《1 工程研究前沿》

1 工程研究前沿

《1.1 Top 10 工程研究前沿发展态势》

1.1 Top 10 工程研究前沿发展态势

环境与轻纺工程领域(以下简称环境领域)所研判的 Top 10 工程研究前沿见表 1.1.1,涉及环境科学工程、气象科学工程、海洋科学工程、食品科学工程、纺织科学工程以及轻工科学工程 6 个学科方向。其中,各个前沿 2014 年至 2019 年的逐年核心论文发表情况见表 1.1.2。

(1) 环境中抗生素抗性基因的微界面行为与共选择机制

环境中抗生素耐药基因的污染直接威胁着人类的健康,但大多数环境类型,包括人类和动物,缺乏关于抗生素耐药基因的大规模定量数据,以及潜在的共选择试剂(如杀菌剂和金属)的抗性基因数据,而这种匮乏妨碍了对环境风险的有效识别。因此,需要对抗生素耐药基因开展详细研究,为降低环境风险提供支撑。其中,最重要的部分是抗生素耐药基因在环境介质微粒与其接触的环境表面的迁移、转化、归宿等行为(微界面行为),以及抗生素耐药基因与其他抗性基因的相互作用关系(共选择机制)。现有研究表明,自然背景和人为活动对环境中抗生素抗性基因分布有显著影响,重金属抗性基因在某些抗生素抗性基因的传播过程中可能起着至关重要的作用;污水处理厂是抗生素耐药基因释放到环境中的主要来源之一。目前, 环境中抗生素抗性基因的微界面行为与共选择机制还有待进一步研究,以更好地为降低环境风险的行动提供指导。

(2) 复合污染过程的微界面行为

随着煤炭、石油等能源的不断消耗,工业集聚地的持续增多以及化肥农药的广泛施用,污染物不断排放到环境中,威胁着农产品的安全和人类的健康。由于污染源多样,污染物往往也不是单一存在的,呈现出无机 – 有机污染复合、多介质污染等特性。污染物进入环境后,可经历一系列物理/ 化学/ 生物界面过程,如吸附 / 脱附、挥发、氧化 / 还原、化学沉淀 / 络合 / 降解、生物跨膜、吸附 / 转运、

《表 1.1.1》

表 1.1.1 环境与轻纺领域 Top 10 工程研究前沿

序号 工程研究前沿 核心论文数 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 环境中抗生素抗性基因的微界面行为与共选择机制 15 1478 98.53 2015.7
2 复合污染过程的微界面行为 57 3400 59.65 2015.9
3 纳米复合材料在废水处理中的催化性能及机理研究 66 3083 46.71 2017.9
4 微塑料对环境水体的污染与毒理 83 14173 170.76 2015.9
5 热岛效应与城市规划 55 3772 68.58 2015.8
6 气象与可持续发展 26 1172 45.08 2016.1
7 海洋生物固氮的新空间格局和调控机制 26 1326 51 2015.2
8 基于肠道菌群干预的精准膳食调控技术 80 12040 150.5 2015
9 染料基工业污染物降解潜力的研究 274 20097 73.35 2016.4
10 制浆造纸污染超低排放技术 2 105 52.5 2015.5

《表 1.1.2》

表 1.1.2 环境与轻纺领域 Top 10 工程研究前沿逐年核心论文发表数

序号 工程研究前沿 2014 年 2015 年 2016 年 2017 年 2018 年 2019 年
1 环境中抗生素抗性基因的微界面行为与共选择机制 3 2 8 1 1 0
2 复合污染过程的微界面行为 16 10 10 10 8 3
3 纳米复合材料在废水处理中的催化性能及机理研究 0 2 8 11 18 27
4 微塑料对环境水体的污染与毒理 15 19 19 18 11 1
5 热岛效应与城市规划 12 9 15 14 5 0
6 气象与可持续发展 6 4 7 2 5 2
7 海洋生物固氮的新空间格局和调控机制 13 5 2 4 1 1
8 基于肠道菌群干预的精准膳食调控技术 20 14 13 8 6 2
9 染料基工业污染物降解潜力的研究 0 71 88 63 38 14
10 制浆造纸污染超低排放技术 0 1 1 0 0 0

生物转化 / 降解等。由于真实环境介质具有高度异质性,污染物常发生多界面、多过程的耦合作用, 单一线性模型难以准确预测污染物的形态分布、迁移转化和生物 / 生态效应,亟须研究复合污染过程的微界面行为,揭示多介质、多过程耦合的界面行为机制,厘清环境中污染物的迁移转化过程及生物效应。近年来,国内外关于复合污染过程的微界面行为研究逐渐从土 – 水 – 气界面深入到植物及微生物界面,污染物在土 – 水 – 气 – 生物 / 微生物等微界面上的迁移转化及生物有效性研究进展迅速, 但仍缺乏基础、系统、全面的过程调控。污染物在生物界面上的迁移转化和降解修复仍是未来研究的重点。

(3) 纳米复合材料在废水处理中的催化性能及机理研究

随着社会经济的发展,水污染情况愈发严重。基于环境和健康考虑,当务之急是发展高效的废水处理技术。纳米材料的高比表面积可以暴露更多的活性位点,提供更多的反应位点,在力学、热学、光学、电学等方面均表现出优异的性能。纳米复合材料将多种纳米材料的优点结合在一起,通过对原材料、各组分分布以及工艺条件等方面的设计,实现各组分优势互补,最大限度发挥优势,利用协同作用提高其催化性能。对于纳米复合材料催化机理的研究目前主要集中在三个方面:一是如何制备出具有强氧化性自由基的复合材料,增强其氧化还原活性;二是加强复合材料微结构与性能方面的研究;三是多种纳米材料之间的界面作用机理研究。纳米复合材料在环境修复和太阳能存储方面应用广泛,如光催化处理持久性有机污染物、重金属离子氧化还原、病原体氧化分解、水裂解制H2 和 CO2 还原等。随着科学技术的进一步发展, 纳米复合材料还将被用于太阳能电池和生物传感器等新兴领域。因此,未来需要所有研究者共同努力,开发出更合适的纳米复合材料,并大规模应用于环境保护和清洁能源的生产中,最终实现真正的可持续发展。

(4) 微塑料对环境水体的污染与毒理

微塑料是一类粒径小于 5 mm 的塑料颗粒的总称,是一种新型有机污染物,来源于各种塑料制品, 易于在环境中迁移。微塑料具有较强的毒害作用, 还可以吸附其他污染物。微塑料存在于水体环境中时,容易吸附其他污染物并产生较强的复合毒性。由于微塑料粒径小,易被浮游动物误食或沿着食物链传递,在生物体内累积转移,对机体产生不可逆转的毒害作用。微塑料已成为一类新型污染物遍布全球各个角落,由此产生的环境问题日趋严峻。随着塑料生产工业的迅猛发展,塑料性能不断改善, 全球的塑料产量、用量和应用领域也不断扩大。限于塑料的特殊理化性质,其不仅能向水环境释放有毒的添加剂,吸附疏水性有机物,增加水体毒性, 还能通过生物捕食在食物链中进行传递。富集在微塑料表面的污染物也能够在食物链中进行传递,在食物链不同营养级间不断富集和放大,最终对人体健康产生危害。因此,对微塑料对环境水体的污染与毒理的研究有其必要性,对微塑料的治理刻不容缓。

