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智慧環境 | 聚光科技“基于活體熒光藻分類的水華預警技術”獲生態環境保護實用技術認證！
日前，中國環境保護產業協會《2022年生態環境保護實用技術和示范工程名錄（公示稿）》出爐！聚光科技申報的“基于活體熒光藻分類的水華預警技術”、“山東商河經濟開發區化工產業園有毒有害氣體環境風險預警體系建設項目”分別榮獲環境監測類別2022年生態環境保護實用技術、示范工程獎項！
此次評選工作歷時半年，經推薦、形式審查、專家評價，共評選出年度生態環境保護實用技術50項、生態環境保護示范工程70項編制成冊。
隨著“環境保護攻堅戰”的持續推進，“水環境保衛戰”的重要性日漸凸顯。以“三水統籌”為戰略目標，“水生態”環境保護或將成為下一個生態環境保護的重要關注點。影響水生態健康的首要因素就是“水華”，外號“水體殺手”。
你知道什么是水華嗎？被稱為“水體殺手”的水華有什么危害？
水華又稱藻華，發生在海洋中則被稱為“赤潮”，是由于水體中氮磷等營養元素含量過高等因素導致藻類突然性過度增殖的一種自然現象。水華涉及到的藻類在淡水中主要有藍藻、綠藻，在海水中主要為硅藻、甲藻等。
淡水中的水華現象以滇池、太湖和巢湖等最為著名，藍藻水華發生范圍最廣、危害最大，對人類健康的危害也最為嚴重，最大危害是通過產生異味物質和藍藻毒素影響飲用水源和水產品安全，特別是藍藻的次生代謝產物——微囊藻毒素能損害肝臟，具有促癌效應，直接威脅人類的健康。除此之外，水華爆發還會干擾和破壞水體生態平衡，造成水生生物死亡、水體環境缺氧、水生生物中毒等。
藻類，承擔著水體含氧及生態平衡的重要作用，而近年來，各地卻頻繁出現藻類爆發過渡而引起“水華污染”的現象。研究表明，“水華現象”是一種二次污染，一部分未經處理工業廢水、農業污水和生活污水排入流域、海洋，加之港灣養殖業的廢水排放，導致流域、近海水質富營養化程度日趨嚴重，這也是“水華現象”爆發的最大誘因。
水體富營養化的水質污染現象并不是近年來出現的“新問題”，一項研究顯示2012年全球大型湖庫富營養化水體個數占比就達到了63%，早在07年我國第三大淡水湖太湖就爆發過一次嚴重的藍藻水華，導致水質急劇惡化、水中生物大量死亡。前不久，生態環境部發布的《2022年1-9月全國地表水環境質量狀況》數據也顯示：我國204個監測營養狀態的湖（庫）中，富營養化的占30.4%。
不難看出水華現象已然是全球性的環境問題，無論是前期監測，后期治理均存在難點，各國也一直在積極探索著水華有效防治的技術與策略。此次獲評的“基于活體熒光藻分類的水華預警技術”，正是專門應對“水體殺手”水華的最新先進技術。活體熒光藻分類？水華預警？如何分類？怎么預警？光聽這技術的名字，讓人一頭霧水卻又不明覺厲。
為了一探究竟，我們特邀聚光科技水生態特色醫學部的戴研究員給我們深入解讀這項技術的獨特之處！
?基于活體熒光藻分類的水華預警技術
“基于活體熒光藻分類的水華預警系統”由感知層、基礎支撐系統、數據庫系統、綜合應用系統、信息展示層五個層級組成。”
“用通俗的話來說，整個系統就是由硬件+網絡傳輸+軟件組成。”戴研究員介紹到，“首先水質檢測設備對被監測區域的營養鹽指標（CODmn、TP、TN、NH3N）和五參數指標（水溫、PH、電導率、溶解氧、濁度）進行實時監測，活體熒光藻分類檢測設備根據深度做出藻分類的剖面數據，采集到的數據通過外圍的信息傳輸系統將檢測數據實時上傳到平臺端，平臺根據氮磷比、各種營養物質的限值、水溫、溶解氧和藻密度數據、氣象數據進行分析和預測，給出水質達標情況、水華風險預測以及水華日歷，并且當出現水華風險的情況時，平臺能夠生成水華爆發風險事件，給出水華預防、治理建議，提前做好應對措施，減少水華帶來的影響。”
?創新與突破
“其實國內外對于水華預警監測技術的研究，已經獲得了一定的成果，但在預警的超前性、精確度、以及應對方案的研判上還存在著難以克服的技術難點。我們水生態特色醫學部研發團隊聚焦技術難關，歷時3年的研創與沉淀，終于取得了實質性進展，并在2018年已將此項技術推向市場，實現了產業化落地。”戴研究員介紹到，“此前針對水華預警監測的成熟產品大部分是國外廠商的，我們的這項技術不僅實現了國產化的掌握，并且對比國外產品，在細分度、精準度和研判分析有效性等方面都更加優秀。”
從無到有：0向1的創新
技術層面：多激發熒光光譜法實現水體藻類的分類測定
傳統的水華監測預警系統只能進行生物總量或葉綠素a總量的監測和風險預警，但是對即將爆發的水華主要藻種究竟是藍藻、綠藻還是硅藻、甲藻卻很難進行準確預測，此前，在國內市面上更是還未出現成熟的產品。區別于傳統產品所使用的的單波長檢測技術，聚光科技采用多激發熒光光譜法對光譜算法進行了創新性的優化，在傳統總量測定的基礎上，實現了對藻類的精準分類檢測，使得水華預警監測藻類成因的種類判定更加細致了。
