水危機

文穎

連續(xù)四年的干旱使美國加州的水庫逐漸干涸。科學(xué)家正在研究能幫助解決這一危機和全球干旱問題的技術(shù)。

美國一家草坪噴漆服務(wù)公司的網(wǎng)頁宣傳語寫著：“草坪著色，就像為您的草坪做一次美容！”自美國加州發(fā)生旱災(zāi)后，草坪著色 “綠化” 服務(wù)逐漸火爆起來。三年多過去了，這里的旱情仍然沒有結(jié)束的跡象，加州水資源管理局出臺了緊急節(jié)水措施，規(guī)定居民一周澆灌花園不得超過兩次，否則將會受到懲罰。2015年4月初，加州州長宣布限水令，讓水供應(yīng)商減少四分之一的供水量，這條禁令的有效期直至2016年2月。

受到干旱死亡般炙烤的不僅只有草坪，湖泊和水庫的儲水量已降至歷史最低點之一。因無足夠的水灌溉農(nóng)作物，農(nóng)業(yè)受到嚴(yán)重影響。在美國舊金山從事水污染監(jiān)測工作的布萊恩·雷諾克斯經(jīng)營了一個網(wǎng)站，專門報道水資源問題。和其他居住在加州的人一樣，布萊恩·雷諾克斯深刻地感受到了連續(xù)干旱帶來的影響，“沿著5號洲際公路的加利福尼亞州段，放眼望去，滿目都是空蕩的田野和枯樹。因2016年無法從政府部門獲取更多的農(nóng)用水用以灌溉，很多人對此焦慮不已。”

為草坪著色（噴灑的是可降解的環(huán)保物質(zhì)）。

在大海中尋找淡水

如今，水資源短缺已成為一個全球性問題，究其根本，或是因為一些地區(qū)遭遇極度干旱，或人口迅速增加，或水資源分布不均，亦或兼而有之。幾十年來，全球用水量增長率大于人口增長速度，這意味著10年之內(nèi)，世界三分之二的人口將可能面臨“水危機”。這一情況下，人類對水的需求將明顯大于供給。非洲國家水危機仍最為嚴(yán)峻，但即使是很多西方國家也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，不能提供足夠用水，同時，世界上其他地方的水井也在逐漸干涸。

位于以色列的一個海水淡化廠，為當(dāng)?shù)鼐用裉峁└蓛舻挠盟?/p>

在一些干旱國家，2015年的5月至9月幾乎沒有降雨，節(jié)約用水已成為當(dāng)?shù)厝嗣竦囊环N生活方式。然而，美國加州居民并沒有深刻意識到節(jié)水的重要性。 “他們已經(jīng)習(xí)慣了打開水龍頭就可以用水。”雷諾克斯說。經(jīng)過一段時間，水資源教育也許能改變西方國家居民對水的態(tài)度，但也將僅此而已。

幸運的是，有很多科學(xué)家提出了一些解決全球水資源短缺的方案。在以色列，工程技術(shù)人員通過淡化海水獲取了40%的用水。采用淡化技術(shù)脫除海水中的大部分鹽類，使處理后的海水達(dá)到生活和生產(chǎn)用水標(biāo)準(zhǔn)。美國加州正試圖采用這一技術(shù)，以解決水資源危機。

目前，應(yīng)用最廣泛的海水淡化技術(shù)之一——反滲透海水淡化技術(shù)——于20世紀(jì)50年代提出，是當(dāng)今最先進和最節(jié)能有效的膜分離技術(shù)。但問題是這一過程需消耗大量能源。現(xiàn)在，美國馬薩諸塞州劍橋市的相關(guān)研究人員認(rèn)為他們可能已經(jīng)找到了一種能滿足現(xiàn)代社會要求的有效節(jié)能的解決方法。

反滲透海水淡化技術(shù)的原理是在高于溶液滲透壓的作用下，使水透過特制的半透膜，將水和溶解鹽類、微生物、有機物、膠體等分離開來。美國麻省理工學(xué)院的羅希特·尼克博士團隊一直在嘗試用一種超薄的二維碳材料石墨烯制成反滲透膜。在2015年發(fā)表的一項研究成果中，他們介紹：通過“焚燒”鎵原子，可在石墨烯中制備數(shù)萬億納米級微孔，隨后用化學(xué)材料擴大孔徑，直至足以使水分子通過。與傳統(tǒng)的反滲透膜相比，石墨烯制成的半透膜減小了對水的阻力，可像篩子一樣迅速過濾掉鹽等。這一精密過濾技術(shù)大大減少了淡化海水過程中消耗的能源，且過濾膜更高效更耐用。