(5) 热岛效应与城市规划

热岛效应指受城市下垫面(大气底部与地表的接触面)特性影响,改变了下垫面的热力属性,在气温上表现为城区气温高、郊区气温低的现象。在气象学近地面大气等温线图上,城市郊外的广阔地区气温变化很小,如同一个平静的海面;而城区则是一个明显的高温区,如同突出海面的岛屿,所以被形象地称为城市热岛。城市热岛的形成,与城市化发展密不可分。人类改变城市地表而引起的小气候变化这一综合现象,在冬季最为明显,夜间也比白天明显,是城市气候最明显的特征之一。城区大量的建筑物和道路构成了以砖石、水泥和沥青等材料为主的下垫层,这些材料的热容量、导热率比郊区自然界的下垫层要大得多,且对太阳光的反射率低、吸收率大,因此在白天,城市下垫层的表面温度远远高于郊区。热岛效应使城市年平均气温比郊区高 1 ℃,甚至更多;夏季的城区局部气温甚至比郊区高 6 ℃以上。此外,城市密集高大的建筑物阻碍了气流的通行,使城市市区的风速减小,在一定程度上加剧了空气污染。

该研究前沿聚焦城市规划中城市热岛效应的影响。城市热岛强度随城市的发展不断加强,热岛效应对城市规划设计的影响重大。在城市发展的同时, 既要考虑城市人口和建筑物密度,又要考虑气象因素。如为调节市区气候增加环市水系,在大气循环过程中,环市水系可起到二次降温的作用,达到减缓城市热岛效应的目的。因此,就我国而言,在扩建新市区或改建旧城区时,应适当拓宽南北走向的街道,以加强城市通风,减小城市热岛强度。综上所述,正确利用已有技术,控制城市过快发展, 合理规划城市,在规划中充分考虑和利用气象因素非常重要。

(6) 气象与可持续发展

可持续发展是既能满足当代需求而又不危及后代需求能力的发展,核心是世世代代的经济繁荣、社会公平和生态安全。气象在实现全面、协调、可持续发展中具有独特的地位。在合理开发利用气象资源及其他自然资源、保护生态环境中更是起着不可替代的作用。

“气象资源”的理念就是要合理开发气象资源, 加强气象领域的研究,确定气象要素的最佳值和极限值(或者承载力),如合理开发和利用风能、太阳能以及空中水资源等气象资源,强化风能、太阳能和空中水资源等气象资源的评价和承载力研究分析工作,开发研制相关的关键和适用技术等。目前, 常规能源面临枯竭,且资源在使用过程中引发的环境污染和生态恶化问题对人类社会的生存环境已产生严重影响,这就促使各国在制定发展规划时必须认真考虑能源的可持续发展问题。中国在气象与可持续发展方面已经开展了多方面的工作,也非常重视可再生能源技术的研究和开发利用,并将这些领域的科学技术研究列为科技发展的优先领域,强调在可续发展中需重视气候资源的优化调整,如研究对气候资源分布、数量和质量朝着有利于人类开发利用方向转化的技术方法等。

(7) 海洋生物固氮的新空间格局和调控机制

海洋生物固氮指海洋微生物将 N2 还原成能被生物利用氨的过程。海洋生物固氮能够提供“新” 氮源,驱动海洋碳的同化和封存,对维持海洋初级生产力和海洋碳氮收支平衡至关重要。

目前该研究前沿主要的研究方向包括:研究全球开阔大洋、近岸海域水体生态系统中固氮生物的种群和固氮活性的时空分布格局及调控机制;探讨全球环境变化(海洋暖化、酸化等)以及人类活动影响(大气氮沉降、地表径流等)的背景下,海洋生物固氮的变化趋势及其对海洋生产力的贡献和对碳氮收支平衡的影响,进而全方位地认识海洋生物固氮对未来环境变化的响应以及在海洋生物地球化学中的作用。该领域的前沿方向包括:加强对近海典型生态系统,如红树林、海草床、珊瑚礁、海藻场等固氮生物的氮贡献、地理分布格局及对海岸带、海域海洋初级生产力驱动与持续性贡献的研究,完善海洋生物固氮的时空格局。此外,在深海生态系统中,尤其是冷泉、热液生态系统中,化能合成作用与深海生物固氮的耦合研究,将是海洋生物固氮的研究热点。组学技术、同位素示踪和机器学习等技术手段将发挥重要作用,同时固氮微生物生态菌剂的研发和在海洋生态工程中的应用是未来的研究趋势。

(8) 基于肠道菌群干预的精准膳食调控技术

肠道菌群是肠道系统中栖息的微生物总称,它与人体的健康和疾病密切相关。健康的肠道菌群不仅可以保护人体免受病原菌的侵袭,还可以参与人体多项生理过程,如生物活性代谢、免疫调节、糖脂代谢等。膳食中的脂肪、蛋白质和碳水化合物等作为主要营养素,在为人类机体提供能量的同时, 也对肠道菌群的组成产生重要影响。不合理的膳食结构会导致肠道菌群失衡,肠道菌群失衡与肥胖、抑郁症、糖尿病及相关代谢疾病的发生发展存在显著关联。同时,个体基因、生活习惯和生活环境等差异导致人体的肠道菌群也不尽相同。因此,基于肠道菌群干预的精准膳食调控技术,加强对改善人体健康状况的研究具有重要意义。基于肠道菌群干预的精准膳食调控旨在结合膳食指南,根据不同个体对营养需求以及自身肠道菌群的差异,提供科学的个性化膳食建议,以期实现对疾病的预防和控制。

(9) 染料基工业污染物降解潜力的研究

染料基工业污染物的大肆排放导致资源过度浪费,造成严重的水体污染和环境恶化,威胁人类的生存环境和身体健康。因此,发展染料基工业污染物高效低成本降解与回用技术具有显著的现实意义和应用价值。纺织品印染产生的废水含有以染料等为主的多种有害物质,此类废水排放后,染料能吸收光线降低水体透明度,影响水生生物和微生物生长,不利于水体自净。酞青铜盐类和部分偶氮类等染料具有严重毒性,可直接或通过水体生物食物链间接危害人类身体健康。因此,染料基工业污染是一项亟须解决的全球性问题。染料基工业污染物主要以水的混合物形式存在,由于染料和水体污染物种类多样,目前主要运用的物理吸附法、化学氧化法和好氧生物处理法等降解方法普遍存在处理效率低、降解成本高、废水回收利用难等突出问题。当下世界各国都将染料基工业污染物降解与回用技术作为研究重点,该领域的研究方向集中在纤维基高效低成本染料污染物降解膜的设计与制备、新型高效降解染料基污染物材料的合成与微生物的筛选、物理 – 化学 – 生物联用降解体系的构建与工程化等方面。

(10) 制浆造纸污染超低排放技术

制浆造纸过程中会产生大量废水,这对生态环境保护带来严峻挑战。近年来,由于水资源紧缺, 环境压力加剧,国家和地方相关标准相继出台,对制浆造纸行业提出了更高的环保要求。因此,制浆造纸污染超低排放技术成为制浆造纸行业实现清洁化、绿色化生产的重要研究方向。

传统处理技术难以对造纸废水实现达标排放处理,而制浆造纸污染超低排放则可通过深度处理技术来实现造纸过程中污染物的超低排放。目前,多种技术已应用于制浆造纸污染的超低排放,包括膜分离与膜生物反应器技术、活性炭吸附技术、高级氧化技术、砂滤技术、磁整理及磁化 – 仿酶催化缩合技术、氧化塘和人工湿地技术等。然而,现有的超低排放技术仍然面临生产成本高、维护难度大、传质效率低、再生困难、运行不稳定等挑战。未来, 该研究前沿的发展趋势是重点研究高效、低成本, 且运行更为稳定的深度处理技术,实现清洁化、绿色化的制浆造纸先进生产。

《1.2 Top 3 工程研究前沿重点解读》

1.2 Top 3 工程研究前沿重点解读

1.2.1 复合污染过程的微界面行为

环境中的污染物种类繁多,具有区域性、复合性特征,不同污染物在介质间发生交互作用,并影响各自的迁移转化和生物有效性。由于复合污染不是污染效应的简单叠加与放大,无法对其环境风险进行准确预测和开展过程调控与污染阻控,导致当前复合污染修复难度大、成本高、效果差,威胁农产品安全和人体健康。当前针对污染物微界面行为的研究大多集中在复合毒性效应,特别是重金属之间的协同或拮抗作用,复合污染在土 – 水 – 气 – 生物 / 微生物微界面上的行为及迁移转化机制尚不明确,亟须探明复合污染的微界面行为,为生物有效性调控及污染阻控修复提供理论支撑。

