深層海水的用途及開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

邱金泉，王建艷，王靜，司曉光，陳進(jìn)斌，張雨山

（1.國(guó)家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所 天津 300192；2.北京自然博物館科學(xué)研究部 北京 100050）

藍(lán)色經(jīng)濟(jì)

深層海水的用途及開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

邱金泉1，王建艷2，王靜1，司曉光1，陳進(jìn)斌1，張雨山1

（1.國(guó)家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所 天津 300192；2.北京自然博物館科學(xué)研究部 北京 100050）

在人類社會(huì)面臨“陸地資源枯竭、環(huán)境日益惡化和人口不斷增加”三大威脅的今天，向海洋要資源已成為解決沿海地區(qū)資源危機(jī)并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。深層海水具有低溫性、富營(yíng)養(yǎng)性、潔凈性等特點(diǎn)，且儲(chǔ)量巨大，是人類未來(lái)的“藍(lán)色資源寶庫(kù)”。文章對(duì)深層海水在能源、水產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用情況以及國(guó)內(nèi)外深層海水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹和分析，以期為我國(guó)深層海水的研究與開(kāi)發(fā)提供參考借鑒。

深層海水；低溫；富營(yíng)養(yǎng)；開(kāi)發(fā)利用

1 深層海水及其特性

深層海水一般是指海平面200 m以下的海水。海洋面積約占地球表面積的70.8%，海洋平均水深約為4 000 m，95%的海水屬于深層海水［1］。因陽(yáng)光難以照達(dá)，深層海水中光合作用幾乎停止，異養(yǎng)作用占主導(dǎo)，加之與表層海水交換極少，生物活動(dòng)不劇烈［2］?？傮w來(lái)說(shuō)，深層海水具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)。

（1）低溫性。因陽(yáng)光不能直接照射，與表層水相比，深層海水水溫較低，一般為1℃～10℃。隨著深度的增加，海水溫度逐漸降低。海平面300 m以下水溫約為10℃，1 000 m以下為4℃～6℃，隨后海水溫度保持穩(wěn)定。

（2）富營(yíng)養(yǎng)性。由于缺少充分的光照，深海中的生物幾乎不能發(fā)生光合作用，致使大量的氮、磷、硅等無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽因未被消耗而存留于深層海水中。分析表明，隨著海水深度的增加，海水中無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽的含量逐漸增加，水深為1 000 m時(shí)，含量達(dá)到最高且穩(wěn)定［3］。

（3）微量元素豐富且恒定。深層海水中微量元素和礦物質(zhì)種類非常豐富。深層海水中含有90多種人體所需的礦物質(zhì)及微量元素。同時(shí)，由于遠(yuǎn)離外界影響，其礦物質(zhì)元素始終維持在一個(gè)恒定的均衡狀態(tài)［4］。

（4）潔凈性。深層海水的物理活動(dòng)及光合作用等生物過(guò)程較少，加之其遠(yuǎn)離陸地及大氣污染，因此，深層海水是一種非常潔凈的水資源［5］。研究表明，深層海水中懸浮顆粒物含量極低，僅為表層海水的14%［6］，并且其中也不含病原菌、化學(xué)化合物和環(huán)境激素等污染物。

2 深層海水的用途

根據(jù)深層海水的不同特性，可將其應(yīng)用于空調(diào)冷源、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、精細(xì)化工等不同行業(yè)。

