深层海水的用途及开发利用现状

邱金泉，王建艳，王静，司晓光，陈进斌，张雨山

（1.国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所 天津 300192；2.北京自然博物馆科学研究部 北京 100050）

蓝色经济

深层海水的用途及开发利用现状

邱金泉1，王建艳2，王静1，司晓光1，陈进斌1，张雨山1

（1.国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所 天津 300192；2.北京自然博物馆科学研究部 北京 100050）

在人类社会面临“陆地资源枯竭、环境日益恶化和人口不断增加”三大威胁的今天，向海洋要资源已成为解决沿海地区资源危机并实现可持续发展的重要途径。深层海水具有低温性、富营养性、洁净性等特点，且储量巨大，是人类未来的“蓝色资源宝库”。文章对深层海水在能源、水产、农业、医疗等领域的应用情况以及国内外深层海水资源开发利用现状进行了简要介绍和分析，以期为我国深层海水的研究与开发提供参考借鉴。

深层海水；低温；富营养；开发利用

1 深层海水及其特性

深层海水一般是指海平面200 m以下的海水。海洋面积约占地球表面积的70.8%，海洋平均水深约为4 000 m，95%的海水属于深层海水［1］。因阳光难以照达，深层海水中光合作用几乎停止，异养作用占主导，加之与表层海水交换极少，生物活动不剧烈［2］。总体来说，深层海水具有以下几个显著特点。

（1）低温性。因阳光不能直接照射，与表层水相比，深层海水水温较低，一般为1℃～10℃。随着深度的增加，海水温度逐渐降低。海平面300 m以下水温约为10℃，1 000 m以下为4℃～6℃，随后海水温度保持稳定。

（2）富营养性。由于缺少充分的光照，深海中的生物几乎不能发生光合作用，致使大量的氮、磷、硅等无机营养盐因未被消耗而存留于深层海水中。分析表明，随着海水深度的增加，海水中无机营养盐的含量逐渐增加，水深为1 000 m时，含量达到最高且稳定［3］。

（3）微量元素丰富且恒定。深层海水中微量元素和矿物质种类非常丰富。深层海水中含有90多种人体所需的矿物质及微量元素。同时，由于远离外界影响，其矿物质元素始终维持在一个恒定的均衡状态［4］。

（4）洁净性。深层海水的物理活动及光合作用等生物过程较少，加之其远离陆地及大气污染，因此，深层海水是一种非常洁净的水资源［5］。研究表明，深层海水中悬浮颗粒物含量极低，仅为表层海水的14%［6］，并且其中也不含病原菌、化学化合物和环境激素等污染物。

2 深层海水的用途

根据深层海水的不同特性，可将其应用于空调冷源、水产养殖、农业、食品、医药、精细化工等不同行业。

2.1 温差发电及制冷

光线无法到达的海洋深层水与表层海水之间存在着一定的温度差，利用此温差可实现热力循环，即海洋温差能发电（Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC）。1979年美国夏威夷州政府牵头组织了“Mini－OTEC”实验计划，利用取自675 m深处的深层海水成功实现了总产值为53.6 k W、净产值为18.5 k W的温差能发电，这是世界上首次从海洋温差能中获得具有实际利用价值的电力。除此之外，深层海水可作为冷源直接冷却空调房内的空气，该技术与传统的空气热源式制冷机相比大大节省了电力消耗，可极大地降低制冷成本。同时，系统不需要制冷剂，因此不会对大气臭氧层造成破坏。美国夏威夷州自然能源研究所和日本高知县海洋深层水研究所将深层海水用于冷房制冷，与空气热源式压缩制冷机相比，节能效率分别为90%和40%。台湾台东区农业改良场负责运营的“精致农业研发馆”利用深层海水作冷源降低温室内温度，有效解决了某些花卉、蔬菜、水果无法在夏天栽培的问题。另外，利用深层水制冰后用于水产保鲜，不但电力消耗较少，而且与淡水制冰相比，可使保鲜温度降低2℃以上，显著提高保鲜食品特别是海产品的鲜度［7］。