近几年来,国内外学者对复合污染的微界面行为进行了深入研究,针对复合污染在水 – 土 – 气 – 生物 / 微生物微界面上的污染物特征、迁移转化、原位表征技术、生物有效性等开展了一系列创新工作。“复合污染过程的微界面行为”工程研究前沿核心论文方面(见表 1.2.1),共有 57 篇论文,其中来自中国的核心论文有 21 篇,占比 36.8%,排名第 1 位;其次为美国和韩国,核心论文分别为18 篇和 5 篇。该研究前沿中,67% 的论文以有机污染物为对象,重金属与重金属 – 有机污染物复合污染的研究相对较少;大部分关注污染物在纳米材料 – 水界面上的催化转化,其次为矿物材料上的复合微界面行为,涉及的介质相对较少,仅 1 篇关注生态系统中植物 / 生物微界面上行为及转化。

从篇均被引频次上看(见表 1.2.1),篇均被引频次区间为 55.00~136.75,中国核心论文的篇均被引频次为 56.76,针对复合污染的微界面行为的研究原创性及创新性仍有待加强,在该领域的影响力尚需提升。从论文相关度来看(见图 1.2.1), 各国已开展较为全面广泛的协作,其中中国与美国的关联度最强;从论文内容上看,来自美国、日本等发达国家的核心论文主要集中于污染物的降解催化、膜处理、复合污染物之间的相互作用、胶体在污染物迁移转化中的作用等;来自中国的核心论文集中于纳米材料促进污染物迁移转化的机制、微界面行为的原位表征技术等。中国在复合污染过程微界面行为领域内的基础研究较少,方向较单一,尚处于探索与发展阶段。

从 Top 10 的核心论文产出机构来看( 见表 1.2.2),来自中国的机构最多(6 个)。其中, 中国科学院与华北电力大学、武汉理工大学的核心论文数量最多,为 3 篇。中国科学院主要研究污染物在微界面上的迁移与表征,华北电力大学与武汉理工大学主要研究纳米材料对污染物迁移、转化、降解的影响。从论文篇均被引频次上看,香港理工大学最高,为 87.00,两篇核心论文分别关注石墨烯材料对污染物的去除以及污染物在纳米复合材料存在条件下的去除机制;其次为阿卜杜勒阿齐兹国王大学与西班牙国家研究委员会,篇被引频次分别为 85.50、73.00。该研究前沿中施引核心论文的主要国家方面(见表 1.2.3),中国排在第 1 位,其次为美国和印度;施引核心论文 Top 10 主要产出机构中,来自中国的机构有 9 个,其中中国科学院、中国科学院大学和同济大学名列前茅。

该研究前沿主要产出高校 / 研究所之间存在较强的合作关系,中国科学院与其他单位的协作关系更为全面,其次为香港理工大学,但中国高校、研究所的国际合作交流尚有欠缺,应针对复合污染过程的微界面行为,进行更为深入的基础研究,为发展相应污染阻控技术提供理论支撑(见图 1.2.2)。

《表 1.2.1》

表 1.2.1 “复合污染过程的微界面行为”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家

序号 国家 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 中国 21 36.84% 1192 56.76 2016.3
2 美国 18 31.58% 1076 59.78 2015.8
3 韩国 5 8.77% 377 75.4 2017.8
4 沙特阿拉伯 5 8.77% 349 69.8 2016
5 印度 4 7.02% 547 136.75 2015.8
6 德国 4 7.02% 301 75.25 2015.5
7 英国 4 7.02% 258 64.5 2017.2
8 西班牙 4 7.02% 230 57.5 2015.2
9 加拿大 3 5.26% 211 70.33 2016.7
10 法国 3 5.26% 165 55 2016.3

《表 1.2.2》

表 1.2.2 “复合污染过程的微界面行为”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构

序号 机构 国家 公开量 公开量比例 被引频次 被引频次比例 平均被引频次
1 中国科学院 中国 3 5.26% 215 71.67 2015.3
2 华北电力大学 中国 3 5.26% 211 70.33 2016.7
3 武汉理工大学 中国 3 5.26% 148 49.33 2017.3
4 香港理工大学 中国 2 3.51% 174 87 2018
5 阿卜杜勒阿齐兹国王大学 沙特阿拉伯 2 3.51% 171 85.5 2015.5
6 西班牙国家研究委员会 西班牙 2 3.51% 146 73 2014.5
7 上海交通大学 中国 2 3.51% 143 71.5 2017
8 西安交通大学 中国 2 3.51% 142 71 2015.5
9 阿卜杜拉国王科技大学 沙特阿拉伯 2 3.51% 137 68.5 2016
10 科罗拉多矿业大学 美国 2 3.51% 108 54 2016.5

《图 1.2.1》

图 1.2.1 “复合污染过程的微界面行为”工程研究前沿主要国家间的合作网络

《图 1.2.2》

图 1.2.2 “复合污染过程的微界面行为”工程研究前沿的主要机构间合作网络

《表 1.2.3》

表 1.2.3 “复合污染过程的微界面行为”工程研究前沿中施引核心论文主要产出国家

序号 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 中国 177 51.01% 2019.7
2 美国 39 11.24% 2019.7
3 印度 28 8.07% 2019.4
4 韩国 16 4.61% 2019.8
5 澳大利亚 14 4.03% 2019.4
6 英国 14 4.03% 2019.8
7 法国 13 3.75% 2019.5
8 意大利 12 3.46% 2019.8
9 日本 12 3.46% 2019.5
10 德国 11 3.17% 2019.5

《表 1.2.4》

表 1.2.4 “复合污染过程的微界面行为”工程研究前沿中施引核心论文主要产出机构

序号 机构 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 中国科学院 中国 21 23.08% 2019.3
2 中国科学院大学 中国 12 13.19% 2019
3 同济大学 中国 9 9.89% 2019.7
4 华南理工大学 中国 8 8.79% 2020
5 南开大学 中国 7 7.69% 2019.6
6 马来西亚理工大学 马来西亚 6 6.59% 2020
7 浙江大学 中国 6 6.59% 2020
8 江苏大学 中国 6 6.59% 2020
9 香港理工大学 中国 6 6.59% 2019
10 哈尔滨工业大学 中国 5 5.49% 2020

1.2.2 海洋生物固氮的新空间格局和调控机制

氮素是生命的关键要素,特别是在营养贫乏的大洋环境。通常以 Redfield Ratio(f 比)6.6 作为碳氮比(C/N)标准,作为判别海洋生产力的限制性营养元素的依据。然而,对大西洋和东太平洋真光层的相关研究表明,仅从 NO– 的消耗外推,会严重低估海洋有机碳输出;实际上,另有 34%~77% 的新生产力应归因于海洋生物固氮。从此,拓展了海洋生物固氮的新空间格局,提高了海洋初级生产力的估算,解决了困扰科学家多年的碳氮收支平衡中“漏失的汇”问题。

海洋生物固氮能够提供“新”氮源,驱动海洋碳的同化和封存。迄今为止,海洋生物固氮量约为 140 Tg N/yr。然而关于生物固氮作用的时空特性、种类识别、遗传能力、适应性及其生长所需营养物质的获取等调控机制尚未明确。之前普遍认识的海洋优势固氮类群只有束毛藻和胞内植生藻。随着从基因和基因组水平到整个生态系统水平研究的加深,新发现了更多的固氮物种,如海洋中广泛分布的海洋微型浮游生物(UCYN-A、UCYN-B 和UCYN-C),因此,固氮生物远比之前所预期的要广得多。目前研究表明生物固氮主要受温度、磷、铁等环境因素控制,同时也受全球气候环境变化和人类活动的影响,如在厄尔尼诺与南方涛动事件年份发现的不同于常年的全球海洋生物固氮空间格局。

