文穎

連續(xù)四年的干旱使美國(guó)加州的水庫(kù)逐漸干涸?？茖W(xué)家正在研究能幫助解決這一危機(jī)和全球干旱問(wèn)題的技術(shù)。

美國(guó)一家草坪噴漆服務(wù)公司的網(wǎng)頁(yè)宣傳語(yǔ)寫(xiě)著：“草坪著色，就像為您的草坪做一次美容！”自美國(guó)加州發(fā)生旱災(zāi)后，草坪著色 “綠化” 服務(wù)逐漸火爆起來(lái)。三年多過(guò)去了，這里的旱情仍然沒(méi)有結(jié)束的跡象，加州水資源管理局出臺(tái)了緊急節(jié)水措施，規(guī)定居民一周澆灌花園不得超過(guò)兩次，否則將會(huì)受到懲罰。2015年4月初，加州州長(zhǎng)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(kù)的儲(chǔ)水量已降至歷史最低點(diǎn)之一。因無(wú)足夠的水灌溉農(nóng)作物，農(nóng)業(yè)受到嚴(yán)重影響。在美國(guó)舊金山從事水污染監(jiān)測(cè)工作的布萊恩·雷諾克斯經(jīng)營(yíng)了一個(gè)網(wǎng)站，專(zhuān)門(mén)報(bào)道水資源問(wèn)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(lái)的影響，“沿著5號(hào)洲際公路的加利福尼亞州段，放眼望去，滿(mǎn)目都是空蕩的田野和枯樹(shù)。因2016年無(wú)法從政府部門(mén)獲取更多的農(nóng)用水用以灌溉，很多人對(duì)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(gè)全球性問(wèn)題，究其根本，或是因?yàn)橐恍┑貐^(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(lái)，全球用水量增長(zhǎng)率大于人口增長(zhǎng)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(jī)”。這一情況下，人類(lèi)對(duì)水的需求將明顯大于供給。非洲國(guó)家水危機(jī)仍最為嚴(yán)峻，但即使是很多西方國(guó)家也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，不能提供足夠用水，同時(shí)，世界上其他地方的水井也在逐漸干涸。

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

在一些干旱國(guó)家，2015年的5月至9月幾乎沒(méi)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(guó)加州居民并沒(méi)有深刻意識(shí)到節(jié)水的重要性。 “他們已經(jīng)習(xí)慣了打開(kāi)水龍頭就可以用水。”雷諾克斯說(shuō)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，水資源教育也許能改變西方國(guó)家居民對(duì)水的態(tài)度，但也將僅此而已。

幸運(yùn)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(guò)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(lèi)，使處理后的海水達(dá)到生活和生產(chǎn)用水標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)加州正試圖采用這一技術(shù)，以解決水資源危機(jī)。

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(jìn)和最節(jié)能有效的膜分離技術(shù)。但問(wèn)題是這一過(guò)程需消耗大量能源?，F(xiàn)在，美國(guó)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(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)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(guò)特制的半透膜，將水和溶解鹽類(lèi)、微生物、有機(jī)物、膠體等分離開(kāi)來(lái)。美國(guó)麻省理工學(xué)院的羅希特·尼克博士團(tuán)隊(duì)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(xiàng)研究成果中，他們介紹：通過(guò)“焚燒”鎵原子，可在石墨烯中制備數(shù)萬(wàn)億納米級(jí)微孔，隨后用化學(xué)材料擴(kuò)大孔徑，直至足以使水分子通過(guò)。與傳統(tǒng)的反滲透膜相比，石墨烯制成的半透膜減小了對(duì)水的阻力，可像篩子一樣迅速過(guò)濾掉鹽等。這一精密過(guò)濾技術(shù)大大減少了淡化海水過(guò)程中消耗的能源，且過(guò)濾膜更高效更耐用。

