加快硅藻规模化养殖技术推广应用的建议

   时间:2020-10-30

藻类作为单细胞水生植物,是地球食物链根基,也是地球生态圈不可或缺的重要一环,地球上 70%的氧气产自微藻,硅藻占微藻的 65%。人工规模化养殖硅藻是世界级难题。美国工程院华裔院士王兆凯 10 年前回国开展硅藻养殖研究,经过艰辛努力攻克了硅藻规模化养殖难题,深圳硅藻养殖基地取得了年亩产干硅藻 8 吨的佳绩,标志着全球首个硅藻规模化养殖示范工程已经成功。硅藻周身是宝,硅藻养殖水可用于提取抗生素,硅藻蛋白是食药材料,硅藻油是生物质油原料,硅藻壳是天然微纳米级多层多孔工业平台材料,应用领域非常广泛。加快推进硅藻大规模养殖及其产业化利用,意义十分重大,建议将其作为重大国家战略来抓,采取切实有效措施加快实施。


一、我国成为首个掌握硅藻规模化养殖技术的国家

硅藻人工养殖始于美国。藻类培养主要有开放式和封闭式两种方式。封闭式养殖培养条件稳定,可无菌操作,但是存在生产成本高,仅适于高价值的保健和药品生产。因此,开放式培养是提供低成本硅藻的唯一途径。开放式光培养设备构建简单、成本低廉及操作简便,但存在易受污染、培养不稳定等缺点,目前仅可用在螺旋藻、小球藻和盐藻等极少数种类的规模培养中。

美国工程院美籍华裔院士王兆凯先生长期致力于硅藻开放式规模化养殖研究,20 世纪 90 年代末在开放系统中成功培养硅藻—角毛藻,于 2004 年在美国申请了相关的专利。2009 年,王兆凯院士受广东省和深圳市政府邀请回国,在深圳开展开放式硅藻规模化养殖技术研究。经过 10 年不懈努力,王院士团队突破了硅藻开放式规模化养殖的杂藻污染和原生动物摄食两大关键性技术难题。目前,王院士团队开发的硅藻养殖技术已达到室外自然条件下,每亩年产 8 吨干燥藻粉产量,并且可以全年不间断生产,生产过程无任何有毒有害化学品产生。同时,王院士技术团队还研发出硅藻活性成分提取、硅藻有机质生物利用、氧化焙烧方法去除硅藻壳杂质等工艺,可以提纯制备 98%以上高纯度具备完整二氧化硅纳米微孔结构的硅藻壳粉体。王院士团队研发的硅藻养殖技术和工艺达到世界领先水平,标志着全球首个硅藻规模化养殖示范工程已经成功,我国也成为首个系统掌握规模化养殖硅藻技术的国家。

归结起来,王兆凯院士团队研发的硅藻养殖技术具有如下特点:一是藻种扩繁时间短。开放式硅藻藻种筛选系统化,无需传统的硅藻藻种库和扩大培养工作,筛选扩繁时间仅为传统方法的 1/10。二是硅藻培养技术先进。通过创新硅藻培养配方,可以实现选择性定向培育目标硅藻。三是抗杂藻能力强。通过特有杂藻控制工艺,保证在无需对进水预处理的情况下,目标硅藻优势度达到 96%。四是抗有害生物能力强。通过有效控制浮游生物摄食,养殖过程中不出现因敌害生物摄食引起的产量降低和藻体结团现象。五是对养殖环境要求低。目前硅藻养殖场位于深圳大鹏区大亚湾地区,引入海水不需做处理即可养殖硅藻,今后在我国大量的临海盐碱地区,也可大规模养殖硅藻。六是对养殖条件要求低。可以实现自然条件开放式培养硅藻,无需架设大棚,无需消毒水体,可在高温、强光、雨水等自然条件下,稳定生产硅藻。七是单产高。硅藻养殖每亩年产量可达 8 吨硅藻干粉,为其他培养技术产量的 5-10 倍。八是养殖成本低。仅为其他培养技术的 1/10,可大量提供低成本硅藻原料进行深加工,有很强的经济竞争优势。


二、加快硅藻规模化养殖技术推广应用意义十分重大

硅藻养殖是吸碳造氧的绿色生态过程。硅藻含硅藻蛋白及糖类、硅藻油和硅藻壳,硅藻蛋白及糖类可作食品和药品材料,硅藻油可作生物质油原料,硅藻壳作为天然微纳米级多层多孔工业平台材料应用领域更是非常广泛。推广硅藻养殖技术不仅具有很强的经济效益,也具有巨大的生态效益和社会效益。

