水危机

文颖

连续四年的干旱使美国加州的水库逐渐干涸。科学家正在研究能帮助解决这一危机和全球干旱问题的技术。

美国一家草坪喷漆服务公司的网页宣传语写着：“草坪着色，就像为您的草坪做一次美容！”自美国加州发生旱灾后，草坪着色 “绿化” 服务逐渐火爆起来。三年多过去了，这里的旱情仍然没有结束的迹象，加州水资源管理局出台了紧急节水措施，规定居民一周浇灌花园不得超过两次，否则将会受到惩罚。2015年4月初，加州州长宣布限水令，让水供应商减少四分之一的供水量，这条禁令的有效期直至2016年2月。

受到干旱死亡般炙烤的不仅只有草坪，湖泊和水库的储水量已降至历史最低点之一。因无足够的水灌溉农作物，农业受到严重影响。在美国旧金山从事水污染监测工作的布莱恩·雷诺克斯经营了一个网站，专门报道水资源问题。和其他居住在加州的人一样，布莱恩·雷诺克斯深刻地感受到了连续干旱带来的影响，“沿着5号洲际公路的加利福尼亚州段，放眼望去，满目都是空荡的田野和枯树。因2016年无法从政府部门获取更多的农用水用以灌溉，很多人对此焦虑不已。”

为草坪着色（喷洒的是可降解的环保物质）。

在大海中寻找淡水

如今，水资源短缺已成为一个全球性问题，究其根本，或是因为一些地区遭遇极度干旱，或人口迅速增加，或水资源分布不均，亦或兼而有之。几十年来，全球用水量增长率大于人口增长速度，这意味着10年之内，世界三分之二的人口将可能面临“水危机”。这一情况下，人类对水的需求将明显大于供给。非洲国家水危机仍最为严峻，但即使是很多西方国家也面临着严峻的挑战，不能提供足够用水，同时，世界上其他地方的水井也在逐渐干涸。

位于以色列的一个海水淡化厂，为当地居民提供干净的用水。

在一些干旱国家，2015年的5月至9月几乎没有降雨，节约用水已成为当地人民的一种生活方式。然而，美国加州居民并没有深刻意识到节水的重要性。 “他们已经习惯了打开水龙头就可以用水。”雷诺克斯说。经过一段时间，水资源教育也许能改变西方国家居民对水的态度，但也将仅此而已。

幸运的是，有很多科学家提出了一些解决全球水资源短缺的方案。在以色列，工程技术人员通过淡化海水获取了40%的用水。采用淡化技术脱除海水中的大部分盐类，使处理后的海水达到生活和生产用水标准。美国加州正试图采用这一技术，以解决水资源危机。

目前，应用最广泛的海水淡化技术之一——反渗透海水淡化技术——于20世纪50年代提出，是当今最先进和最节能有效的膜分离技术。但问题是这一过程需消耗大量能源。现在，美国马萨诸塞州剑桥市的相关研究人员认为他们可能已经找到了一种能满足现代社会要求的有效节能的解决方法。

反渗透海水淡化技术的原理是在高于溶液渗透压的作用下，使水透过特制的半透膜，将水和溶解盐类、微生物、有机物、胶体等分离开来。美国麻省理工学院的罗希特·尼克博士团队一直在尝试用一种超薄的二维碳材料石墨烯制成反渗透膜。在2015年发表的一项研究成果中，他们介绍：通过“焚烧”镓原子，可在石墨烯中制备数万亿纳米级微孔，随后用化学材料扩大孔径，直至足以使水分子通过。与传统的反渗透膜相比，石墨烯制成的半透膜减小了对水的阻力，可像筛子一样迅速过滤掉盐等。这一精密过滤技术大大减少了淡化海水过程中消耗的能源，且过滤膜更高效更耐用。

不过，在这些工程尚未使用石墨烯制成的过滤膜之前，先前干旱时修建的随后又被遗弃或被缩减规模的海水淡化工程现在又逐渐开始受到青睐。使用更高性能的过滤膜最终可能意味着更高效地淡化海水，但这些过滤膜的成本如何呢？制备石墨烯成本较高，但尼克认为，随着石墨烯进入工业应用，如采用柔性电子产品，其生产成本就会降下来。他指出：一些公司已经开始使用“roll-to-roll生产技术”（又称卷对卷制程）进行制备。roll-to-roll生产技术是一种高效能、连续性的生产方式，专门处理可挠曲性质的薄膜（也称软板），该类薄膜从圆筒状的料卷卷出后，在薄膜上加入特定用途的功能，再卷成圆筒状或进行裁切。

在太平洋另一边，创新的水净化技术和水资源管理已成为新加坡的国家品牌。新加坡采用膜过滤技术淡化的海水，占淡水总用量的25%。同时也采用反渗透技术，在其新建水厂实现废水资源化处理，制备出符合标准的饮用水。在美国，这一回收过程通常被戏称为“从厕所到水龙头”，但它目前仍是一个比较棘手的课题。不过，许多科学家认为经废水资源化处理制备的新生水完全符合饮用水标准。