不過(guò)，在這些工程尚未使用石墨烯制成的過(guò)濾膜之前，先前干旱時(shí)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(kāi)始受到青睞。使用更高性能的過(guò)濾膜最終可能意味著更高效地淡化海水，但這些過(guò)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(jìn)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(huì)降下來(lái)。他指出：一些公司已經(jīng)開(kāi)始使用“roll-to-roll生產(chǎn)技術(shù)”（又稱(chēng)卷對(duì)卷制程）進(jìn)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(zhuān)門(mén)處理可撓曲性質(zhì)的薄膜（也稱(chēng)軟板），該類(lèi)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(jìn)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(guó)家品牌。新加坡采用膜過(guò)濾技術(shù)淡化的海水，占淡水總用量的25%。同時(shí)也采用反滲透技術(shù)，在其新建水廠(chǎng)實(shí)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(guó)，這一回收過(guò)程通常被戲稱(chēng)為“從廁所到水龍頭”，但它目前仍是一個(gè)比較棘手的課題。不過(guò)，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(dòng)一個(gè)植物的干旱防御機(jī)制。

通過(guò)廢水資源化和海水淡化制備清潔水可以幫助美國(guó)加州人民度過(guò)干旱時(shí)期，但對(duì)水資源形勢(shì)十分嚴(yán)峻的另外一些國(guó)家仍不會(huì)有太大幫助。發(fā)展中國(guó)家，尤其是內(nèi)陸國(guó)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(wú)法進(jìn)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(duì)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(guó)家早已開(kāi)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(gè)非洲國(guó)家）的農(nóng)民開(kāi)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(duì)策之一是種植更適應(yīng)干燥環(huán)境的改良農(nóng)作物。對(duì)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(guó)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?qǐng)F(tuán)隊(duì)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(duì)與植物中的“小白鼠”——擬南芥進(jìn)行了DNA測(cè)序，通過(guò)不斷測(cè)色，最終找到了合適的受體——植物分子“開(kāi)關(guān)”。觸發(fā)“開(kāi)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(jī)能。使用農(nóng)用殺蟲(chóng)劑激活改良后的基因，以提高作物的抗旱蓄水性能?！斑@一方法十分巧妙”，卡特勒說(shuō)，“其實(shí)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(hù)最終有可能僅通過(guò)在作物田里噴灑一種農(nóng)藥，就能激活植物，使其進(jìn)行不同的干旱防御機(jī)制?！钡蜌W洲一樣，在美國(guó)，仍有聲音質(zhì)疑和反對(duì)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品?？ㄌ乩战忉屨f(shuō)： “在美國(guó)，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(huì)引發(fā)人們對(duì)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的爭(zhēng)議。”

從稀薄的空氣中獲取水源

世界各地正在試驗(yàn)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(chóng)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(guó)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)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)?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，蜘蛛絲濕潤(rùn)后，絲纖維表面會(huì)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(huì)導(dǎo)致小水滴流向的差異，進(jìn)而影響蜘蛛絲的集水性能。這就是為什么我們會(huì)看到蜘蛛網(wǎng)水滴總是分別凝聚在凸起結(jié)構(gòu)周?chē)茖W(xué)家也將此類(lèi)凸起結(jié)構(gòu)稱(chēng)之為“紡錘節(jié)”，即蜘蛛絲集水點(diǎn)。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(tuán)隊(duì)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(zhǎng)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(guò)室外試驗(yàn)測(cè)試?yán)w維性能，希望能在世界其他多霧地區(qū)實(shí)施此類(lèi)項(xiàng)目。

在危地馬拉一個(gè)小山村，當(dāng)?shù)匕惭b了30個(gè)霧滴采集器，人們每天可收集總計(jì)約6000升的水量，這足夠3.5個(gè)加州居民使用（2011年數(shù)據(jù)）。要知道，原來(lái)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(guó)舊金山，雷諾克斯正考慮在家里建立一個(gè)霧滴收集裝置，不過(guò)他還沒(méi)有開(kāi)始進(jìn)行。也許人造蜘蛛網(wǎng)不能徹底解決加州水資源問(wèn)題，但我們目前也找不到一個(gè)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(shí)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(méi)有足夠飲用水的居民在內(nèi)的每一個(gè)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(wèn)題。

霧滴收集裝置。

村民喝收集起來(lái)的水。

意外的發(fā)現(xiàn)

1950年，美國(guó)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(shí)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(wèn)，因?yàn)殛懙厣嫌煞魏粑膭?dòng)物是絕對(duì)無(wú)法飲用高鹽分的海水的。經(jīng)過(guò)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(guò)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(wèn)題上，還有科學(xué)家將該項(xiàng)技術(shù)用于太空船上，以此解決太空人的飲水難題。