2.1 溫差發(fā)電及制冷

光線無(wú)法到達(dá)的海洋深層水與表層海水之間存在著一定的溫度差，利用此溫差可實(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)，即海洋溫差能發(fā)電（Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC）。1979年美國(guó)夏威夷州政府牽頭組織了“Mini－OTEC”實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，利用取自675 m深處的深層海水成功實(shí)現(xiàn)了總產(chǎn)值為53.6 k W、凈產(chǎn)值為18.5 k W的溫差能發(fā)電，這是世界上首次從海洋溫差能中獲得具有實(shí)際利用價(jià)值的電力。除此之外，深層海水可作為冷源直接冷卻空調(diào)房?jī)?nèi)的空氣，該技術(shù)與傳統(tǒng)的空氣熱源式制冷機(jī)相比大大節(jié)省了電力消耗，可極大地降低制冷成本。同時(shí)，系統(tǒng)不需要制冷劑，因此不會(huì)對(duì)大氣臭氧層造成破壞。美國(guó)夏威夷州自然能源研究所和日本高知縣海洋深層水研究所將深層海水用于冷房制冷，與空氣熱源式壓縮制冷機(jī)相比，節(jié)能效率分別為90%和40%。臺(tái)灣臺(tái)東區(qū)農(nóng)業(yè)改良場(chǎng)負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)的“精致農(nóng)業(yè)研發(fā)館”利用深層海水作冷源降低溫室內(nèi)溫度，有效解決了某些花卉、蔬菜、水果無(wú)法在夏天栽培的問(wèn)題。另外，利用深層水制冰后用于水產(chǎn)保鮮，不但電力消耗較少，而且與淡水制冰相比，可使保鮮溫度降低2℃以上，顯著提高保鮮食品特別是海產(chǎn)品的鮮度［7］。

2.2 水產(chǎn)養(yǎng)殖

深層海水富含海洋浮游植物生長(zhǎng)所必需的多種營(yíng)養(yǎng)元素及礦物質(zhì)，其中氮、磷含量分別可達(dá)表層海水的數(shù)十倍之多［8］，用深層海水作為培養(yǎng)液可顯著提高藻類生產(chǎn)力、改良藻類代謝途徑等。有學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化的表層海水和深層海水同時(shí)養(yǎng)殖同一種海藻。3周后，用深層海水培養(yǎng)的海藻的濕重比用營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化的表層水培養(yǎng)的海藻重37%［9］。采用海洋深層水養(yǎng)殖海帶，其蛋白含量比用表層水養(yǎng)殖的高2.5倍，而糖分僅為后者的60%［10］。汲取深層海水用于養(yǎng)殖硅藻等浮游植物，進(jìn)而將其用于貝類、魚(yú)、蝦等的聯(lián)合養(yǎng)殖，可免除工業(yè)肥料的使用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以深層海水培養(yǎng)浮游植物，待達(dá)到一定的數(shù)量后，向其內(nèi)投入蛤蚌和牡蠣，所喂養(yǎng)的蛤蚌和牡蠣的生長(zhǎng)速率是生長(zhǎng)于表層海水中同類的2～4倍，6個(gè)月內(nèi)就可以達(dá)到出售標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)養(yǎng)殖廢水還可用于種植高產(chǎn)卡拉膠和瓊脂等化工產(chǎn)品的海草，實(shí)現(xiàn)深層海水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向人類可利用的物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換［11］。利用深層海水可進(jìn)行低溫魚(yú)類的養(yǎng)殖，日本富山縣在20世紀(jì)90年代就開(kāi)始嘗試用深層海水養(yǎng)殖三文魚(yú)種魚(yú)，目前基于此種方法已成功地實(shí)現(xiàn)了大西洋鮭魚(yú)、比目魚(yú)、三文魚(yú)等冷水性魚(yú)類的養(yǎng)殖。由于深層海水遠(yuǎn)離污染，化學(xué)污染物和病原菌較少，還可有效避免養(yǎng)殖魚(yú)類感染疾病。以海洋深層海水養(yǎng)殖比目魚(yú)種魚(yú)，可有效地提高魚(yú)卵孵化率和仔魚(yú)活力，有效降低防疫人工、藥品和設(shè)施投入。

2.3 農(nóng)業(yè)和食品開(kāi)發(fā)