2.2 水产养殖

深层海水富含海洋浮游植物生长所必需的多种营养元素及矿物质，其中氮、磷含量分别可达表层海水的数十倍之多［8］，用深层海水作为培养液可显著提高藻类生产力、改良藻类代谢途径等。有学者通过实验发现，采用营养强化的表层海水和深层海水同时养殖同一种海藻。3周后，用深层海水培养的海藻的湿重比用营养强化的表层水培养的海藻重37%［9］。采用海洋深层水养殖海带，其蛋白含量比用表层水养殖的高2.5倍，而糖分仅为后者的60%［10］。汲取深层海水用于养殖硅藻等浮游植物，进而将其用于贝类、鱼、虾等的联合养殖，可免除工业肥料的使用。实验发现，以深层海水培养浮游植物，待达到一定的数量后，向其内投入蛤蚌和牡蛎，所喂养的蛤蚌和牡蛎的生长速率是生长于表层海水中同类的2～4倍，6个月内就可以达到出售标准。同时养殖废水还可用于种植高产卡拉胶和琼脂等化工产品的海草，实现深层海水中的营养物质向人类可利用的物质和能量的转换［11］。利用深层海水可进行低温鱼类的养殖，日本富山县在20世纪90年代就开始尝试用深层海水养殖三文鱼种鱼，目前基于此种方法已成功地实现了大西洋鲑鱼、比目鱼、三文鱼等冷水性鱼类的养殖。由于深层海水远离污染，化学污染物和病原菌较少，还可有效避免养殖鱼类感染疾病。以海洋深层海水养殖比目鱼种鱼，可有效地提高鱼卵孵化率和仔鱼活力，有效降低防疫人工、药品和设施投入。

2.3 农业和食品开发

深层海水经过适当稀释后用于种植农作物，可显著改善作物品质。日本静冈县农业试验场利用从深约700 m处抽取的深层海水浇灌蔬菜后，蔬菜的含糖量和产量显著增加，并且生长过程缩短。每周给罐栽番茄浇灌经20倍普通水稀释的深层海水，结果表明，番茄的收获期比常规栽培提前了约10天，含糖量增加了4%，产量增加了115～217倍。深层海水还可以增加小松菜的产量，提高番茄、葡萄等果实成色等［12］。将经20倍甚至50倍稀释的深层海水用于牧草、大豆、胡萝卜、水稻等的养殖，其中富含的矿物离子可明显提高产物的营养价值［13］。除此之外，利用深层海水洁净性和矿物元素均衡的特点，可开发商业化的矿泉水、食用盐、酱油、豆制品、酱类、咸菜、饼干、面包、年糕、方便面、清酒等制品。添加深层海水制成的食品除了洁净无污染之外，还具有口味独特、口感好等特点，究其原因，一是深层海水中富含大量的无机盐离子，改善了产品口感；二是这些无机盐离子会影响食物发酵过程，并促进微生物产生有利于人体吸收和利用的物质，使得产品更加醇和、爽口［14－15］。

2.4 医疗与保健

微量元素在人体内的含量尽管非常低，但与人类健康密切相关，很多人体疾病都是由于微量元素的缺失或失衡所致。深层海水所蕴藏的丰富矿物质和微量元素可为人类疾病的治疗提供新的突破口。Machira等［16］通过对喂食海洋深层海水和硅的小鼠股骨骨髓研究发现，可溶性硅酸盐可通过上调骨代谢相关蛋白的mRNA表达，促进成骨细胞和破骨细胞的增殖和代谢，由此认为富含硅酸盐的海洋深层海水可用于骨质疏松症的预防与治疗。日本学者太井秀行等［17］研究发现，富含矿物质的深层海水饮料可以改善血液流动性，其中的镁离子可以预防飞机旅客血栓的形成。Lee等［18］研究了深层海水对大肠腺癌发生和转移的影响，其研究认为，深层海水通过抑制环氧化酶（COX－2）、尿激酶纤维蛋白溶酶原激活物（u PA）、尿激酶纤维蛋白溶酶原激活物受体（uPAR）和转移生长因子（TGF－β）在人大肠腺癌细胞（HT－29）中的表达，从而阻止癌细胞的扩增和转移。何珊［19］的研究表明，海洋深层海水对人体代谢综合征及其相关疾病（如高脂血症和II型糖尿病等）具有预防作用，其中镁离子和钙离子等常量元素对改善糖脂代谢和抵抗胰岛素有明显的作用，而钒、铬、锰、锌、硒等微量元素则进一步加强了该效应，使海洋深层海水的药理活性更为显著。深层海水经除钠处理后制成的浓缩矿物质液可用于补充大量运动后造成的矿物质流失，具有抗疲劳的功效［20］。此外，还有研究发现，深层海水中的矿物质或微量元素具有抗氧化、抗炎症、抗凋亡等作用，其在肥胖症［21］、高血压［22］、过敏性皮炎［23］、胃溃疡及十二指肠溃疡［24］、皮肤创伤［25］等的预防与治疗方面也具有一定的效果。

3 国内外深层海水开发利用状况

目前，世界上开发利用深层海水的国家和地区主要有美国、日本、韩国以及我国的台湾地区等。

美国是最早开发利用深层海水的国家。1970年，美国科学家Gerard和Roels最先提出利用深层海水进行水产养殖、发电、淡水生产等设想。1974年，美国成立了夏威夷自然能源研究所（Natural Energy Laboratory of Hawaii Authority，NELHA），该研究所以研发海洋温差发电技术为主，兼顾深层海水养殖和制冷技术研究。经过几十年的发展，美国在深层海水方面的研究成果涉及农业、水产、食品、工业冷却及海水空调等多个领域，并且已在世界上很多国家成功推广其深层海水产品。