不過，在這些工程尚未使用石墨烯制成的過濾膜之前，先前干旱時修建的隨后又被遺棄或被縮減規(guī)模的海水淡化工程現(xiàn)在又逐漸開始受到青睞。使用更高性能的過濾膜最終可能意味著更高效地淡化海水，但這些過濾膜的成本如何呢？制備石墨烯成本較高，但尼克認(rèn)為，隨著石墨烯進入工業(yè)應(yīng)用，如采用柔性電子產(chǎn)品，其生產(chǎn)成本就會降下來。他指出：一些公司已經(jīng)開始使用“roll-to-roll生產(chǎn)技術(shù)”（又稱卷對卷制程）進行制備。roll-to-roll生產(chǎn)技術(shù)是一種高效能、連續(xù)性的生產(chǎn)方式，專門處理可撓曲性質(zhì)的薄膜（也稱軟板），該類薄膜從圓筒狀的料卷卷出后，在薄膜上加入特定用途的功能，再卷成圓筒狀或進行裁切。

在太平洋另一邊，創(chuàng)新的水凈化技術(shù)和水資源管理已成為新加坡的國家品牌。新加坡采用膜過濾技術(shù)淡化的海水，占淡水總用量的25%。同時也采用反滲透技術(shù)，在其新建水廠實現(xiàn)廢水資源化處理，制備出符合標(biāo)準(zhǔn)的飲用水。在美國，這一回收過程通常被戲稱為“從廁所到水龍頭”，但它目前仍是一個比較棘手的課題。不過，許多科學(xué)家認(rèn)為經(jīng)廢水資源化處理制備的新生水完全符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

肖恩·卡特勒認(rèn)為特定的殺菌劑可以啟動一個植物的干旱防御機制。

通過廢水資源化和海水淡化制備清潔水可以幫助美國加州人民度過干旱時期，但對水資源形勢十分嚴(yán)峻的另外一些國家仍不會有太大幫助。發(fā)展中國家，尤其是內(nèi)陸國家，將不得不繼續(xù)尋找其他解決方案。

干旱防御措施

在世界上的大多數(shù)地方，尤其是在無法進行淡化海水制備清潔水的內(nèi)陸地區(qū)，種植抗旱作物可作為應(yīng)對水資源短缺的策略之一。非洲一些采用傳統(tǒng)方法灌溉農(nóng)作物的國家早已開始幫助農(nóng)民充分利用干燥條件。例如，20世紀(jì)90年代，乍得（一個非洲國家）的農(nóng)民開始播種耐旱的高粱，這一措施使那里的糧食產(chǎn)量提高了50%。

防御干旱的對策之一是種植更適應(yīng)干燥環(huán)境的改良農(nóng)作物。對于絕望的農(nóng)民而言，播種經(jīng)基因重組產(chǎn)生特定性狀的抗旱作物可能是防止耕地棄荒的一種方式。美國植物科學(xué)家思·卡特勒正在研究如何使用農(nóng)民可用的化學(xué)品改良農(nóng)作物，以提高其抗旱能力。

卡特勒團隊在《自然》雜志上發(fā)表的一篇文章提到了改良農(nóng)作物以提高其抗旱能力，這一方法適用于多種不同作物。他們對與植物中的“小白鼠”——擬南芥進行了DNA測序，通過不斷測色，最終找到了合適的受體——植物分子“開關(guān)”。觸發(fā)“開關(guān)”，可關(guān)閉葉片中便于水蒸氣蒸發(fā)的微孔，從而提高植物蓄水機能。使用農(nóng)用殺蟲劑激活改良后的基因，以提高作物的抗旱蓄水性能。“這一方法十分巧妙”，卡特勒說，“其實植物中還存在其他可被化學(xué)激活的受體。如果采用這一方法，農(nóng)戶最終有可能僅通過在作物田里噴灑一種農(nóng)藥，就能激活植物，使其進行不同的干旱防御機制。”但和歐洲一樣，在美國，仍有聲音質(zhì)疑和反對轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品。卡特勒解釋說： “在美國，除非作物中加入了新的基因，否則不能被視為轉(zhuǎn)基因作物。因此，我們可以提出基因重組改良策略，這樣就不會引發(fā)人們對轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的爭議。”