深層海水經(jīng)過(guò)適當(dāng)稀釋后用于種植農(nóng)作物，可顯著改善作物品質(zhì)。日本靜岡縣農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)利用從深約700 m處抽取的深層海水澆灌蔬菜后，蔬菜的含糖量和產(chǎn)量顯著增加，并且生長(zhǎng)過(guò)程縮短。每周給罐栽番茄澆灌經(jīng)20倍普通水稀釋的深層海水，結(jié)果表明，番茄的收獲期比常規(guī)栽培提前了約10天，含糖量增加了4%，產(chǎn)量增加了115～217倍。深層海水還可以增加小松菜的產(chǎn)量，提高番茄、葡萄等果實(shí)成色等［12］。將經(jīng)20倍甚至50倍稀釋的深層海水用于牧草、大豆、胡蘿卜、水稻等的養(yǎng)殖，其中富含的礦物離子可明顯提高產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值［13］。除此之外，利用深層海水潔凈性和礦物元素均衡的特點(diǎn)，可開(kāi)發(fā)商業(yè)化的礦泉水、食用鹽、醬油、豆制品、醬類、咸菜、餅干、面包、年糕、方便面、清酒等制品。添加深層海水制成的食品除了潔凈無(wú)污染之外，還具有口味獨(dú)特、口感好等特點(diǎn)，究其原因，一是深層海水中富含大量的無(wú)機(jī)鹽離子，改善了產(chǎn)品口感；二是這些無(wú)機(jī)鹽離子會(huì)影響食物發(fā)酵過(guò)程，并促進(jìn)微生物產(chǎn)生有利于人體吸收和利用的物質(zhì)，使得產(chǎn)品更加醇和、爽口［14－15］。

2.4 醫(yī)療與保健

微量元素在人體內(nèi)的含量盡管非常低，但與人類健康密切相關(guān)，很多人體疾病都是由于微量元素的缺失或失衡所致。深層海水所蘊(yùn)藏的豐富礦物質(zhì)和微量元素可為人類疾病的治療提供新的突破口。Machira等［16］通過(guò)對(duì)喂食海洋深層海水和硅的小鼠股骨骨髓研究發(fā)現(xiàn)，可溶性硅酸鹽可通過(guò)上調(diào)骨代謝相關(guān)蛋白的mRNA表達(dá)，促進(jìn)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的增殖和代謝，由此認(rèn)為富含硅酸鹽的海洋深層海水可用于骨質(zhì)疏松癥的預(yù)防與治療。日本學(xué)者太井秀行等［17］研究發(fā)現(xiàn)，富含礦物質(zhì)的深層海水飲料可以改善血液流動(dòng)性，其中的鎂離子可以預(yù)防飛機(jī)旅客血栓的形成。Lee等［18］研究了深層海水對(duì)大腸腺癌發(fā)生和轉(zhuǎn)移的影響，其研究認(rèn)為，深層海水通過(guò)抑制環(huán)氧化酶（COX－2）、尿激酶纖維蛋白溶酶原激活物（u PA）、尿激酶纖維蛋白溶酶原激活物受體（uPAR）和轉(zhuǎn)移生長(zhǎng)因子（TGF－β）在人大腸腺癌細(xì)胞（HT－29）中的表達(dá)，從而阻止癌細(xì)胞的擴(kuò)增和轉(zhuǎn)移。何珊［19］的研究表明，海洋深層海水對(duì)人體代謝綜合征及其相關(guān)疾病（如高脂血癥和II型糖尿病等）具有預(yù)防作用，其中鎂離子和鈣離子等常量元素對(duì)改善糖脂代謝和抵抗胰島素有明顯的作用，而釩、鉻、錳、鋅、硒等微量元素則進(jìn)一步加強(qiáng)了該效應(yīng)，使海洋深層海水的藥理活性更為顯著。深層海水經(jīng)除鈉處理后制成的濃縮礦物質(zhì)液可用于補(bǔ)充大量運(yùn)動(dòng)后造成的礦物質(zhì)流失，具有抗疲勞的功效［20］。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，深層海水中的礦物質(zhì)或微量元素具有抗氧化、抗炎癥、抗凋亡等作用，其在肥胖癥［21］、高血壓［22］、過(guò)敏性皮炎［23］、胃潰瘍及十二指腸潰瘍［24］、皮膚創(chuàng)傷［25］等的預(yù)防與治療方面也具有一定的效果。

3 國(guó)內(nèi)外深層海水開(kāi)發(fā)利用狀況

目前，世界上開(kāi)發(fā)利用深層海水的國(guó)家和地區(qū)主要有美國(guó)、日本、韓國(guó)以及我國(guó)的臺(tái)灣地區(qū)等。

