海水淡化与矿物收集

灰色足迹

摘要：方便、廉价地淡化海水，富集利用海水中含量不高但总量却很大的矿物质，是20世纪的重要的课题。随着生物技术的发展，尤其是基因工程的发展和对极端环境下生物研究的深入。可以预想，在21世纪会出现一套集海水淡化和矿物收集为一体的装置。它将海水处理为淡水和含大量矿物元素的浓缩液，后者用生物手段富集利用。 19世纪末以前，人们很少谈论淡水危机，把淡水当作大自然无偿的，取之不尽的赠品。20世纪以来，随着人口的迅速增长，工业的蓬勃发展，淡水危机逐渐凸显。资料表明，到2000年欧洲平均每人每年享受的水资源比1950减少1800m3,亚洲相应减少6300 m3，非洲相应减少4400米3。正如联合国规化署总干事穆斯塔法－托尔巴博士指出的：人们现在不能指望无限地享用水资源，水资源的分配问题有可能减胁全球的社会安定。而“海水淡化”无疑是解决淡水供应危机的重要途径。 　　目前，海水淡化的方法主要有蒸馏法，电渗析法、反渗透法、冷冻法等。蒸馏法常见的有多级闪蒸（MSF），多效蒸发（ME），压气蒸馏(ＶＣ)。它们的基本原理都是将海水蒸发再将水蒸气冷凝。共同的缺点是设备昂贵，能量耗大，还面临结垢的去除问题。 　　电渗析法需要利用电场，无疑需要消耗大量的电能，设备要求也高。反渗透法，逆向利用渗透压，需要制备高密度耐压膜及膜支持物，工艺要求高，冷冻法目前尚无成熟工艺。（以上各法的具体原理如附图） 　 然而我们却可以看到，自然界中的许多生物在温和条件下具有良好的吸水排盐，或吸收盐份的功能。如海洋硬骨鱼，鱼腮上的特化细胞可以排出高浓度的盐份，海洋软骨鱼，可以通过直肠排盐。淡水鱼的鳃可以吸收盐份，淡水甲壳类可以从水中吸盐，昆虫马氏管可以回收水和盐，后肠能回收水。海鸟的盐腺泌盐、鲸的肾排盐、人汗排盐、大肠吸水。鸟类泄殖腔吸水。髓袢升支，泵出Na+，集合管中水大量渗出。我们可以研究这样一系列现象，用生物方法淡化海水。在利用泌盐细胞上我们可以设想采取以下两种途径： 途径一、① 把mRNA 同rRNA和tRNA分离开来，大致过程为：先提取真核细胞的总RNA，然后把总RNA通过一个用纤维素（cellulose）填充的柱子，在纤维素上结合有许多长度在约为15个核苷酸的短链多聚dT[oligo(dT)或Dt15],真核基因mRNA分子的poly(A)尾巴通过碱基配对作用与oligo(dT)结合，而其他的RNA成分因为没有poly(A)尾巴而不能结合，最后真核生物的mRNA可以用能打断A-T氢键的缓冲液洗脱下来。 ② mRNA纯化以后，样品中加入短的oligo(A)分子作为引物，同时加入逆转录酶、缓０………………..冲液和4种脱氧核糖核苷三磷酸（dATP,dTTP,Dgtp 和dCTP）。oligo(dT)分子与mRNA的 poly(A)尾巴碱基配对，并提供一个游离的3ˊ-羟基引导DNA链的合成。 ③ 第二条DNA链的合成就用大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ的Klenow片段来完成,它以第一条DNA链为模板,从发夹结构的末端开始往回合成DNA链.反应完成后,再用RNaseH和S1核酸酶处理,前者用于把RNA链降解,后者则用于打开发夹结构,并把双链DNA分子的两端切平。这种DNA称为互补DNA（complementary DNA,cDNA）。 ④ 以获得的c DNA为探针与总DNA杂交，如果DNA探针与样品中的某一个核苷酸序列互补的话，通过碱基配对的作用就会形成杂交的分子，最后通过放射自显影或其他方式检测出来，得到与泌盐、吸水有关的基因。 ⑤ 将获得的DNA用限制性内切酶降解，再将其与经同样的限制性内切酶降解了的质粒DNA分子混合，在ATP存在情况下用T4DNA连接酶处理，产生重组分子。 ⑥ 将质粒导入宿主细胞（E.coli等），控制条件使其表达。 途径二：挑选适宜的泌盐细胞直接进行体外的无菌培养，然后加以利用。 无论通过途径一还是通过途径二，得到的菌株或细胞都可如下处理。 １、对于有吸盐功能的菌株或细胞采取包埋培养，制成颗粒。悬浮生长的细胞用海藻胶包埋，贴壁依赖生长细胞用胶原包埋。将这些颗粒填充到柱体中，制成过滤柱，海水流过时，盐份被吸收，从而得到淡化。具体装置如下页图。 使用过的柱子可用机械破碎，或其它方法释放出矿物离子，以便下一步利用。 ２、对于有吸水功能的菌体或细胞，让它生长在硝酸纤维膜上制成各种膜结构，安装到下页图装置中。水份被膜吸收并收集到中心管内流出。浓液可用作矿物收集的母液。（此后两页分别为t4.zip和t5.zip中的图片） 二、海水矿物收集 海水中的元素含量虽然十分微小，但由于海水的体积巨大，总储量十分可观，其开始利用的前景十分广阔。（海水的组成见下图）