(一)利用滩涂盐湖湿地养殖硅藻,有利于改善国土生态环境。硅藻养殖对环境要求不高,一般海水即可用于养殖硅藻。据调查,我国沿海滩涂、盐碱地分布广泛,资源丰富,超过 15 亿亩,引入海水改为湿地即可用于硅藻养殖。我国北方荒漠干涸盐湖众多,如果引海水恢复盐湖,也可用于硅藻养殖。近些年我国北方沙化荒漠化严重,沿海地区退湖造田造城,打破了生态平衡,导致生态环境恶化,利用沿海滩涂、盐碱地和北方沙漠盐湖养殖硅藻,可以大规模增加国土湿地,改善生态环境,不失为国家生态文明建设的有效途径。

(二)硅藻养殖过程吸碳释氧,有利于全球降低碳排放压力。硅藻养殖是吸收二氧化碳、释放氧气的自然生态过程。据研究,每养殖 1 吨硅藻,可以吸收 1.6 吨二氧化碳、释放1 吨左右的氧气。设若按照以点带面思路推广硅藻养殖技术,可考虑“十四五”期间在沿海滩涂盐碱地建设 1 亿亩硅藻养殖基地,一年可产 8 亿吨硅藻干粉,可吸收 12.8 亿吨二氧化碳,可产生 8 亿吨氧气。由此不仅可以为改善生态环境做出贡献,而且广泛分布的硅藻养殖基地将成为效率极高的碳汇基地,为全球减少二氧化碳排放、缓解气候变暖压力做出贡献。

(三)硅藻蛋白可供人畜食用,有利于增强国家食品供给能力。硅藻蛋白的氨基酸种类多达 17 种,是优质植物蛋白源,大多数硅藻可以积累叶黄素,人畜身体必需氨基酸含量占总氨基酸含量的 42%,可直接用于人畜食用。同时,硅藻饲喂畜禽可提高肉类、蛋类或奶制品不饱和脂肪酸,而且不含胆固醇。硅藻养殖利用的是滨海盐碱地和荒漠化盐湖,具有不与粮争地、生长快、产量高的优点,硅藻生长速率远远高于陆生粮食作物,分裂极限速度可达每天 8 次,平均亩产为水稻的 20 倍。当前我国可耕地面积有限,粮食和肉类对外依存度逐年增加,食品供给安全面临威胁。通过大规模养殖硅藻,用硅藻蛋白替代部分人畜食品,用硅藻油部分替代食用油,可以增加粮油、肉类产能,是增强我国粮食供给安全的重要措施。此外,硅藻还可提取叶黄素,叶黄素作为饲料添加剂可广泛用于家禽饲养和水产养殖业,能够提高人畜机体免疫力、增强体质。

(四)硅藻油可用于炼制生物柴油,有利于缓解石油进口风险。硅藻油占硅藻的 30%,可以用于炼制生物质柴油,其转换率在 88%到 92%之间,由于硅藻油不含硫、重金属等杂质,所炼制的生物柴油是非常清洁的燃料,柴油车使用后尾气排放可达国六标准。“十四五”期间,养殖一亿亩硅藻,可榨取 2.4 亿吨硅藻油,进而生产约 2.16 亿吨生物柴油,由此可以替代石油进口,提升国家能源供给安全能力。

(五)硅藻壳可用作工业平台材料,有利于大幅提升国家工业水平。硅藻壳的成分 98%以上是二氧化硅,具有优秀的力学性能,由于其特殊的三维网状结构和大量的纳米微孔存在,可有效地缓解压力,具有高强度、抗冲击、耐高温、耐老化、耐腐蚀、隔音和保温等特点,是自然界独一无二、纯度极高的微纳米级工业平台材料,具有广泛的推广应用价值。在环保方面,硅藻壳是优良的重金属吸附剂,对污染水体的汞、银、铬、镉、铅、铜等多种重金属去除效果极佳,具有吸附效率高、处理成本低、可再生回收、工艺简单的特点。在涂料产业上,添加硅藻壳的涂料具有耐磨、抗紫外等性能,还可与其他材料复合制造防腐、抗菌等功能涂料,市场前景广阔。在塑胶行业,硅藻壳可作为增强、增韧、抗老化添加剂或生产各种功能性复合材料。更为重要的是,硅藻壳密度低(堆积密度仅为水的 1/20),与铝、镁等金属混合制造轻质合金材料,在军工、航天、汽车制造等行业具有非常重要的应用价值。硅藻壳的多孔和聚光特性,可用于分离过滤、光子捕捉等方面的应用;硅藻壳还具有光致发光及电致发光的特性;硅藻壳精细、规整的孔隙结构和纳米级多层孔道特性在微纳米器件领域有很好应用前景;硅藻壳还可用于微型探针制造上,生产纳米级分子传感器。总之,硅藻壳作为生态可再生微纳米级多层多孔工业平台材料,应用范围十分广泛,一旦推广应用,可大大提升人类工业技术水平。

