周启星教授在孔雀草田间实验现场。南开大学供图
龙葵对污染胁迫生长响应室内实验。南开大学供图
土地默默滋养万物，人类活动却让它成了各种污染物流向的“最后的垃圾桶”。
水污染和大气污染是显而易见的，因为污水和废气一旦排放出来，很容易在变色的河水和变味的空气中被人们所察觉。而土壤被污染的过程却是“默不作声”的：工农业生产、城市垃圾等含有的重金属日复一日地渗入土壤，而水和大气中的污染物也终会回归土地，很难被肉眼发现。
土壤的“隐疾”就这样在不知不觉中累积，如同一个“生物定时炸弹”，往往直到一地出现土壤污染导致的中毒事件，人们才意识到这里的土壤“生病了”。而此时，人类已经付出了惨痛的代价。
为了快速发现“生病”的土壤，并让大量被污染的土壤重新变“清洁”，南开大学环境科学与工程学院院长周启星团队几十年来始终致力于研究土壤污染的诊断及修复机制。一直在为土壤“看病”“治病”的周启星，也成为国内最早开展土壤污染和地下水环境修复基准研究的倡导者和实践者。
“土壤污染具有潜在性、滞后性等特点，治理修复的难度大、周期长、成本高。”周启星说，为了解决这个世界性难题，他带领团队研究并提出了“土壤典型污染物的快速与多维度精准诊断方法”以及“用植物修复受污染的响应机制”。日前，这项科研成果获得了2020年度天津市科学技术奖——自然科学特等奖。
▍土壤也会“生病”
改革开放以来，我国工业化、城市化进程加快，一些地方片面追求经济效益，盲目开发资源，且不注意环境的保护，给我国环境带来了不小的伤害。
据2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤总超标率为16.1%。污染物中，以无机物污染(重金属)为主，有机物污染(农药、抗生素等)次之。不同类型土壤中，耕地土壤超标率高达19.4%，涉及面广、污染量大，危及农产品质量安全、人居环境安全和生态环境安全。
周启星介绍，重金属对土壤的主要污染源头来自工业“三废”，工业废渣、废气中的重金属在土壤中扩散、沉降、累积，含重金属的废水来灌溉农田。此外含重金属的农药、磷肥等的大量施用，也使得大量重金属富集在土壤的表层，最终会导致粮食减产，造成巨额的经济损失。
在所有重金属污染中，尤以镉污染最为严重。20世纪60年代，在日本的富山县神通川流域，由于铅锌冶炼厂排放的含镉废水污染水稻田，居民长期食用含镉稻米和含镉水而造成镉中毒。镉进入人体后会破坏人体的骨骼系统，使骨质变脆易折，也就是人们常说的“骨痛病”。
一个值得注意的现象是，近年来，人们越发关注土壤中重金属、农药等人类健康“隐形杀手”的诊断和治理问题。与此同时却很容易忽视藏匿在土壤中的另一个“隐形杀手”——超标的抗生素，也在向人类健康发起挑战。
近年来，随着人们对食品安全问题的重视，一大批采用畜牧粪肥的无公害绿色蔬菜生产基地营运而生。周启星的学生、南开大学环境科学与工程学院教授胡献刚走访了大量使用畜牧粪肥的农作物蔬菜基地后发现，均存在抗生素超标的问题。
“这是因为牲畜或禽类在饲养过程中就摄入了过量的抗生素，导致其粪便中抗生素也超标，用这样的动物粪便给土壤施肥，就会使得抗生素大量在土壤中富集，”胡献刚说，长此以往，会对人体健康以及整个生态系统构成长期潜在危害。抗生素的环境污染已成为我国乃至全球面临的重大环境问题之一。
▍快速揪出“隐形杀手”
习近平总书记曾多次强调“强化土壤污染管控和修复，有效防范风险，让老百姓吃得放心、住得安心”。
“土壤的污染具有复杂性。”周启星说，土壤的重金属污染除了一些主要的有毒重金属污染之外，还有一些毒性小的重金属，它们混合作用会使得毒性变得更为复杂，对动植物和微生物也会造成更大的危害。
因为污染原因千头万绪，重金属和抗生素等污染物又看不见、摸不着，这就使得土壤污染的治理成为一件棘手的事。南开团队经过多年积累，首次建立了土壤典型污染物，包括重金属、PAHs和抗生素等的快速与多维度精准诊断方法。
