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用科学描绘锦绣蓝图
发表时间 2017-06-13 09:27 来源 本站原创
  ——访天津南开大学环境科学与工程学院周启星院长

周启星院长( 中间)参加中国环境科学学会第八次全国会员代表大会并被选为常务理事
  导语:环境修复是近几十年发展起来的环境工程技术,属于复杂的综合性系统工程,通过对被污染的环境采取物理、化学、生物学及生态等技术措施,使存在于环境中的各类污染物浓度减小或毒性降低或达到无害化,使得环境能够部分或全部恢复到无污染的“初始”状态。在人类社会高度发达的今天,生产和生活对环境的影响日益增大,环境修复必将对人类的生存和发展产生重大作用。在这一领域里,天津南开大学环境科学与工程学院院长周启星是当之无愧的奠基人之一。   愿为祖国需要而奋斗   周启星,1963年5月出生于浙江省龙游县。现任南开大学环境科学与工程学院院长,长江学者,教授,博士生导师。主要研究方向为环境地球化学、生态地球化学、污染环境生态修复、污染生态毒理与环境基准等。我国开展污染环境修复基准研究的奠基人,呼吁制订我国污染环境修复标准的第一人。   谈到这些年来的研究工作,周启星介绍,他大学时代的专业是土壤农化。在校园里,他不仅对土壤科学探索产生了浓厚的兴趣,而且日渐意识到土壤和土地资源是人类生存的基础,也在生产和发展的过程中占据着至关重要的地位。因此,土壤科学对于国家建设和人民生活发挥的作用必将日益增加。因此,他决心为了国家的需要做一番事业。   大学毕业后,周启星考入中国科学院应用生态研究所先后攻读硕士、博士学位。在此期间,他还前往德国留学,专攻污染生态学和环境地球化学。之后,他曾回到母校浙江大学担任副教授、环境化学教研室主任。   “科学没有国界,科学家却有自己的国籍。”周启星说。尽管他在海外取得了较大成绩,而且还获得了英国的永久性工作岗位,美国方面也多次发出条件优厚的邀请,但在他的心中,报国之梦始终不曾泯灭。入选中科院“百人计划”后,他毅然放弃了国外的一切,义无反顾回到了祖国,进入沈阳应用生态研究所担任研究员的工作。   那些年中,周启星从组建科研团队和改建实验室着手,以全面解决东北地区的生态环境问题为出发点,扎扎实实地开展了我国环境中典型有机与无机污染物的生态化学研究。他亲自通过系统地对化学污染物的生态毒理与复合污染生态效应多层次的实验研究,发现并证实了复合污染生态效应是矢量而不是标量,修正了教科书中一直沿用的关于“协同作用”和“拮抗作用”的错误定义并扩展了这两个定义的科学内涵,创造性地提出了“互作态”的新概念并赋予其定量内涵用以化学污染物生物有效性的评估与预测。通过仔细推敲和认真总结,他还大胆地提出复合污染生态效应不仅与化学污染物或污染元素本身的化学性质及其存在浓度水平有关,更为重要的是,取决于其存在浓度水平的组合关系及生物种类特别是生态系统类型,还与作用的生物部位有关。复合污染生态效应存在“危害增时”现象,即复合污染可导致某些化学污染物对生态系统的作用、危害时间延长。

周启星院长(右)与北京大学校长许智宏教授(左)在科学中国人颁奖典礼合影
  周启星关于复合污染生态效应与污染物之间复杂关系的阐明与深刻理解,得到了英、美、澳、加等国科学家的高度评价。为此,2002年,不到40岁的他就获得了“国家杰出青年科学基金”,这是中国环境界早期获得此项殊荣为数不多的学者之一。   屹立环境科学第一线   2003年,以“污染土壤修复与生态安全”为主题的香山科学会议第212次学术讨论会在北京香山饭店举行。在这次会议上,作为执行主席之一的周启星首次提出在我国“系统开展污染土壤修复基准研究”的建议,呼吁国家重视这一研究方向,为我国尽早制订污染土壤修复标准打下良好基础。至今,他的这些工作,获得了国内外同行的广泛认可和支持。   在过去的这些年中,周启星作为一线科研工作者,始终站在环境学科的国际前沿。