(六)构建硅藻生态产业链,有利于增强经济发展新动力。硅藻的开发应用将是一个极其庞大的生态产业系统,它不仅是材料领域的一场革命,可满足我国各种高、精、尖材料的需要,而且将在工业、农业、国防、医药、粮食和能源安全等方面发挥巨大作用。硅藻生态产业链作为一个新兴产业,具有改变能源结构、保护生态环境的重要意义,可以从一定程度上解决我国的能源危机、环境污染、基础材料、食品安全四大难题。硅藻全产业链是一个‘资源—产品—再生资源’的闭环反馈式循环过程,可望成为我国未来的一大生态合理、经济高效、可持续发展新兴产业。


三、推广硅藻规模化养殖技术需要攻克的难关

硅藻规模化养殖技术的研发成功,是我国对人类文明的一大贡献,该技术推广应用将带来巨大的生态、经济和社会效益。但这一造福人类的事业却是庞大的系统工程,面临的障碍很多、难度很大,必须攻克以下难关。

(一)必须解决认识问题。目前社会上对藻类的认识较为粗浅,还局限于海水红潮、湖泊蓝藻等水体污染事件上,对我国成功攻克规模化硅藻养殖技术宣传不够,对硅藻大规模养殖以及发展相关产业知之甚少,对大规模发展硅藻将为人类带来的福祉认识不足,更谈不上高度重视。因此,要加快硅藻养殖技术推广,必须首先解决全社会的认识问题,要广泛宣传这一里程碑成果的重大意义,提高全社会的认识,只有这样才能汇聚力量,集中人力、物力和必要资源,解决难题、突破难关,尽快构建硅藻产业生态链,使这一成果能够尽快造福人类。

(二)必须加快攻克硅藻养殖标准化、模块化和工业化难题。目前我国尽管攻克了硅藻规模化养殖的技术难题,并形成了硅藻规模化养殖的工艺、技术和流程,但还没有实现标准化和模块化,硅藻开放式规模化养殖装备仅深圳兆凯生物研发中心有一套,而且还只能算是初步实验装备,规模化工业装备都谈不上,硅藻养殖还不具备工业化生产条件,极大地制约了硅藻产业大发展。因此,当务之急是加快硅藻养殖过程模块化和标准化,尽快研发制造硅藻规模化养殖工业装备,以实现硅藻养殖标准化、模块化和工业化。

(三)必须加快研发硅藻应用相关技术。硅藻应用范围广,市场前景十分广阔,从硅藻蛋白替代粮食,硅藻油炼制生物柴油,硅藻壳作为微纳米级多层多孔平台材料应用于工业领域,均存在许多重大专题需要研究。然而,由于硅藻规模化养殖刚刚起步,硅藻相关应用研究尽管已经不同程度开展起来,也取得了一定成绩,比如硅藻油制生物柴油、硅藻壳电池、硅藻壳涂料、硅藻壳添加剂等,但与硅藻广泛的应用前景相比,差距很大,必须下力气加大科技攻关力度,不断拓展硅藻应用新领域。

(四)必须尽快解决政策不到位的问题。硅藻是造福人类的一大瑰宝,对硅藻技术的推广应该是全社会的大事,应当成为政府的一项重大任务,需要政府从科技研发、养殖基地建设、推广应用各个方面进行综合协调、统筹规划,并在土地、财税、金融、科技、人才等方面制定政策予以大力扶持。但从目前情况看,政府在硅藻技术推广过程中存在缺位的现象,除了仅仅广东省及深圳市近十年来有 1 千万元的政府投入支持硅藻养殖技术研发以外,国家对硅藻技术的研发和推广应用支持甚少,更谈不上对硅藻发展战略和规划进行统一部署。由此导致硅藻技术的研发和推广的担子落在个别有担当的民营企业身上,存在“小马拉大车”现象,极不利于硅藻技术的推广应用,如不采取措施认真加以解决,不排除这一技术会被美国等发达国家抢先利用的可能,对此必须高度重视。


四、几点建议

加快推广硅藻规模化养殖技术、构建硅藻利用生态产业链,是功在当代、利在千秋的事业,是关系国计民生和国家长远发展的大事,建议采取强力措施加快推进。

(一)加强统筹协调。建议国家高度重视硅藻规模化养殖技术推广应用,将其作为国家战略来抓。建议国务院设立硅藻发展领导小组,办公室设在国家发改委,工信部、科技部、环保部、能源局、农业农村部等部门参加,负责研究制定硅藻规模化养殖技术推广应用的发展战略、规划和配套政策,统筹解决重大问题。