肖恩·卡特勒认为特定的杀菌剂可以启动一个植物的干旱防御机制。

通过废水资源化和海水淡化制备清洁水可以帮助美国加州人民度过干旱时期，但对水资源形势十分严峻的另外一些国家仍不会有太大帮助。发展中国家，尤其是内陆国家，将不得不继续寻找其他解决方案。

干旱防御措施

在世界上的大多数地方，尤其是在无法进行淡化海水制备清洁水的内陆地区，种植抗旱作物可作为应对水资源短缺的策略之一。非洲一些采用传统方法灌溉农作物的国家早已开始帮助农民充分利用干燥条件。例如，20世纪90年代，乍得（一个非洲国家）的农民开始播种耐旱的高粱，这一措施使那里的粮食产量提高了50%。

防御干旱的对策之一是种植更适应干燥环境的改良农作物。对于绝望的农民而言，播种经基因重组产生特定性状的抗旱作物可能是防止耕地弃荒的一种方式。美国植物科学家思·卡特勒正在研究如何使用农民可用的化学品改良农作物，以提高其抗旱能力。

卡特勒团队在《自然》杂志上发表的一篇文章提到了改良农作物以提高其抗旱能力，这一方法适用于多种不同作物。他们对与植物中的“小白鼠”——拟南芥进行了DNA测序，通过不断测色，最终找到了合适的受体——植物分子“开关”。触发“开关”，可关闭叶片中便于水蒸气蒸发的微孔，从而提高植物蓄水机能。使用农用杀虫剂激活改良后的基因，以提高作物的抗旱蓄水性能。“这一方法十分巧妙”，卡特勒说，“其实植物中还存在其他可被化学激活的受体。如果采用这一方法，农户最终有可能仅通过在作物田里喷洒一种农药，就能激活植物，使其进行不同的干旱防御机制。”但和欧洲一样，在美国，仍有声音质疑和反对转基因产品。卡特勒解释说： “在美国，除非作物中加入了新的基因，否则不能被视为转基因作物。因此，我们可以提出基因重组改良策略，这样就不会引发人们对转基因产品的争议。”

从稀薄的空气中获取水源

世界各地正在试验一种奇特的方法——从雾气中收集水滴。自然界中存在着很多具有集水性能的物质，如某些植物的叶子和沙漠甲虫的后背。令人难以置信的是，蜘蛛丝表面的特殊结构，也具有高度集水的性能。 2010年，我国的一个研究团队在《自然》杂志上发表了一篇论文，揭示了蜘蛛丝表面的特殊结构。科学家们发现，蜘蛛丝湿润后，丝纤维表面会形成有粗糙度的凸起结构。

蜘蛛丝表面的“纺锤节”具有高度集水的性能。

蜘蛛丝表面的结构会导致小水滴流向的差异，进而影响蜘蛛丝的集水性能。这就是为什么我们会看到蜘蛛网水滴总是分别凝聚在凸起结构周围，科学家也将此类凸起结构称之为“纺锤节”，即蜘蛛丝集水点。目前，科学家的挑战是采用便宜的仿生材料制备蜘蛛丝仿生结构，用于在干旱地区从雾气中更有效地收集水滴。北京航空航天大学的郑咏梅教授及其研究团队采用人造仿生纤维材料，制成蜘蛛网仿生纺锤节结构，并将其织成长绳。郑咏梅教授指出：“仿生纤维的水收集能力优于一般纤维。”她还表示，他们正在通过室外试验测试纤维性能，希望能在世界其他多雾地区实施此类项目。

在危地马拉一个小山村，当地安装了30个雾滴采集器，人们每天可收集总计约6000升的水量，这足够3.5个加州居民使用（2011年数据）。要知道，原来加州居民浇灌花园等室外用水量约为日常用水量的一半以上。在美国旧金山，雷诺克斯正考虑在家里建立一个雾滴收集装置，不过他还没有开始进行。也许人造蜘蛛网不能彻底解决加州水资源问题，但我们目前也找不到一个一劳永逸的方案。

雷诺克斯担心，即使在遭受连续数年的干旱之后，人们仍然意识不到水资源短缺的严重性。他建议：包括政治家、农民、抽取地下水的瓶装水公司和想要有漂亮花园却没有足够饮用水的居民在内的每一个人都应承担更多的责任。我们应共同努力，解决地球水资源日趋枯竭的问题。

雾滴收集装置。

村民喝收集起来的水。

意外的发现

1950年，美国科学家达尔·萨利有一回无意中发现海鸥在海上飞行时从海面啜起一大口海水，隔了几秒后，吐出一小口的海水，而产生疑问，因为陆地上由肺呼吸的动物是绝对无法饮用高盐分的海水的。经过解剖发现海鸥体内有一层薄膜，该薄膜非常精密，海水经由海鸥吸入体内后加压，再经由压力作用将水分子贯穿渗透过薄膜转化为淡水，而含有杂质及高浓缩盐分的海水则吐出嘴外，此即往后反渗透法的基本理论架构。其后，反渗透膜除了被应用在海水淡化问题上，还有科学家将该项技术用于太空船上，以此解决太空人的饮水难题。