在我国,他最早提出了“复合污染”和“环境修复”的概念。2004年出版的《污染土壤修复原理与方法》,是我国关于污染土壤修复最早、最系统的学术专著。他也是中国最早开展污染土壤修复基准和标准研究的学者。他硕士论文的研究成果,为1995年国家颁布的《土壤环境质量标准》提供了最为直接的科学依据和数据支撑。2004年,他获评教育部长江学者特聘教授、首批新世纪百千万人才工程国家级人选并获得了中国青年科技奖;2008年,获辽宁省自然科学一等奖;2012年,获教育部自然科学一等奖。2013年,他带领的科研团队获评教育部创新团队。2015年,他入选“科学中国人2014年度人物”。   周启星常说:“环境研究,就必须争分夺秒。”人类对地球资源的开发利用导致了越来越多环境问题的出现,土壤、水等都是关系到百姓人身安全的问题,仅用化学药剂解决肯定行不通。为对已经形成的环境污染进行修复,他和团队花费了极大心血。他最新的一项成果,就是在处理污水或治理污染土壤的时候,不需要用电,而是利用微生物正常代谢产生的能量来产生溶解氧,达到降低能耗的效果,同时还避免了以往投放化学药剂对环境产生的副作用。   “北欧有几个国家也有类似的新技术,我们的这项创新不比他们的差,使用的微生物更加环保,最重要的是,用这种工艺处理污水的时间也缩短了很多,对污水处理厂来说,至少能降低50%的能耗。”周院长自豪地介绍。   最近十年,环境问题已经成为国家间竞争博弈的新筹码。周启星带领团队从全国各地采集回样本,并分析得出环境变化数据,不仅成为了解、解决环境污染方案的基础,也成为我国参加各次国际气候、环境大会重要的谈判依据之一,确保我国既承担适当的节能减排义务,又在环境容量上,为未来的发展争取到合理、合适的空间。   周启星院长在这些年中,共主持包括863重大和2项国家自然科学基金重点项目在内的一系列重大课题,发表学术论文600余篇,其中SCI收录300多篇。特别值得一提的是,他在石墨烯的健康与生态风险研究方面取得重大突破,相关研究结果在国际著名刊物《Chemical Reviews》(化学评论 影响因子IF=45.661)上发表,成为中国环境界迄今在这一国际顶级刊物发表的第1篇论文。同时,他还积极推动科技成果的转化,近年共获得国家发明专利授权20多项,获省部级科技进步奖和技术发明奖一二等奖5项。在教学方面,周启星也开启了我国资源循环科学与工程的先河,他主编的《资源循环科学与工程概论》教材,填补了国内本科教学在该领域的空白。   挥洒智慧浇灌出硕果   天津大沽排污河自1985年改造后,数十年来一直是天津市海河以南主要市政污水受纳水体。由于50多年来一直未进行系统的清淤治理,大沽排污河河底平均淤泥深度达1米左右,最严重的达3米。特别是,大沽排污河超过90%的地段底泥均受到了重金属等污染物不同程度的污染,所有表层底泥中均有不愉快气味,甚至是强烈恶臭,已经对沿岸甚至整个天津市的百姓生活和人体健康构成了严重威胁。   随着天津市生态城市建设全面展开,市政府计划对大沽排污河进行综合治理改造。从2008年开始,周启星便与团队一道,开始着手“大沽排污河底泥安全处置与河道生态修复技术集成及应用”的工作。作为项目技术负责人,一系列难题摆在他面前,如清淤在什么季节进行较妥、清淤后应该采取什么样的生态修复方案才能长期维持好的水质、清淤后的污泥如何安全处理处置、生态修复后的河道是否满足水体功能的需求等。   周启星通过实地初步考察和科学论证,认为:只有对疏浚底泥进行全面的污染监测与调查,掌握污染物在底泥中的时空分布特征,这样才能保证疏浚的科学性。为完成课题目标,他与团队开展了大量工作,调研、收集资料,到现场进行污泥泥质的检测分析,50余次采集大沽排污河沉积物……历经三年奋斗,他们在大沽河底泥安全处理处置技术、河道修复技术以及城市污泥风险评估与处理处置技术上取得了重要进展,不仅根治了天津市大沽排污河的长期污染,尤其重要的,更是为我国城市污染河道治理树立了榜样,意义重大。