应和贮存是浒苔资源化产业链中的最大难题。不过,人工养殖浒苔可以解决原料的季节性问题。总而言之,浒苔的资源化利用在我国生物质能资源短缺的情况下具有深远的意义。

(本文发表于《大自然杂志》2017年第1期,有改动)




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1 郑永军

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