日本是世界上深层海水产业化发展最为成功的国家，由最初采用深层海水进行脱盐、制取饮用水开始，后来逐渐扩大到利用深层海水高纯度特性制造饮料、食品、化妆品以及用于健康医疗和深海水产种苗的培育等，呈现多元化的特点。高知县、富山县和冲绳县是日本深层海水利用发展最为成功的几个县，其中冲绳县拥有日本目前产能最大的两条取水线，取水深度为612 m，日取水能力达13 000 t。2007年日本与深层海水相关的产品的销售额达到400多亿日元［26］。

韩国从20世纪90年代中期开始进行深层海水研究，进入21世纪后发展速度加快，2005年和2008年分别成立了国家海洋深层水研究中心和海洋深层水产业协会，由政府主导进行了深层海水利用可行性研究。此外，韩国政府还制定了深层海水相关法律和发展规划，用以支持和推动深层海水产业化发展。目前，韩国海洋研究院通过招标方式选择爱京产业、现代药品、斗山R＆D中心等8家企业参与海洋深层水试制品开发研究。到2013年，韩国深层海水市场规模达到10亿美元［27－28］。

我国台湾地区东部海底地形陡峭，具有发展深层海水产业的独特优势。台湾于2000年公布了“深层海水资源利用及产业发展政策纲领”，开始规划利用深层海水进行重要水产生物育种研究，以促进水产养殖及海洋生物技术产业发展。自2005年起开始资助深层海水利用研究，主要关注海域水质环境监测与质量信息管理、深层海水矿物质浓缩液、医疗品及化妆品原材料的获取、可再生能源和冷热源的利用等领域［29］。目前，已有台湾肥料公司、光隆生物技术公司、幸福水泥集团等多家企业布局该市场，将深层海水产业视为未来经济转型的重点，预计总投资金额将达到数十亿元新台币。

与深层海水开发应用较早的美国、日本、韩国和我国台湾地区相比，我国大陆地区直到进入21世纪，特别是2010年之后才开始真正关注深层海水资源，但目前仍鲜有人从事深层海水开发利用的专业研究。由于尚未建立深层海水的抽取设备和深层海水研究机构，许多与深层海水相关的应用开发受阻，现有的深层海水相关制品主要是部分企业通过进口国外深层海水浓缩液进行勾兑或添加，虽然开发出了海洋功能瓶装水、美容护肤品等少量产品，但并未形成商业体系，也缺乏多用途使用与扩展的空间，距离实现真正的深层海水利用产业化还有较长的路要走。

4 结语与展望

党的十八大报告中明确提出要“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”。我国作为海洋大国，在过去的数十年里海洋经济有了长足飞跃，但与世界上其他海洋强国相比，我国海洋资源总体开发能力仍然较低，特别是部分近海资源过度开发，而深远海资源开发技术和力度严重不足［30］。美国、日本等国的成功案例均已证明，深层海水具有巨大的资源价值和经济效益，但目前国内有关海水的开发利用技术及海洋化工产品的制备研发主要局限在表层海水利用方面，如海水制盐、海水淡化、工业海水冷却、海水脱硫和沿海城市海水冲厕等，对深层海水的利用研究基本处于空白阶段，相关技术及产品开发水平与发达国家差距较大。

南海作为我国四大海区中水深最深的海区，平均水深为1 212 m，不仅具有丰富的油气资源，而且也蕴藏着丰富的深层海水资源，开发潜力巨大。海南岛东南部、西沙群岛等区域都具备汲取深层海水的独特自然条件优势。开发利用深层海水既能带动相关科研领域技术进步，又能推动当地海洋经济向新兴高端技术行业发展，提升国民生活质量。为此，迫切需要开展我国深层海水资源调查与利用技术研究工作。笔者认为，今后我国深层海水的研究与开发利用工作可重点从以下方面进行：①系统开展我国深层海水可利用区域与深层海水资源分布调查；②对取水点的设置及取水工程可行性进行充分研究论证；③建立深层海水开发利用基地与产业化试点，促进产学研有机结合；④加大深层海水产品研发力度，提高深层海水制品的附加值；⑤统筹规划，在多方面、多途径开发利用深层海水资源的同时，兼顾海洋生态环境安全。

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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

全球变化与海气相互作用专项（GASI－03－02－02－05）.

邱金泉，高级工程师，硕士，研究方向为海水利用、污水处理等技术研究

张雨山，研究员，博士，研究方向为海水综合利用