從稀薄的空氣中獲取水源

世界各地正在試驗一種奇特的方法——從霧氣中收集水滴。自然界中存在著很多具有集水性能的物質(zhì)，如某些植物的葉子和沙漠甲蟲的后背。令人難以置信的是，蜘蛛絲表面的特殊結(jié)構(gòu)，也具有高度集水的性能。 2010年，我國的一個研究團隊在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，揭示了蜘蛛絲表面的特殊結(jié)構(gòu)。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，蜘蛛絲濕潤后，絲纖維表面會形成有粗糙度的凸起結(jié)構(gòu)。

蜘蛛絲表面的“紡錘節(jié)”具有高度集水的性能。

蜘蛛絲表面的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致小水滴流向的差異，進而影響蜘蛛絲的集水性能。這就是為什么我們會看到蜘蛛網(wǎng)水滴總是分別凝聚在凸起結(jié)構(gòu)周圍，科學(xué)家也將此類凸起結(jié)構(gòu)稱之為“紡錘節(jié)”，即蜘蛛絲集水點。目前，科學(xué)家的挑戰(zhàn)是采用便宜的仿生材料制備蜘蛛絲仿生結(jié)構(gòu)，用于在干旱地區(qū)從霧氣中更有效地收集水滴。北京航空航天大學(xué)的鄭詠梅教授及其研究團隊采用人造仿生纖維材料，制成蜘蛛網(wǎng)仿生紡錘節(jié)結(jié)構(gòu)，并將其織成長繩。鄭詠梅教授指出：“仿生纖維的水收集能力優(yōu)于一般纖維。”她還表示，他們正在通過室外試驗測試?yán)w維性能，希望能在世界其他多霧地區(qū)實施此類項目。

在危地馬拉一個小山村，當(dāng)?shù)匕惭b了30個霧滴采集器，人們每天可收集總計約6000升的水量，這足夠3.5個加州居民使用（2011年數(shù)據(jù)）。要知道，原來加州居民澆灌花園等室外用水量約為日常用水量的一半以上。在美國舊金山，雷諾克斯正考慮在家里建立一個霧滴收集裝置，不過他還沒有開始進行。也許人造蜘蛛網(wǎng)不能徹底解決加州水資源問題，但我們目前也找不到一個一勞永逸的方案。

雷諾克斯擔(dān)心，即使在遭受連續(xù)數(shù)年的干旱之后，人們?nèi)匀灰庾R不到水資源短缺的嚴(yán)重性。他建議：包括政治家、農(nóng)民、抽取地下水的瓶裝水公司和想要有漂亮花園卻沒有足夠飲用水的居民在內(nèi)的每一個人都應(yīng)承擔(dān)更多的責(zé)任。我們應(yīng)共同努力，解決地球水資源日趨枯竭的問題。

霧滴收集裝置。

村民喝收集起來的水。

意外的發(fā)現(xiàn)

1950年，美國科學(xué)家達(dá)爾·薩利有一回?zé)o意中發(fā)現(xiàn)海鷗在海上飛行時從海面啜起一大口海水，隔了幾秒后，吐出一小口的海水，而產(chǎn)生疑問，因為陸地上由肺呼吸的動物是絕對無法飲用高鹽分的海水的。經(jīng)過解剖發(fā)現(xiàn)海鷗體內(nèi)有一層薄膜，該薄膜非常精密，海水經(jīng)由海鷗吸入體內(nèi)后加壓，再經(jīng)由壓力作用將水分子貫穿滲透過薄膜轉(zhuǎn)化為淡水，而含有雜質(zhì)及高濃縮鹽分的海水則吐出嘴外，此即往后反滲透法的基本理論架構(gòu)。其后，反滲透膜除了被應(yīng)用在海水淡化問題上，還有科學(xué)家將該項技術(shù)用于太空船上，以此解決太空人的飲水難題。