表１：海水中化学元素的丰度

元 素

化学存在形式

总 浓 度 (M) μɡ/l Li

Be

B

N

F

Na

Mg

Al Si P S Cl K Ca Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn As Se Br Rb Sr Mo Ag Cd I Ba U Li+ BeOH+ B(OH)3,B(OH)4 N2,NO3-,NO2-,NH4+ F-,Mg F+ Na+ Mg2+ Al(OH)4- Si(OH)4- HPO42-,PO43-,H2PO4- SO42-,NaSO4- Cl- K+ Ca+ Ti(OH)4 H2VO4-,HVO42- Cr(OH)3,CrO42- Mn2+,MnCl+ Fe(OH)2+,Fe(OH)4- Co2+ Ni2+ CuCO30,CuOH+ ZnOH+,Zn2+,ZnCO30 HasO42-,H2AsO4- SeO32- Br- Rb+ Sr2+ MoO42- AgCl2- CdCl20 I- Ba2+ UO2(CO3)24- 2.6*10-5 180 6.3*10-10 5.6*10-3 4.1*10-4 4440 1.07*10-3 1.5*10 5 6.8*10-5 1.3*103 4.68*10-1 10.77*105 5.32*10-2 12.9*105 7.4*10-8 2 7.1*10-5 2*103 2*10-6 60 2.82*10-2 9.05*105 5.46*10-1 18.8*106 1.02*10-2 3.8*105 1.02*10-2 4.12*105 2*10-8 1 5*10-8 2.5 5.7*10-9 0.3 3.6*10-9 0.2 3.6*10-8 2 8*10-10 0.05 2.8*10-8 1.7 8*10-9 0.5 7.6*10-8 4.9 5*10-8 3.7 2.5*10-9 0.2 8.4*10-4 6.7*104 1.4*10-6 120 9.1*10-5 8*104 1*10-7 10 4*10-10 0.04 1*10-9 0.1 5*10-7 60 1.5*10-7 20 1.4*10-8 3.2 有人估计，抽取400万吨海水，可生产10万吨氯化钠、3万砘芒硝、5000砘镁、5000吨石膏、2400砘碳酸钾、250吨溴 、100吨硼酸、6000吨重水、700公斤锂、200公斤碘、10公斤铀。 目前，海水中矿物收集的主要方法和手段有：一、根据物质溶解度的差异，用蒸发结晶的方法提取。二、直接往海水或浓缩海水中加入化学药品，吸附、沉淀或萃取。三、电解的方法，四、利用离子交换法使某些元素直接从海水中分离出来。 这些都是物理或化学的方法。生物技术能否在这个领域一显身手呢？答案应该是肯定的，尤其是收集海水中含量较低的微量元素，生物方法是大有用武之地的。厦门大学生物学系的研究人员发现一种可以收集Co的微生物，其Co的含量可达其自重的 而包括我国在内的许多国家已经能够有效地利用微生物提取海水中的放射性元素铀，另外，研究人员发现，矿场附近的某些植物在高金属离子浓度的土壤中生长得很好。香港城市大学的研究人员找到一种草关于抗高离子浓度的目的基因，将其转到小球藻中用于污水净化，已取得初步成功。这给了我们两个启示：一、我们可以寻找能富集某种元素的微生物，运用种种筛选手段，得到高效的菌株，然后加以利用。二、我们用诸如cDNA方法，化学合成或PCR方法获取高耐受性植物的目的基因，将其转录到可利用的微生物中。 得到的这些高效的菌株与上述淡化海水的菌株是有所不同的，它们的作用应当更为专一，而且必须具有很强的耐盐、耐高渗的能力。在应用上可以采用与上述过滤柱相类似的办法，不过更需要注意分级处理，注意浓缩液流经过滤柱的顺序，高耐受性的菌株固化包埋制成的过滤柱应当放在前面，耐受性较差的菌株固化包埋制成的过滤柱适宜放在后面。 以上构想依赖于基因工程的发展和对极端环境下生物研究的深入。这些构想的实现和成功运用，可为人类带来廉价的，大量的水资源和矿物资源。而且这为我们解决近海沙漠(如撒哈拉沙漠)的绿化提供了另一条思路。 参考文献 1、 瞿礼嘉等，现代生物技术导论，北京：高等教育出版社，德国：施普林格出版社，1998 2、 陈阅增等，普通生物学––生命科学通论，北京：高等教育出版社，1997.3. 3、 陈德昌等，海洋化学手册，北京：海洋出版社，1988.5. 4、 中国科学技术协会，海洋高技术，上海：上海科学技术出版社，1994.12. 作者：厦门大学生物系97级 王湛昌 张岑 陈婷 朱子恒 曾丽玲 [ 本帖最后由 水网一号 于 2006-12-28 22:40 编辑 ]

ymwatcher

谢谢楼主分享的好资料，赞了

hong6601

很客观的说是非常的乱，希望楼主重新整理，或者上传新的附件。

水网一号

有些凌乱，我重新整理一下！