為什么要區分形成水華的主要藻種呢？戴研究員介紹到，“雖然水華爆發均會對水體生態系統平衡造成極大的干擾和破壞，但是不同藻種之間對于生態平衡破壞以及對人體的健康威脅影響情況不一，評估風險程度和應對措施也需要進一步精細化；另外抑制不同藻類的水華形成，大原則上雖然都需要減少氮磷等營養元素的輸入，但是不同藻類之間生長喜好也存在一定差異，例如鐵、錳元素會對甲藻爆發起到催化誘導的作用，藍藻在PH較高的環境中生長較為迅速等，利用這些藻類的生長喜好，可以針對性進行預防處理，達到事半功倍的效果。”
應用層面：“動靜”結合布局更大更廣范圍的測定
這套水華監測系統設計中創新了“動靜”結合式監測應用場景，“動”由無人船搭載藻分類、五參數等秒級出數儀表組成應急監測系統進行不定點的大范圍移動巡視，“靜”則由全太陽能浮船站在固定點位通過SIA系列產品+藻分類產品進行營養鹽實時在線監測以及不同藻類分類測量。針對重點區域，可靈活擴大監測范圍，豐富測量數據，更全面掌握水質實時變化情況，使分析、研判的結果更加準確。此外，“在線（浮船站）+應急（無人船）”的應用創新組合，還實現了“平戰結合”的預警管理，在保證平時常態化監測的同時，還能在突發環境問題發生時，快速切入應急監測模式。
無論是技術層面還是應用層面，這套水華監測預警系統都已經實現了從無到有，從0走向1的創新突破之路，不但彌補了國外產品的缺陷，也填補了國內水華監測設備的空白。
由量到質：1向100的突破
實現低濃度葉綠素a的精準測定
在實際應用中，水華監測預警系統運行準確可靠最關鍵的點就在于葉綠素a測量的準確性與否。戴研究員指出，為了確保監測預警的精確度，這套系統在傳統意義測準葉綠素a的基礎上更是考慮了葉綠素a的生物性特征，加入了溫度補償算法使得葉綠素a的測量結果更加趨近于手工測量的結果，同時也更貼近實際情況。
“對于某些藻類，如硅藻，它的特征色素是類胡蘿卜素、墨角藻黃素，葉綠素a含量相對較少，其單位濃度葉綠素a對應藻類的濃度相對較高，在硅藻水華爆發時，水體中葉綠素a的濃度測定結果相對仍是比較低的狀態，在這種情況下，就需要對水體中較低濃度葉綠素a實現精準測量，才能準確分析和預測藻類的群落變化。藻類分類溫度補償技術，解決了目前市場同類產品采用單一溫度補償導致的測量精度不足的缺陷，葉綠素a濃度的精準監測，使得水華預測更加準確。”
實現了全套國標法高配
“整套系統的監測設備，包含營養鹽、風速、風向等都采用了國標法配置，確保了預警系統的整體準確度較高，預測誤差控制在30%以內。” 戴研究院補充道：“當前這項技術主要應用于河流、湖泊的水質監測，助力客戶實現水環境質量達標和水生態平衡的目標。”
?應用化與產業化
此次評選指標不僅關注對“技術”的創新突破，更是強調“成果轉化”的實用性與應用化。
戴研究員介紹說，該套水華系統作為國內先進技術，當前落地應用情況也是較為理想的，目前和國內大型院校和研究院所都在合作中，并且實現了在部分地區環保局、水利局的試點應用，當前落地建設應用中的項目已有3-5個，均取得了不錯的預警效果。“這些項目就是通過模型算法科學分析各監測點數據，總結歷史規律，提前預測3-7天藻類變化、爆發的情況，并根據模型確定水華的主要因素，為客戶提供具有針對性的本地化水華防控建議。”
?堅守與展望
今年11月五部印發《“十四五”生態環境領域科技創新專項規劃》在水污染防治與水生態修復的重點任務水生態完整性保護修復技術中提出要著力研發湖泊藻類水華控制技術，而水華的監測預警這一步既是污染防治起始點也是收尾點，水華的污染防治實現“閉環”才是當下解決水華環境問題關鍵一步。
戴研究員也表示當前水華平臺仍有很多可提升之處，整個團隊已經馬不停蹄的投入到將系統功能向前延伸與向后延展的開發之中。“實現水華預警監測技術的‘閉環及產業化’是聚光科技水生態特色醫學部專家團隊未來2-3年的奮斗目標。目前平臺已實現水華預警和主要原因分析，未來的研發規劃會聚焦于治理措施以及源頭追溯，向前一步增加''溯源''功能，向后一步增加治理層面的應用，根據主要原因和趨勢從專家庫的角度提供更經濟、更環保、更快速的可供選擇的治理途徑，明晰水華從哪來到哪去的每一個環節，打造大型一體化綜合性平臺。”
不僅如此，整個團隊始終秉承著“精益求精”的匠人精神，在測定葉綠素a的精準度上始終追求著超越與突破，努力研磨出更精細化的藻分類、更精確的葉綠素a測定技術。
今后無論是實現預報周期的延長、藻分類監測更加精細，還是誤差范圍不斷縮小都是整個團隊一寸寸進一寸寸磨結成的碩果，相信你也和聚光科技一樣，對未來水華監測預警系統的不斷完善與突破充滿著無限期待!讓我們一起靜候佳音！