美國(guó)是最早開(kāi)發(fā)利用深層海水的國(guó)家。1970年，美國(guó)科學(xué)家Gerard和Roels最先提出利用深層海水進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖、發(fā)電、淡水生產(chǎn)等設(shè)想。1974年，美國(guó)成立了夏威夷自然能源研究所（Natural Energy Laboratory of Hawaii Authority，NELHA），該研究所以研發(fā)海洋溫差發(fā)電技術(shù)為主，兼顧深層海水養(yǎng)殖和制冷技術(shù)研究。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，美國(guó)在深層海水方面的研究成果涉及農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)、食品、工業(yè)冷卻及海水空調(diào)等多個(gè)領(lǐng)域，并且已在世界上很多國(guó)家成功推廣其深層海水產(chǎn)品。

日本是世界上深層海水產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最為成功的國(guó)家，由最初采用深層海水進(jìn)行脫鹽、制取飲用水開(kāi)始，后來(lái)逐漸擴(kuò)大到利用深層海水高純度特性制造飲料、食品、化妝品以及用于健康醫(yī)療和深海水產(chǎn)種苗的培育等，呈現(xiàn)多元化的特點(diǎn)。高知縣、富山縣和沖繩縣是日本深層海水利用發(fā)展最為成功的幾個(gè)縣，其中沖繩縣擁有日本目前產(chǎn)能最大的兩條取水線，取水深度為612 m，日取水能力達(dá)13 000 t。2007年日本與深層海水相關(guān)的產(chǎn)品的銷售額達(dá)到400多億日元［26］。

韓國(guó)從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始進(jìn)行深層海水研究，進(jìn)入21世紀(jì)后發(fā)展速度加快，2005年和2008年分別成立了國(guó)家海洋深層水研究中心和海洋深層水產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，由政府主導(dǎo)進(jìn)行了深層海水利用可行性研究。此外，韓國(guó)政府還制定了深層海水相關(guān)法律和發(fā)展規(guī)劃，用以支持和推動(dòng)深層海水產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。目前，韓國(guó)海洋研究院通過(guò)招標(biāo)方式選擇愛(ài)京產(chǎn)業(yè)、現(xiàn)代藥品、斗山R＆D中心等8家企業(yè)參與海洋深層水試制品開(kāi)發(fā)研究。到2013年，韓國(guó)深層海水市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到10億美元［27－28］。

我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)東部海底地形陡峭，具有發(fā)展深層海水產(chǎn)業(yè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。臺(tái)灣于2000年公布了“深層海水資源利用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策綱領(lǐng)”，開(kāi)始規(guī)劃利用深層海水進(jìn)行重要水產(chǎn)生物育種研究，以促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖及海洋生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。自2005年起開(kāi)始資助深層海水利用研究，主要關(guān)注海域水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)與質(zhì)量信息管理、深層海水礦物質(zhì)濃縮液、醫(yī)療品及化妝品原材料的獲取、可再生能源和冷熱源的利用等領(lǐng)域［29］。目前，已有臺(tái)灣肥料公司、光隆生物技術(shù)公司、幸福水泥集團(tuán)等多家企業(yè)布局該市場(chǎng)，將深層海水產(chǎn)業(yè)視為未來(lái)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)，預(yù)計(jì)總投資金額將達(dá)到數(shù)十億元新臺(tái)幣。

與深層海水開(kāi)發(fā)應(yīng)用較早的美國(guó)、日本、韓國(guó)和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)相比，我國(guó)大陸地區(qū)直到進(jìn)入21世紀(jì)，特別是2010年之后才開(kāi)始真正關(guān)注深層海水資源，但目前仍鮮有人從事深層海水開(kāi)發(fā)利用的專業(yè)研究。由于尚未建立深層海水的抽取設(shè)備和深層海水研究機(jī)構(gòu)，許多與深層海水相關(guān)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)受阻，現(xiàn)有的深層海水相關(guān)制品主要是部分企業(yè)通過(guò)進(jìn)口國(guó)外深層海水濃縮液進(jìn)行勾兌或添加，雖然開(kāi)發(fā)出了海洋功能瓶裝水、美容護(hù)膚品等少量產(chǎn)品，但并未形成商業(yè)體系，也缺乏多用途使用與擴(kuò)展的空間，距離實(shí)現(xiàn)真正的深層海水利用產(chǎn)業(yè)化還有較長(zhǎng)的路要走。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