近年来,通过建立生物地球化学 – 生态学模型, 综合研究了海洋固氮作用及其控制因素。然而,近年海域现场观测结果却显著不同于模型的推测,关于大洋固氮作用的空间格局仍存在显著争议。因此, 需要联合现场观测、实验室分析(基因组学、转录组学和同位素等)、卫星遥感监测等方法开展更加全面的研究,并结合全球及区域环境变化,构建生物地球化学模型,更深层次地研究海洋生物固氮空间分布规律和调控机制。同时,在海洋陆架和沿岸典型湿地生态系统中,生物固氮活性研究的时空拓展和新的固氮物种、联合固氮方式的不断发现,均大大扩展了海洋生物固氮新空间格局的认知,为海洋生物多样性、海洋初级生产力评估和碳氮循环提供了新的研究方向,推动了其在海洋生态工程、海洋水产养殖和地球工程等领域的应用。此外,深海冷泉和热液生态系统中化能生物固氮的耦合研究, 也为海洋生物固氮的新时空格局认知开启了新的研究视角。

“海洋生物固氮的新空间格局和调控机制”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家方面(见表 1.2.5),美国的核心论文数和被引频次均位于第 1 位,研究优势明显。在主要产出国家合作网络方面(见图 1.2.3),Top 10 国家间的合作密切。在主要产出机构方面(见表 1.2.6),核心论文数Top 10 的机构主要集中在美国。在主要机构间的合作网络中(见图1.2.4),各个机构之间均有密切合作。在施引核心论文的国家排名中(见表 1.2.7),中国位于第 3 位,中国科学院和厦门大学在施引核心论文的机构排名(见表 1.2.8)中分别位于第 3位和第 9 位。总之,该工程研究前沿各国家以及各机构间存在广泛的合作关系。我国在该领域仍需加快发展,进一步推进与其他国家和机构间的交流合作。

1.2.3 基于肠道菌群干预的精准膳食调控技术

人体肠道中栖息着数万亿计的微生物群落,这些微生物群落既是人体重要的消化吸收场所,又是重要的免疫器官。肠道菌群与人体处于共生关系, 肠道菌群及其代谢产物直接影响宿主健康,肠道菌群在肠道疾病、肥胖症、糖尿病、免疫系统疾病等致病机制中发挥潜在作用。肠道菌群的组成和功能是由人类遗传背景和外部因素共同决定的,而膳食是最关键的外部因素之一。膳食主要通过营养元素的种类、数量及平衡状态影响肠道菌群的组成及其代谢产物,控制机体微生态的稳定性,从而影响人体健康。肠道微生物群的个体差异很大,每个个体

《表 1.2.5》

表 1.2.5 “海洋生物固氮的新空间格局和调控机制”工程研究前沿中核心论文主要产出国家

序号 国家 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 美国 17 65.38% 946 55.65 2015.3
2 德国 6 23.08% 269 44.83 2016
3 荷兰 4 15.38% 249 62.25 2016.5
4 英国 4 15.38% 220 55 2016.5
5 日本 4 15.38% 180 45 2015
6 南非 2 7.69% 166 83 2016
7 瑞士 2 7.69% 145 72.5 2014
8 加拿大 2 7.69% 109 54.5 2017
9 意大利 2 7.69% 109 54.5 2017
10 印度 2 7.69% 99 49.5 2015.5

《表 1.2.6》

表 1.2.6 “海洋生物固氮的新空间格局和调控机制”工程研究前沿中核心论文主要产出机构

序号 机构 国家 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 加州大学圣克鲁兹分校 美国 4 15.38% 188 47 2014.8
2 东京大学 日本 4 15.38% 180 45 2015
3 南加州大学 美国 3 11.54% 154 51.33 2015
4 加州大学欧文分校 美国 3 11.54% 132 44 2017
5 华盛顿大学 美国 2 7.69% 157 78.5 2014.5
6 伍兹霍尔海洋研究所 美国 2 7.69% 119 59.5 2014.5
7 夏威夷大学马诺阿分校 美国 2 7.69% 118 59 2017.5
8 利物浦大学 英国 2 7.69% 111 55.5 2017
9 乌得勒支大学 荷兰 2 7.69% 109 54.5 2017
10 加州大学洛杉矶分校 美国 2 7.69% 99 49.5 2015.5

《图 1.2.3》

图 1.2.3 “海洋生物固氮的新空间格局和调控机制”工程研究前沿主要国家间的合作网络

《图 1.2.4》

图 1.2.4 “海洋生物固氮的新空间格局和调控机制”工程研究前沿主要机构间的合作网络

《表 1.2.7》

表 1.2.7 “海洋生物固氮的新空间格局和调控机制”工程研究前沿中施引核心论文主要产出国家

序号 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 美国 473 32.51% 2017.8
2 德国 174 11.96% 2017.6
3 中国 148 10.17% 2018.1
4 英国 147 10.10% 2017.8
5 法国 129 8.87% 2017.8
6 澳大利亚 109 7.49% 2018.1
7 加拿大 72 4.95% 2018.1
8 日本 71 4.88% 2018
9 西班牙 47 3.23% 2017.8
10 印度 45 3.09% 2018

《表 1.2.8》

表 1.2.8 “海洋生物固氮的新空间格局和调控机制”工程研究前沿中施引核心论文主要产出机构

序号 机构 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 加州大学圣克鲁兹分校 美国 50 12.92% 2017
2 华盛顿大学 美国 46 11.89% 2017.7
3 中国科学院 中国 41 10.59% 2017.6
4 南加州大学 美国 35 9.04% 2017.7
5 不来梅大学 德国 32 8.27% 2017.9
6 伍兹霍尔海洋研究所 美国 32 8.27% 2017.3
7 马普学会海洋微生物研究所 德国 31 8.01% 2017.7
8 普林斯顿大学 美国 31 8.01% 2017.9
9 厦门大学 中国 30 7.75% 2018.1
10 土伦瓦尔大学 法国 30 7.75% 2017.6

的最适饮食需根据其肠道菌群来制定。目前,主要通过鉴定人体不同时期肠道菌群的差异情况及不同地域人群肠道菌群的普适性,阐明肠道菌群特定干预策略的生物学影响。同时,通过深入研究食物对肠道微生物群的影响及其互作的特定微生物群,研究人类的肠道菌群与膳食模式、结构以及疾病发生发展的深层次关联。

随着社会经济的发展,人类已经进入一个可以通过饮食调节肠道菌群及其代谢谱而实现健康的时代。构建食物中不同成分与肠道菌群的互作网络图, 实现精准营养目标的关键基础性工作,揭示微生物群“结构 – 功能”的关系,促进“肠道菌群指导食物”(microbiota-directed foods)的研发。未来, 利用肠道菌群与膳食的互作关系,发展安全、可靠、营养、健康有益且经济实惠的精准膳食调控技术, 具有广阔的应用前景。

“基于肠道菌群干预的精准膳食调控技术” 工程研究前沿中核心论文的主要产出国家方面(见表 1.2.9),在核心论文数和被引频次上, 美国居于第 1 位。在主要产出国家合作网络中(见图 1.2.5),多个国家间的合作频繁。在核心论文的主要产出机构方面(见表 1.2.10), 荷

《表 1.2.9》

表 1.2.9 “基于肠道菌群干预的精准膳食调控技术”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家

序号 国家 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 美国 25 31.25% 4180 167.2 2015.4
2 英国 18 22.50% 3328 184.89 2014.7
3 意大利 15 18.75% 2123 141.53 2015.4
4 荷兰 13 16.25% 2334 179.54 2014.2
5 比利时 9 11.25% 1477 164.11 2014.8
6 法国 8 10.00% 1877 234.62 2014.8
7 瑞典 6 7.50% 1669 278.17 2015
8 丹麦 6 7.50% 1317 219.5 2014.5
9 德国 6 7.50% 1013 168.83 2015.5
10 中国 6 7.50% 747 124.5 2016