(二)明确工作思路。推进硅藻技术规模化推广应用,要以政府为主导,以企业为主体,利用市场机制,按照统筹规划、分步实施、试点先行、逐步推广的原则有序推进,实行财税、金融、投资、土地、人才等优惠政策,集聚社会各界力量加快硅藻项目科技研发和产业化应用,争取在“十四五”期间建成 1 亿亩硅藻养殖基地并初步形成硅藻生态产业,为我国经济发展提供强大的绿色增长动能。

(三)建设示范工程。建设硅藻养殖示范工程是构建硅藻产业生态链的当务之急。为此,建议国家投资,在深圳硅藻养殖基地基础上,加快建设国家硅藻养殖及工业化应用试验示范工程。重点做好以下工作:一是研制工业化装置。加快规模化硅藻养殖工业装备的研制,尽快实现硅藻养殖装备制造产业化,为硅藻养殖产业化发展提供装备。二是形成标准化养殖模块。制定硅藻规模化养殖标准,强化硅藻成熟技术模式集成,尽快实现硅藻养殖标准化、模块化,为大规模发展硅藻养殖产业创造条件。三是扩大养殖基地建设。在沿海地区具备条件的地区建设若干硅藻养殖示范区,推广硅藻培育技术,培训专业人才,促进硅藻养殖产业化,增加硅藻产量,满足市场需求。

(四)研发应用技术。硅藻应用范围广、市场前景广阔,许多科研项目亟待研究,许多应用领域亟待开拓。建议国家设立硅藻应用技术重大科技攻关项目,国家财政列出专项资金予以支持,鼓励高校、科研院所、大型研发机构与企业形成联合体,按照“产学研相结合、研学致用”的思路构建硅藻科研载体和创新平台,加快硅藻科技产业化项目研发,尽快在硅藻养殖技术、硅藻油应用技术、硅藻蛋白和多糖应用技术、硅藻壳应用技术等方面,突破和转化一批关键、共性技术,开发一批高精尖技术产品,培育拥有核心专利、竞争力强的创新型企业和高新技术企业,争取早出应用价值高的成果,以市场力量带动硅藻生态产业链的形成和完善。

(五)培植龙头企业。硅藻养殖及其产业化应用离不开龙头企业的作用。深圳泰利集团在硅藻养殖及其应用方面勇于承担社会责任,成为国内唯一的硅藻大规模养殖及硅藻应用产业化的牵头企业。该企业花巨资开展养殖示范基地建设和各类应用项目的前期研究,目前取得了阶段性成就,应当高度肯定。硅藻生态产业链的形成还需要更多企业参与,建议中央企业参与硅藻科研和应用项目的实施中来,加快形成龙头企业牵头、相关企业参与、科技研发机构共同合作的模式,共同构建硅藻养殖和产业发展生态链。建议政府对被认定的硅藻示范企业,给予一定的经费补助,并在科研项目立项、财政资助方面予以支持。

(六)实施优惠政策。硅藻产业生态链的形成是一个长期过程,在起步阶段需要政府必要的扶持和帮助。为此建议国家仿照扶持风光发电等可再生能源项目起步发展的方式,对硅藻养殖及其产业化应用项目予以扶持,促进硅藻产业生态链尽快发展壮大。一是实行财政金融优惠政策。建议中央和相关省市财政列出专项资金,支持硅藻养殖基地和研发基地建设,采取贴息贷款等方式引导社会资金投资硅藻应用项目,鼓励银行金融机构尤其是政策性金融机构按照绿色金融项目给予硅藻应用项目优惠贷款。二是实行税收优惠政策。对经认定的开展硅藻业务的高新技术企业减征企业所得税。对单位和个人从事硅藻技术转让、技术开发业务和与之相关的技术咨询、技术服务业务取得的收入,在营业税上予以优惠。三是实行土地优惠政策。建议对硅藻项目新增建设用地,由当地优先安排用地指标。硅藻项目进入产业集聚区,在用地指标上给予优先保障。对硅藻养殖基地、硅藻研发基地和硅藻产业化工厂等用地,可以行政划拨方式供地。针对企业联合院校、科研所建设的重点实验室、研发机构等,可以行政划拨方式供地。对硅藻企业兴办配套工业研发、产品研试和生产的产业研发中心,其用地以科研用地用途等方式供应。四是实行人才优惠政策。建立硅藻技术人才培训基地,加强硅藻网络学院建设,对各界进行硅藻知识培训。大力引进海外硅藻领域高层次、高技能人才和创新团队,加入我国硅藻产业研发应用队伍,并分别给予一定的政府科学技术人才补贴。对个人获硅藻应用技术奖的奖金,对通过政府认可的硅藻高技术人才、高技能人才等各类人才的奖金,在个人所得税上予以优惠。对符合条件的海内外高层次硅藻技术人才可直接认定相关高级职称或高等级职业资格。


中国政策科学研究会调研组(执笔:唐元)


课题成果