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土壤重金属污染修复的技术趋势与布局

日期:2015年11月17日 10:05:09   来源:爱上科图微信    作者:admin

一、技术趋势

根据环保部和国土资源部2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示,我国土壤总的点位超标率为16.1%,其中镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种重金属污染物点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。废气沉降、农业活动、工矿生产、固体垃圾排放以及自然背景值高是造成土壤重金属污染的主要原因。

近年来,对土壤重金属污染修复技术的研究已经逐渐转向投资少、效率高的生物修复手段,尤其是植物修复,成为该领域的研究重点。另外多种技术的组合修复、土壤重金属污染评价以及土壤重金属污染的监测预警方法等方面的研究仍是目前研究的重点和前沿。

本报告针对土壤重金属污染修复领域的基础研究和相关专利进行检索与分析,并结合相关报道对土壤重金属修复产业进行分析,揭示该领域当前的研究热点和技术特点。报告中的科技论文数据来源于美国汤森路透科技公司(Thomson Reuters Scientific)引文检索平台Web of ScienceTM核心合集数据库,并利用关键词设计检索策略,共计检出相关论文8600篇(文献类型为Article);国际专利数据来源于数据检索与分析平台DII(Derwent innovations index)数据库,通过关键词和国际专利分类号进行组合检索,共计得到相关专利3472篇。上述检索时间均为2015年7月1日,所采用的主要分析工具为TDA(Thomson Data Analyzer)、TI(Thomson Innovation)和MS Excel。

1. 土壤重金属污染修复发展态势

土壤重金属污染修复的专利申请最早出现于1974年,日本朝日化学公司发明了一种能够修复汞污染土壤的材料。随后该领域的专利技术发展较为缓慢,到80年代末才开始出现密集申请,一直到2003年始终呈缓慢增长的态势,随后该领域专利申请量略有回落,但一直处于平稳增长的阶段。

相比专利申请,土壤重金属污染修复的基础研究要相对领先,从上世纪八十年代末开始有关于土壤重金属污染修复相关研究论文的发表,虽然晚于相关专利的申请,但是一直保持快速增长的势头。并在2013年达到峰值(847篇)。

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2. 土壤重金属污染修复领域重点国家/地区分布

全球共有117个国家和地区发表了土壤重金属污染修复相关研究的论文,其中发文量最多的前12个国家/地区分别是美国、中国、西班牙、英国、意大利、法国、德国、加拿大、印度、韩国、澳大利亚和日本等,其中位列前三位的美国、中国和西班牙的发文量分布占全球总量的18%、18%和8%(图2)。

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专利技术的国家/地区来源看,日本虽然在基础研究方面表现平平,但是专利技术的申请量最多,约占全部专利的35.2%,其次是中国和美国,分别占总专利量的30.0%和11.3%。可以看到,主要的修复技术掌握在这三个国家。从专利技术市场分布来看,土壤重金属污染修复相关专利技术保护主要布局在日本、中国、美国、WO、欧专局、韩国、澳大利亚、德国、加拿大和俄罗斯等国家/地区(图3)。

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二、关键技术布局

1. 基础研究主题分析

论文关键词能够鲜明而直观地显示学术文献论述或表达的主题。通过对土壤重金属污染修复论文中关键词的清洗、聚类和筛选,得到出现频次最高的前80个关键词(见表1),可以看到该领域的研究热点主要分布在以下几个方面:

(1)植物修复,包括植物提取、植物固定、根际修复等,并且研究中采用较多的修复植物有向日葵、杨树、柳、印度芥菜、蜈蚣草、遏蓝菜、景天属、紫花苜蓿等;

(2)微生物修复,包括微生物吸附、生物降解、微生物群落、酶活性以及丛枝菌根真菌对植物修复的作用等方面的研究;

(3)物理/化学修复,包括土壤淋洗、电动修复、固化/稳定化等修复技术的研究;

(4)化学与工程技术对植物修复的强化,包括添加螯合剂、有机螯合剂(玉米)、表面活性剂、EDTA、柠檬酸等来提高土壤重金属的生物有效性,使其更易于被植物吸收等;

(5)重金属污染评价及修复效果评价,包括风险评估、生物有效性评价、生物利用度、生物浓缩系数以及指示生物(玉米、向日葵、蚯蚓等土壤动物)等;

(6)修复机理研究,包括重金属迁移规律、生物对重金属的氧化应激反应研究等;

(7)其他方面研究,包括地下水污染、生物炭应用、建模、农艺措施、联合修复等方面。

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2. 热点技术布局分析

利用TI平台的Thememap功能绘制土壤重金属污染修复的重点技术分布图(图4)。土壤重金属污染修复的专利技术热点主要集中在以下几个方面:植物修复(植物吸附、基因工程)、电动修复、化学修复(表面活性剂、土壤淋洗、固定修复、有机降解、化学萃取)、微生物修复、微生物培养、修复设备及污染检测设备、热处理等方面。

从专利申请位居前三名的国家(日中美)技术布局可以看出,三个国家的技术布局各有侧重点,图中红色点区域为中国(CN)专利主要技术领域分布,主要集中在植物修复以及微生物修复方面,其次是有机肥料和土壤改良剂方面,在修复设备方面,我国分析与监测设备相对落后,种类非常有限,多数依赖进口;黄色点区域为日本(JP)专利申请,日本专利技术覆盖面较广,主要包括土壤淋洗/清洗、电动修复、土壤固化等物理和化学修复技术,以及污染修复设备及监测设备等方面;美国(US)专利申请分布在绿色点区域,技术侧重点主要集中在化学修复和热解修复等方面。

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三、重点机构布局

从表2可以看到,论文发表量较多的机构分别是中国科学院、西班牙高等科学研究会、佛罗里达大学等。其中中国在前十位占据4个席位,分别为中国科学院、浙江大学、中山大学和南京农业大学,并且排名较为靠前;其次是美国的机构,共3家,分别是佛罗里达大学、美国农业部和美国环境保护局,其余均为欧洲国家的机构。

而在专利申请方面,申请量排名前十位的专利权人,除了中国的两家机构外(沈阳应用生态研究所和四川农业大学),其余全部是来自于日本的企业。但是可以看到,日本企业的申请多集中在90年代末和21世纪初,近三年的申请占比较低,而我国的四川农业大学近三年专利产出比达64%,说明是近年来专利申请的活跃者。

 

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