《图 1.2.5》

图 1.2.5 “基于肠道菌群干预的精准膳食调控技术”工程研究前沿主要国家间的合作网络

兰瓦格宁根大学的核心论文数和论文比例排在第 1 位。从主要机构间合作网络(见图 1.2.6)可以看出,华盛顿大学倾向独立研发,而其他机构则存在相对密切的合作关系。在施引核心论文主要产出国家方面(见表 1.2.11),中国的施引核心论文数和施引核心论文比例位居第 2 位。在施引核心论文的主要产出机构方面(见表 1.2.12)。哈佛大学的施引核心论文数和施引核心论文比例明显高于其他机构,位居第 1 位。中国科学院在施引核心论文的机构排名中位于第 3 位。

《2 工程开发前沿》

2 工程开发前沿

《2.1 Top 10 工程开发前沿发展态势》

2.1 Top 10 工程开发前沿发展态势

环境领域组所研判的 Top 10 工程开发前沿(见表2.1.1),涉及环境科学工程、气象科学工程、海洋科学工程、食品科学工程、纺织科学工程以及轻工科学工程6 个学科方向。其中,各工程开发前沿 2014 年至2019 年的逐年核心专利公开量情况如表2.1.2 所示。

(1) 土 – 水污染协同修复技术

土壤和地下水之间存在密切的物质交换,土壤

《表 1.2.10》

表 1.2.10 “基于肠道菌群干预的精准膳食调控技术”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构

序号 机构 国家 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 瓦格宁根大学 荷兰 8 10.00% 1193 149.12 2014
2 法国国家农业科学研究院 法国 7 8.75% 1781 254.43 2014.6
3 哥本哈根大学 丹麦 6 7.50% 1317 219.5 2014.5
4 天主教鲁汶大学 比利时 6 7.50% 1189 198.17 2014.8
5 博洛尼亚大学 意大利 6 7.50% 860 143.33 2014.7
6 哥德堡大学 瑞典 4 5.00% 1528 382 2015
7 华盛顿大学 美国 4 5.00% 713 178.25 2015.5
8 雷丁大学 英国 4 5.00% 661 165.25 2013.8
9 赫尔辛基大学 芬兰 4 5.00% 555 138.75 2014.2
10 阿伯丁大学 英国 3 3.75% 759 253 2013.7

《图 1.2.6》

图 1.2.6 “基于肠道菌群干预的精准膳食调控技术”工程研究前沿主要机构间的合作网络

《表 1.2.11》

表 1.2.11 “基于肠道菌群干预的精准膳食调控技术”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家

序号 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 美国 2566 28.14% 2017.8
2 中国 1710 18.75% 2018.4
3 英国 762 8.36% 2017.6
4 意大利 752 8.25% 2017.7
5 西班牙 575 6.31% 2017.8
6 德国 549 6.02% 2017.8
7 法国 514 5.64% 2017.5
8 加拿大 487 5.34% 2017.5
9 荷兰 471 5.17% 2017.5
10 澳大利亚 422 4.63% 2017.9

《表 1.2.12》

表 1.2.12 “基于肠道菌群干预的精准膳食调控技术”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构

序号 机构 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 哈佛大学 美国 227 16.31% 2017.8
2 哥本哈根大学 丹麦 175 12.57% 2017.8
3 中国科学院 中国 149 10.70% 2018.3
4 科克大学 爱尔兰 127 9.12% 2018
5 伦敦国王学院 英国 116 8.33% 2017.4
6 瓦格宁根大学 荷兰 106 7.61% 2016.9
7 博洛尼亚大学 意大利 104 7.47% 2017.5
8 哥德堡大学 瑞典 100 7.18% 2017.2
9 上海交通大学 中国 100 7.18% 2017.9
10 伊利诺伊大学 美国 95 6.82% 2017.9

《表 2.1.1》

表 2.1.1 环境领域 Top 10 工程开发前沿

序号 工程开发前沿 公开量 引用量 平均被引数 平均公开年
1 水污染协同修复技术 357 635 1.78 2017.1
2 用于废水处理的微生物制剂 711 845 1.19 2017.2
3 多介质污染协同治理 1000 3293 3.29 2016.5
4 空气传播病原体探测器系统和方法 1000 29308 29.31 2013.6
5 自然灾害预防预警和恢复决策工程 1000 13830 13.83 2016
6 纳米复合海洋防污涂料 214 384 1.79 2017.2
7 离岸式波浪发电技术 250 648 2.59 2016.4
8 食品智能制造技术 624 4506 7.22 2016
9 碳基纤维材料电子器件 1000 12138 12.14 2015.8
10 制浆造纸污染超低排放技术 1000 3263 3.26 2017.2

《表 2.1.2》

表 2.1.2 环境领域 Top 10 工程开发前沿的逐年核心专利公开量

序号 工程开发前沿 2014 年 2015 年 2016 年 2017 年 2018 年 2019 年
1 水污染协同修复技术 23 29 34 124 63 76
2 用于废水处理的微生物制剂 45 55 89 123 158 215
3 多介质污染协同治理 79 93 127 185 190 231
4 空气传播病原体探测器系统和方法 93 97 97 93 86 103
5 自然灾害预防预警和恢复决策工程 102 96 150 171 173 162
6 纳米复合海洋防污涂料 3 9 30 56 76 34
7 离岸式波浪发电技术 41 26 21 36 39 63
8 食品智能制造技术 42 68 60 108 138 109
9 碳基纤维材料电子器件 75 80 73 176 104 266
10 制浆造纸污染超低排放技术 14 42 146 250 254 247

与地下水污染协同防治是推进新时代生态文明建设的必然要求。石油、化工、冶炼等重点行业聚集区场地容易发生土壤 – 地下水 – 地表水多重污染, 土 – 水污染协同修复技术是保障土壤与地下水安全重要的开发方向。在该开发前沿的主要专利中, 原位修复技术占 67.3%,异位修复技术占 32.7%。开发的原位协同修复的技术方向主要包括:修复药剂的注入与混合装置、植物吸收 / 植物 – 蚯蚓 / 植物 – 微生物联合修复工艺、电动力 – 可渗透反应墙联合修复技术、活性炭 / 生物炭吸附、生物通风等。药剂注入与混合装置是原位协同修复技术方向最主要的开发热点,涉及高压喷注、振动、抛撒等技术。开发的异位协同修复技术通常为多种技术组合,主要包括:土壤开挖 / 输送 / 分选 / 粉碎 / 混料 / 搅拌装置、土壤淋洗 / 过滤与淋洗水处理、热脱附与吸附 / 冷凝处理、化学氧化与高级氧化、生物滤池等。原位和异位协同修复处理针对的主要污染物包括石油烃、卤代烃、重金属等。在该开发前沿中,中国申请的专利占 99% 以上,这表明近年来我国对土 – 水污染协同修复技术开发的重视。其中,大多数专利是针对土、水的修复技术,相对独立,以组合型装置或系统为主,仍缺乏土 – 水高度协同修复的实用技术。未来,基于不同污染物的土 – 水分配与迁移转化特性的高效协同修复技术是重要的开发方向。

(2) 用于废水处理的微生物制剂

微生物制剂指利用自然界中已经存在或经人工培育、具有特定代谢功能的微生物,通过菌群构建等方法,以强化废水处理系统为目标,得到的微生物菌液制剂或干粉制剂。针对人类活动产生的大量新兴及难降解污染物,传统的生化法很难将其有效去除。通过向废水处理体系中投加特定的微生物制剂,可实现目标污染物的快速降解,具有操作方便、经济高效、应用范围广、无二次污染等明显优势, 并且与现有水处理设施兼容性良好。目前,单组分微生物制剂的研究已颇具成效,并在生活污水、富营养化水体、养殖废水、垃圾渗滤液和工业废水等处理过程中得到应用。与常规单组分微生物制剂相比,复合型微生物制剂由多种功能菌群组成,具有更好的处理效果和更高的应用潜力。然而,由于各微生物间代谢产物的相互作用,复合微生物制剂的稳定性面临较大挑战。因此,探究各微生物种群间相互作用机理,筛选最优的菌种组合、增强群落稳定性,是拓展其在废水处理中应用发展的必由之路。当前,微生物制剂产业仍存在产品标准化程度低、实际应用效果不稳定、理论研究不够深入等问题。