黨的十八大報(bào)告中明確提出要“提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”。我國(guó)作為海洋大國(guó)，在過(guò)去的數(shù)十年里海洋經(jīng)濟(jì)有了長(zhǎng)足飛躍，但與世界上其他海洋強(qiáng)國(guó)相比，我國(guó)海洋資源總體開(kāi)發(fā)能力仍然較低，特別是部分近海資源過(guò)度開(kāi)發(fā)，而深遠(yuǎn)海資源開(kāi)發(fā)技術(shù)和力度嚴(yán)重不足［30］。美國(guó)、日本等國(guó)的成功案例均已證明，深層海水具有巨大的資源價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益，但目前國(guó)內(nèi)有關(guān)海水的開(kāi)發(fā)利用技術(shù)及海洋化工產(chǎn)品的制備研發(fā)主要局限在表層海水利用方面，如海水制鹽、海水淡化、工業(yè)海水冷卻、海水脫硫和沿海城市海水沖廁等，對(duì)深層海水的利用研究基本處于空白階段，相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。

南海作為我國(guó)四大海區(qū)中水深最深的海區(qū)，平均水深為1 212 m，不僅具有豐富的油氣資源，而且也蘊(yùn)藏著豐富的深層海水資源，開(kāi)發(fā)潛力巨大。海南島東南部、西沙群島等區(qū)域都具備汲取深層海水的獨(dú)特自然條件優(yōu)勢(shì)。開(kāi)發(fā)利用深層海水既能帶動(dòng)相關(guān)科研領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步，又能推動(dòng)當(dāng)?shù)睾Ｑ蠼?jīng)濟(jì)向新興高端技術(shù)行業(yè)發(fā)展，提升國(guó)民生活質(zhì)量。為此，迫切需要開(kāi)展我國(guó)深層海水資源調(diào)查與利用技術(shù)研究工作。筆者認(rèn)為，今后我國(guó)深層海水的研究與開(kāi)發(fā)利用工作可重點(diǎn)從以下方面進(jìn)行：①系統(tǒng)開(kāi)展我國(guó)深層海水可利用區(qū)域與深層海水資源分布調(diào)查；②對(duì)取水點(diǎn)的設(shè)置及取水工程可行性進(jìn)行充分研究論證；③建立深層海水開(kāi)發(fā)利用基地與產(chǎn)業(yè)化試點(diǎn)，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研有機(jī)結(jié)合；④加大深層海水產(chǎn)品研發(fā)力度，提高深層海水制品的附加值；⑤統(tǒng)籌規(guī)劃，在多方面、多途徑開(kāi)發(fā)利用深層海水資源的同時(shí)，兼顧海洋生態(tài)環(huán)境安全。

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Role，Development and Utilization of Deep Sea Water

QIU Jinquan，WANG Jianyan，WANG Jing，SI Xiaoguang，CHEN Jinbin，ZHANG Yushan
（1.The Institute of Seawater Desalination and Multi－purpose Utilization，SOA，Tianjin 300192，China；2.Department of Science Research，Beijing Museum of Natural History，Beijing 100050，China）

Nowadays，land resources exhaustion，environment worsening and growing population have become big threats to the human society.Exploring resources from the ocean is an important way to solve the resource crisis and keep sustainable development in coastal areas.Deep sea water has characteristics such as low temperature，rich nutrition，clean，and the huge reserves.It is a“blue resources storehouse”in the future.In this paper，the applications of deep sea water in energy，aquaculture，agriculture，medicine and other fields were briefly introduced and analyzed.Also，the development and the utilization of deep sea water at home and abroad were studied，to offer reference for the research and development of deep sea water in China.

Deep sea water，Low temperature，Rich nutrition，Development and utilization

P7

：A

：1005－9857（2017）07－0093－05

2017－01－16；

：2017－06－01

全球變化與海氣相互作用專項(xiàng)（GASI－03－02－02－05）.

邱金泉，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)楹Ｋ?、污水處理等技術(shù)研究

張雨山，研究員，博士，研究方向?yàn)楹ＫC合利用