对此,周启星表示,“通过本课题的系统研究,我们构建了一套完整的底泥疏浚与安全处理处置、污染河道生态修复与水质长期维护的技术体系,这不仅对于彻底改善大沽排污河水体环境质量,而且为我国城市类似污染河道提供了可以借鉴的天津经验”。   2009年,周启星作为项目负责人,开始了国家环保公益性项目的研究工作。该项目围绕我国苯系物水质基准值的确定这一重点内容,分两个层面组织实施:第一层面是选取适合我国国情的具有代表性的受试生物开展生态毒理学试验研究,第二层面是结合国外的水质基准方法学研究经验进行比较、评价及验证,构建适合我国实际的水质基准研究方法的基本框架。 在本项目中,他和团队通过搜集已有的毒性数据,采用目前国际上普遍使用的毒性百分数排序法、物种敏感度分布法和评价因子法,推导得到了我国以保护淡水生态系统为目的的苯系物的水质基准限值,为我国有毒有机污染物的水质基准研究和确立开了一个好头。为此,他相信,该研究方法得到的基准值作为保护我国淡水水生生物的基准值应该比较恰当。

周启星院长(右)在美国德州生态考察
  周启星还带领团队在水处理、给水与水质改善等方面取得了重要进展。其一,采用吸附-混凝-超滤组合工艺,实现了对水中天然有机物的高效去除;采用光催化-吸附-膜分离组合工艺,使水中亚硝胺类污染物得到有效去除;开发了同时采用正反冲清洗方式的膜滤装置,使清洗效果得到最大程度的提升;研制了一种简单且高效的三相分离器,解决了污泥沉淀区入流口和回流口的重合问题,提高了气液固的分离效果。其二,针对含重金属水体处理的特点和要求,研制了具有不同内部构造的EDI工作模型,实现了无酸碱再生、零废酸废碱排放条件下的连续、高效的废水直接处理,所得淡化纯水和高浓度浓缩液均得到回收利用。其三,研发了铝盐型、铁盐型、硅酸盐型、天然有机高分子型等一系列复合高效絮凝剂,在提高其絮凝性能、注重技术的经济性与实用性的同时保障了生态安全性;开发了以生物膜叠球填料为特征的剩余污泥减量型有机废水处理工艺,建立了基于生物电化学系统的有机废水能源化处理技术体系,实现了污泥减量化和污水处理能源化;通过开发联合改性催化剂和泥炭吸附剂,解决了既不能生物处理、也不具备能源化的废水处理问题。其四,提供了一种高效低耗、应用范围广、使用便利的挂膜式浮动链曝气污染水体修复方法,利用本方法可有效实现区域污染水体的原位修复;还开发了一系列重金属污染水体生态修复技术,特别是利用水生植物千屈菜修复铬污染水体,不仅治理效果明显,还美化了景观环境。为此,周启星团队申报的“水处理组合工艺与生态高效低耗技术创新研究”成果,获得了2015年天津市技术发明一等奖。   自从2005年加盟南开大学以来,周启星除日常教学、科研外,还多出了大量的行政管理工作要处理。尽管如此,他始终把科研工作放在首位,特别是实验研究、撰写研究论文,很多时候他都是亲自上阵,有时还给学生起草科研论文。目前,他最关心的几件事有:推动国家层面开展污染土壤修复基准的系统研究,为污染土壤修复标准的尽早制订积累科学支撑;污染土水环境修复技术的研发与实践;石墨烯等新型纳米材料的健康与生态风险及环境应用。   身为一名博士生导师,周启星十分重视对学生的培养。他常说:“培养博士生最重要的是因人而异,要根据其工作基础和已经学到的知识,跟我们的研究方向和课题结合起来,在完成国家和地方科研任务的过程中,达到传道授业的目的”。作为院长,他更加重视对青年教师的培养。在他的带领下,学院连续4年4人获得国家杰出青年科学基金,这在环境学科产生了“震动”;2016年又有3位青年学者进入优青答辩。   “环境科学研究与环境保护工程是关系到国计民生的大事,作为一线科研工作者,我们要在国家战略的支持下,不断创新突破,为实现‘美丽中国’梦贡献力量。”周启星说。这也是他不懈前行的动力源泉。
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