今后应根据污水处理领域的实际需求,进一步开发特异高效、价格低廉的复合微生物菌剂,同时注重产品的系列化、标准化,提高微生物制剂的适用性与经济性。

(3) 多介质污染协同治理

不同介质环境污染的复合效应及协同控制是当前环境领域的前沿科学技术问题。区域环境质量问题与气 – 水 – 土 3 个介质不可分割,区域环境质量改善的核心是多介质复合污染的协同控制。区域复合污染的源排放、环境浓度及效应之间存在非常复杂的非线性关系。多介质复合污染物的暴露水平普遍较高,具有复杂的健康效应机制和暴露 – 效应关系。大气中的氮磷沉降会加重水体的富营养化程度, 燃煤过程中产生的汞沉降会对整个生态系统带来健康风险。污水和污泥在处理过程中,释放的恶臭气体、生物气溶胶以及温室气体等多种污染物会对空气环境造成不利影响。土壤中氮肥的过度施用及施用方法不当会导致氮肥以氨和氮氧化物的形式进入大气,不仅能够产生恶臭气味,同时还会引发温室效应。化肥施用和禽畜养殖是氨排放的重要来源, 而氨排放与 PM2.5 污染和雾霾的形成之间有复杂的关系。此外,农业面源污染是湖泊水体富营养化的重要来源。因此,亟须开展大气 – 地表水 – 土壤 – 地下水等多介质污染协同治理,集中攻关,解决限制理论创新、技术突破和工程技术实施的关键难题, 构建大尺度环境过程的监测、模拟技术,提升清洁生产、全过程风险管控技术,形成区域尺度上环境综合治理技术与系统解决方案,构建多介质污染协同控制理论技术体系和智慧监管体系,实现多介质环境安全新格局。

(4) 空气传播病原体探测器系统和方法

空气传播病原体是对能通过空气侵入新的易感宿主,并引起疾病的微生物和空气传播病原体的统称,主要包括病毒(甲型 H1N1 流感、严重急性呼吸综合征、新型冠状病毒肺炎等)和细菌(结核杆菌、肺类链球菌等)。近几十年来,由于空气传播病原体传播范围广、速度快等特性,人类一直面临着此类传染病的威胁。目前病原体的检测主要依靠临床观察和对病人样本的精确检测,这些进程花费时间长、检测范围小,滞后于对疾病快速控制和预防的需求。从空气中直接检测病原体是空气传播疾病防控的理想手段之一。但气溶胶中存在的病原体往往水平极低,需要探测器具有极高的灵敏度。为实现对空气传播疾病的迅速防控,需要创建一个探测器系统和相关方法来检测空气中的病原体,为此, 亟须开发并融和多种检测方法,以及整合一体化、自动化的检测流程和数据智能传输系统。

(5) 自然灾害预防预警和恢复决策工程

全球自然灾害在 21 世纪前 20 年明显增加, 特别是与气候相关的灾害数量增长迅速。具体来看,2000 年至 2019 年期间,全球共记录自然灾害7348 起,造成 123 万人死亡,受灾人口总数高达40 亿,经济损失高达 3 万亿美元。中国自然灾害频发、分布广、损失大,是世界上自然灾害最为严重的国家之一。就目前来看,气候变化引起的极端天气气候事件(如厄尔尼诺、干旱、洪涝、雷暴、冰雹、风暴、高温天气和沙尘暴等)出现频率与强度明显上升,危及我国的国民经济发展。随着我国经济的快速增长,天气气候灾害造成的损失绝对值越来越大, 尤其是 2020 年大范围的洪涝严重影响了人民生活。因此,自然灾害预防预警以及灾后恢复决策工程的开发在防灾减灾中尤为重要,是今后的研究热点。

(6) 纳米复合海洋防污涂料

海洋生物污损对海防、海运交通、沿海工业和渔业等造成了极大危害。据统计,美国每年因生物污损引起的经济损失达 7 亿美元,英国的损失每年达 5000 万英镑。近年来,纳米复合海洋防污材料因其能够解决有机锡防污涂料的环境污染问题,引起了各国新型防污涂料研究者的重视。纳米复合海洋防污材料指利用纳米材料具有的超疏水性、低表面能以及极性能等性能改性的海洋防污涂料。目前纳米复合海洋防污涂料的研究热点和主要方向包括:含耐沾污性纳米组分的海洋防污涂料、含紫外线屏蔽和光催化杀菌纳米组分的海洋防污涂料、含有阻止生物附着纳米组分的海洋防污涂料,以及其他特殊作用纳米组分的海洋防污涂料。当今,解决纳米材料在涂料中的稳定分散及与防污涂料相容性问题是未来纳米复合海洋防污材料的重要发展方向,也是世界发展海洋防污涂料、纳米复合海洋防污涂料的突破口。

(7) 离岸式波浪发电技术

波浪发电技术指利用波浪能装置将波浪能转换为机械能,最终转换成电能的技术。由于离岸的波浪能远大于岸边的波浪能,且离岸式发电装置比岸基式发电装置具有更强的生存能力,因此,波浪发电技术正朝着离岸式的方向发展。离岸式波浪发电机以液压式和直驱式为主。其中,直驱式波浪发电机能够直接发电,能量转换过程无须变速器,具有可靠性高、维护成本低的优势,在离岸大功率并网应用中发展前景广阔。目前,离岸式波浪发电技术的主要技术方向包括:直驱式波浪转换装置的结构设计、直驱式波浪转换装置功率捕获控制技术以及直驱式波浪发电功率波动处理技术。直线发电机是直驱式波浪发电系统的核心能量转化装置。提高发电机的可靠性和能量转化效率、简化复合直线电机结构和降低装置体积是当前全球直驱式波浪发电技术的重要发展方向。研制适用于波浪发电低速大推力场合的高性能直线发电机,是推广发展直驱式波浪发电系统需克服的关键技术。另外,超导材料在波浪发电领域也具有较大的应用前景。

(8) 食品智能制造技术

食品工业是重要的传统民生产业,是国民经济的支柱产业。随着信息技术的迅速发展,大数据、云计算、物联网等新兴技术在食品工业领域得到快速应用,引发了食品工业从研发、生产到销售的整个产业链发展模式的深刻变革。尤其是近年来智能制造在食品工业领域的广泛应用,为促进食品工业转型升级提供了途径和方向。智能制造在保障产品质量安全、提高产品质量等方面取得了明显成效。具体来看,一是智能化助力食品安全。智能工厂利用物联网技术和监控技术加强信息管理服务,提高生产过程可控性、减少生产线人工干预,同时,智能工厂具有自主采集数据、分析数据的能力,实现了人与机器的相互协调合作,保障食品的安全生产。二是智能化推动产品优化。智能化车间通过对各生产环节的关键指标进行数据采集和分析,可以生成数字化指标,并根据中间物料状态和最终产品口感体验不断优化指标,使生产过程的可控性、产品的稳定性和品质大大提高。三是智能化提高生产效率。智能化生产系统采用集成化的设计理念,能够对复杂的加工过程进行流程优化,压缩生产环节,并通过信息技术、调度算法、自动识别等技术实现自动化生产,具有高速度和高精度等特点。