通过新的办法能在半小时之内就诊断出这个区域的土壤是否被污染，以及污染到何种程度。胡献刚说，以往的检测办法是通过实地取样，回到实验室后在土壤样本中加入有机试剂，通过较长时间的反应才能得出结论。因为土壤中各种污染物的含量不同，且可能存在相互作用的问题，也常常会出现一些污染物不易被检测发现到的现象。
南开大学的研究者采用微波辅助萃取的方法，用微波加速有机溶剂与土壤的快速充分反应，能在半小时之内，就让土壤中的重金属、抗生素等污染物“现形”。
基于污染物对植物生长影响机理机制的研究，研究者们选择了更为系统的采样方式。不仅只收集土壤样本，还有地下水、植物根茎、果实等样本，使得对土壤污染的分析更加多维和精准。
这样的多维分析法，正在实现土壤污染的“远程诊断”。胡献刚介绍，团队正将人工智能技术引入土壤污染诊断中。通过大数据分析这个地区的地理特点，包括土壤使用情况，周边的空气、水源等环境要素，运用算法就能算出这个区域土壤受污染的情况。据统计，这样的大数据分析方法准确率在80%-90%左右，“能解决远程监测，以及大面积检测的需要。”
▍植物“医生”给土壤“治病”
重金属一旦沉积在土壤中，想要把它清除出去并非易事。重金属不能像有机化合物那样降解，可以在土壤中长期存留，是污染土壤中最难修复的一类无机污染物质。为此，人们尝试过各种各样的办法给受伤的土壤“治病”。
对小面积污染严重的土壤治理，人们采用过物理的办法——“改土法”，即在被污染的土壤上覆盖一层非污染土壤，或是将污染土壤部分或全部换掉。但需花费大量的人力与财力。
后来人们尝试过化学的办法，比如“电化法”，即在水分饱和的污染土壤中插入电极，通电使得金属离子在电场的作用下定向移动，达到清除重金属的目的，但容易造成二次污染及某些营养元素的流失和沉淀。
这些物理或化学修复手段要么造价昂贵，要么可能破坏污染土壤场地结构及土壤理化性质等。周启星团队一直在寻找既不破坏土壤生态环境，又能保持土壤结构和微生物活性的土壤污染治理的新途径——植物修复技术。
植物修复技术，即利用植物的超量吸收积累特性从污染土壤中“提取”重金属，从而达到清洁污染土壤的目的，这是周启星团队眼下找到的最有效的办法。“比起其他方法，它成本低廉、安全性高且效果持久。”周启星说。
也就是说，在被污染的土地上，种植一些能够超量吸收重金属的植物。这类植物对重金属等污染物的吸附效率是普通植物的几十倍甚至几百倍，通过重复种植可将污染土壤中的重金属浓度降低到可接受水平。
植物修复技术的处理费用很低，与常规的填埋法相比具有明显的优势，尤其适合于在发展中国家应用。植物修复技术还具有保护表土、减少侵蚀和水土流失的功效，可广泛应用于矿山的复垦、重金属污染土壤的改良，是目前最清洁的污染处理技术。
该团队从千万种植物中筛选出龙葵、三叶鬼针草等6种修复土壤能力超强的花卉植物并在实际应用中获得了效果。
在一些土壤污染地区，他们将这些修复花卉与马铃薯等农作物套作种植，修复花卉吸收了土壤中的污染物，可作为景观花卉再次进入市场销售。而这样的修复花卉因为不被人类食用，也不会进一步给人体带来健康危害。
景观花卉开败后，可直接通过垃圾回收处理。胡献刚解释说，“正如电池集中收集更容易造成污染一样，单盆或少量花卉仍残存微量重金属，不会给环境带来更大负担。”
专家们的一个共识是，还是要从根本上提高全社会对于土壤污染问题的重视，从源头上减少污染的产生，而不能只靠亡羊补牢式的修复。
比如，在极易出现重金属污染的石油开采地区或是相关厂区，应格外重视源头上控制污染物的产生和扩散。
采用抗生素来减少病害，也是养殖业实现增加产量、提高经济效益的一个普遍的做法，研究表明，抗生素药物只有15%可被吸收利用，剩下的85%被直接排放至环境中。胡献刚提醒，人们对抗生素污染造成的潜在风险重视还不够，由于抗生素的大量频繁使用，由抗生素引起的抗药性问题已经逐渐显现，将会对人类公共健康构成潜在威胁。
他认为，“从源头上控制，减少各种污染物的排放，是最好的办法。”