(9) 碳基纤维材料电子器件

碳基纤维材料电子器件是以碳基纤维作为基本单元,以纤维膜、纱线、织物等纺织结构构建的一系列电子器件,具有柔性可集成的特点。碳基纤维的直径范围从几百纳米到几十微米,可以实现器件从微观到宏观的结构定制。目前,碳基纤维电子器件的主要技术方向是柔性纤维基储能器件、柔性纤维基传感器、柔性智能可穿戴纺织器件等。具体包括碳基纤维太阳能电池、碳基纤维超级电容器、柔性燃料电池、碳基压电纤维传感器、碳基纳米纤维摩擦发电机等。得益于碳基纤维材料高效的离子和电子传输性能以及杰出的柔性,碳基纤维电子器件正朝高性能、轻薄化、柔性化、高集成和可穿戴方向发展。因其应用领域的广泛性和先进性,碳基纤维材料电子器件的发展令人期待。

(10) 制浆造纸污染超低排放技术

制浆造纸工业是国民经济重要的基础原材料产业。然而,随着制浆造纸工业的飞速发展,其引发的环境污染问题也日益严重。因此,开发制浆造纸污染超低排放技术是满足社会需求和绿色可持续发展的关键。制浆造纸污染超低排放技术主要是指利用深度处理技术来实现污染物的超低排放,以解决传统常规处理技术难以达到排放标准的问题。现有的超低排放技术包括高级氧化技术、膜分离技术与膜生物反应器(MBR)技术、活性炭吸附技术及其综合运用砂滤技术、磁整理及磁化 – 仿酶催化缩合和氧化塘及人工湿地等技术。然而,当前制浆造纸污染超低排放技术仍面临着实用性和经济性不足的挑战。因此,开发成熟稳定、经济高效的制浆造纸污染超低排放技术,实现制浆造纸污染超低排放, 是目前制浆造纸领域的重要研究方向。

《2.2 Top 3 工程开发前沿重点解读》

2.2 Top 3 工程开发前沿重点解读

2.2.1 空气传播病原体探测器系统和方法

空气传播类疾病一直不断威胁着人类的健康, 如甲型 H1N1 流感、严重急性呼吸综合征、新型冠状病毒肺炎等。空气传播病原体是对能通过空气侵入新的易感宿主,并引起疾病的微生物和空气传播病原体的统称,主要包括病毒和细菌等,传播方式主要有经飞沫、飞沫核和尘埃传播。目前病原体的检测主要依靠临床观察和对病人样本的精确检测, 这些进程花费时间长、检测范围小,远远滞后于对疾病快速控制和预防的需求。从空气中直接检测病原体是空气传播疾病防控的理想手段之一。但气溶胶中存在的病原体往往水平极低,需要探测器具有极高的灵敏度。同时,气溶胶中存在的如唾液、粉尘颗粒等样品的干扰,分散而异质。这些气溶胶颗粒大小随排出方式的不同而变化:说话排出的为(33.5±5)μm,呼吸为(1270.3±20)μm,咳嗽为 1~40 μm,打喷嚏则为 2~16 μm,这对病原体的精确检测带来了挑战。空气传播病原体检测的另一主要障碍是样品处理和自动化,检测过程主要有空气采样、传感器检测两个主要组成部分,目前针对两个独立部分已有较多研究,但少有研究将其作为统一的整体进行一体化、自动化的研究。另外,从采样到检测的加载工作往往由人工来完成,从而难以实现连续采样、自动化工作和实时反馈的完整体系。

为实现对空气传播疾病的迅速防控,需要创建一个完整、灵敏、低成本的探测器系统和相关方法来快速、精确、广泛地检测空气中的病原体。这一目标的实现亟须开发并融和多种检测方法,例如实时聚合酶链式反应检测(PCR)、核酸检测、质谱法(MS)、胶体金检测、激光粒子计数、环介导等温扩增技术(LAMP)、酶联免疫吸附法(ELISA)、实时石英晶体微平衡(QCM)技术等。此外,还需要设计一体化、自动化检测流程以及数据智能传输系统以实现空气传播病原体的连续和实时检测。从国际范围来看,“空气传播病原体探测器系统和方法”核心专利的主要产出国家中(见表 2.2.1),美国在专利公开量和平均被引数方面均排在第 1 位。中国核心专利公开量仅次于美国,位于第 2 位,被引比例为 2.01%,排在第 6 位。英国、德国、加拿大等国家专利公开量小于中国,但平均被引数超过中国。这表明,中国在空气传播病原体检测方面的研究和创新数量不断上升,影响力仍需提高,研究的开创性有待提高。该工程前沿国家间合作网络方面(见图 2.2.1),国际间合作较为广泛而紧密,中国除与美国合作最为紧密外,与瑞士、英国的学者也均有合作。

该工程开发前沿中核心专利的主要产出机构方面(见表 2.2.2),韩国 Bizmodeline 公司的核心专利公开量为 28 项,排在第 1 位,但核心专利平均被引数仅为 0.04;而公开核心专利平均被引比例最高的机构为美国艾伯维公司,公开量占比为 1.70%, 但被引比例达到了 5.78%,而相同专利公开数的美国 Parion Sciences 公司平均被引比例仅有 0.68%; 美国雅培公司公开的核心专利也具有较高影响力, 平均被引数达到 104.13。另外,平均被引数最高的机构为美国丹娜法伯癌症研究院,虽然公开专利数比例仅占 1.10%,但平均被引数达到了 138.64。国际主要机构的合作关系网络方面(见图 2.2.2),

《表 2.2.1》

表 2.2.1 “空气传播病原体探测器系统和方法”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家

序号 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 美国 620 62.00% 23 736 80.99% 38.28
2 中国 72 7.20% 589 2.01% 8.18
3 韩国 56 5.60% 155 0.53% 2.77
4 英国 48 4.80% 1758 6.00% 36.63
5 德国 47 4.70% 2508 8.56% 53.36
6 加拿大 40 4.00% 783 2.67% 19.58
7 瑞士 32 3.20% 856 2.92% 26.75
8 日本 31 3.10% 506 1.73% 16.32
9 澳大利亚 19 1.90% 198 0.68% 10.42
10 印度 16 1.60% 541 1.85% 33.81

《表 2.2.2》

表 2.2.2 “空气传播病原体探测器系统和方法”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构

序号 机构 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 韩国 Bizmodeline 公司 28 2.80% 1 0.00% 0.04
2 美国艾伯维公司 17 1.70% 1695 5.78% 99.71
3 美国 Parion Sciences 公司 17 1.70% 200 0.68% 11.76
4 美国雅培公司 16 1.60% 1666 5.68% 104.13
5 美国百时美施贵宝公司 14 1.40% 1376 4.69% 98.29
6 美国丹娜法伯癌症研究院 11 1.10% 1525 5.20% 138.64
7 美国 ICU 医疗公司 10 1.00% 336 1.15% 33.6
8 哈佛大学 8 0.80% 913 3.12% 114.13
9 瑞士诺华公司 8 0.80% 425 1.45% 53.13
10 美国 3M 创新有限公司 8 0.80% 311 1.06% 38.88

《图 2.2.1》

图 2.2.1 “空气传播病原体探测器系统和方法”工程开发前沿主要国家间的合作网络

《图 2.2.2》

图 2.2.2 “空气传播病原体探测器系统和方法”工程开发前沿主要机构间的合作网络

合作关系最为紧密的机构是美国艾伯维公司与美国雅培公司,美国丹娜法伯癌症研究院与美国哈佛大学、瑞士诺华公司也分别有合作。今后,中国在该研究前沿应需进一步深化与国际机构的合作,除美国外,还可与英国、德国、印度、瑞士等核心专利影响力较大的国家加强合作。在技术开发方面也应破除“唯数量论”,增加科研产出影响力的相关评估,激励科研机构注重研究的质量与影响力,促进学科领域的长足发展。

2.2.2 自然灾害预防预警和恢复决策工程

近几十年来,气候变化引起的极端天气气候事件(如厄尔尼诺、干旱、洪涝、雷暴、冰雹、风暴、高温天气和沙尘暴等)出现频率与强度明显上升, 给社会、经济和人民生活造成了严重的影响和损失。据估计,1991—2000 年,全球每年受气象水文灾害影响的平均人数为 2.11 亿,是因战争冲突受到影响人数的 7 倍。亚洲是遭受自然灾害袭击最频繁的地区,全球气候变化以及相关的极端气候事件所造成的经济损失在过去 40 年平均上升了 10 倍。我国每年因各种天气气候灾害造成的农田受灾面积为3.4×107 hm2,受干旱、暴雨、洪涝和热带风暴等重大灾害影响的人口约达 6 亿人次,平均每年因受天气气候灾害造成的经济损失约占国内生产总值的3%~6%。天气气候灾害引发的生态、环境、地质、社会、人文、经济等继发性灾害带来的经济损失更为严重。

在与自然共存的长期实践中,人类形成了许多行之有效的预防和减轻自然灾害的措施。具体来看, 在防灾减灾中应坚持“预防为主”的基本原则,把灾害的监测预报预警放到突出位置,高度重视和做好面向全社会的预警信息发布。气象灾害是可以有较长预警时效、较高预测预报准确率的一类突发公共事件,加强灾害性天气的短时、临近预报,加强突发气象灾害预警信号制作工作,加强气象预警信息发布工作,是提高防灾减灾水平的重要科技保障。要依靠科技,提高防灾减灾的综合素质。通过加强防灾减灾领域的科学研究与技术开发,采用与推广先进的监测、预测、预警、预防和应急处置技术及设施,充分发挥专家队伍和专业人员的作用,提高应对自然灾害的科技水平,在国家经济发展的灾后恢复决策工程中提供气象保障。

“自然灾害预防预警和恢复决策工程”核心专利的主要产出国家方面(见表 2.2.3),中国的核心专利公开量排名位于第 1 位,韩国排在第 2 位,美国则是第 3 位。然而来自中国的公开专利平均被引数仅为 1.78,从侧面说明我国在该领域虽然拥有不少的核心专利,但影响力仍需进一步提高。中国在该领域的技术水平仍有待提高。国家间的合作网络方面(见图 2.2.3),美国和瑞士两个国家存在一定的合作关系,中国与其他国家合作较少。

核心专利主要产出机构方面(见表 2.2.4), 来自中国的机构最多,被引数排名前 2 位的机构分别为成都理工大学和美国全国农场共同汽车保险公司。图 2.2.4 给出了该开发前沿各个机构间的合作网络情况,可以看出各个机构或者企业之间的研发合作关系很弱,只有成都理工大学和江西省气象台、江西省地质灾害应急中心存在合作关系。这说明我们应该进一步加强创新以及和其他国家、机构间的交流合作,以提升中国在这一领域的影响力。

2.2.3 碳基纤维材料电子器件

柔性的使用需求促进了碳基纤维材料电子器件的发展。碳基纤维材料因其良好的弯曲性、导电性和强力能够适应不同的工作环境和使用需求。新一代便携电子设备、人体检测器、环境传感器可以充

《表 2.2.3》

表 2.2.3 “自然灾害预防预警和恢复决策工程”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家

排名 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 中国 218 60.56% 387 47.43% 1.78
2 韩国 85 23.61% 73 8.95% 0.86
3 美国 20 5.56% 299 36.64% 14.95
4 日本 20 5.56% 40 4.90% 2
5 哥伦比亚 16 4.44% 7 0.86% 0.44
6 瑞士 1 0.28% 24 2.94% 24
7 比利时 1 0.28% 10 1.23% 10
8 瑞典 1 0.28% 2 0.25% 2
9 加拿大 1 0.28% 1 0.12% 1
10 德国 1 0.28% 0 0.00% 0

《表 2.2.4》

表 2.2.4 “自然灾害预防预警和恢复决策工程”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构

排名 机构 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 成都理工大学 中国 7 1.94% 11 1.35% 1.57
2 美国全国农场共同汽车保险公司 美国 7 1.94% 7 0.86% 1
3 黑龙江真美广播通讯器材有限公司 中国 6 1.67% 6 0.74% 1
4 报知机株式会社 日本 5 1.39% 0 0.00% 0
5 国家电网有限公司 中国 4 1.11% 7 0.86% 1.75
6 成都万江港利科技股份有限公司 中国 4 1.11% 5 0.61% 1.25
7 韩国电子通信研究院 韩国 4 1.11% 1 0.12% 0.25
8 江西省气象台 中国 4 1.11% 0 0.00% 0
9 江西省地质灾害应急中心 中国 4 1.11% 0 0.00% 0
10 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 中国 3 0.83% 3 0.37% 1

《图 2.2.3》

图 2.2.3 “自然灾害预防预警和恢复决策工程”工程开发前沿主要国家间的合作网络

《图 2.2.4》

图 2.2.4 “自然灾害预防预警和恢复决策工程”工程开发前沿主要机构间的合作网络

分利用柔性碳基材料的特性,制成完全柔性化的器件,在未来可穿戴电子设备和智能服装中发挥重要作用。

“碳基纤维材料电子器件”工程开发前沿的核心专利主要产出国家方面(见表 2.2.5),主要研究国家为中国、日本和美国,其中中国公开的核心专利数最多,占全球所有地区的 32.30%,篇均被引频次为 1.42;美国公开的核心专利数占全球所有地区的 15.60%,篇均被引频次为 44.56; 日本、加拿大、法国、美国在该领域合作较为密切,而中国在该领域具有较强的独立研发能力(见图 2.2.5)。在核心专利的产出机构方面,韩国LG 化学公司、日本东丽株式会社、荷兰沙特基础工业公司占据核心专利产出数量前 3 位,篇均被引频次前 3 位的机构则是加拿大魁北克水电公司、沙特基础工业公司、日本东丽株式会社(见表 2.2.6);主要研发机构更倾向独立研发,只有加拿大魁北克水电公司、法国阿科玛公司、日本昭和电工株式会社 3 家机构进行过合作研发(见图 2.2.6)。

《表 2.2.5》

表 2.2.5 “碳基纤维材料电子器件”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家

序号 国家 公开量 公开量比例 被引频次 被引频次比例 平均被引频次
1 中国 323 32.30% 459 3.78% 1.42
2 日本 261 26.10% 2368 19.51% 9.07
3 美国 156 15.60% 6952 57.27% 44.56
4 韩国 99 9.90% 696 5.73% 7.03
5 德国 41 4.10% 336 2.77% 8.2
6 法国 30 3.00% 223 1.84% 7.43
7 加拿大 24 2.40% 309 2.55% 12.88
8 荷兰 22 2.20% 237 1.95% 10.77
9 瑞士 16 1.60% 303 2.50% 18.94
10 英国 16 1.60% 267 2.20% 16.69

《表 2.2.6》

表 2.2.6 “碳基纤维材料电子器件”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构

序号 机构 公开量 公开量比例 被引频次 被引频次比例 平均被引频次
1 韩国 LG 化学公司 36 3.60% 250 2.06% 6.94
2 日本东丽株式会社 32 3.20% 556 4.58% 17.38
3 沙特基础工业公司 19 1.90% 408 3.36% 21.47
4 日本帝人株式会社 15 1.50% 151 1.24% 10.07
5 加拿大魁北克水电公司 12 1.20% 270 2.22% 22.5
6 日本三菱化学株式会社 11 1.10% 80 0.66% 7.27
7 法国阿科玛公司 10 1.00% 156 1.29% 15.6
8 日本昭和电工株式会社 10 1.00% 101 0.83% 10.1
9 日本信越化学株式会社 10 1.00% 83 0.68% 8.3
10 日本旭化成株式会社 10 1.00% 46 0.38% 4.6

《图 2.2.5》

图 2.2.5 “碳基纤维材料电子器件”工程开发前沿的主要国家间合作网络

《图 2.2.6》

图 2.2.6 “碳基纤维材料电子器件”工程开发前沿的主要机构间合作网络


 

 

 

领域课题组人员

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