深層海水的用途及開發利用現狀

邱金泉，王建艷，王靜，司曉光，陳進斌，張雨山

（1.國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所 天津 300192；2.北京自然博物館科學研究部 北京 100050）

藍色經濟

深層海水的用途及開發利用現狀

邱金泉1，王建艷2，王靜1，司曉光1，陳進斌1，張雨山1

（1.國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所 天津 300192；2.北京自然博物館科學研究部 北京 100050）

在人類社會面臨“陸地資源枯竭、環境日益惡化和人口不斷增加”三大威脅的今天，向海洋要資源已成為解決沿海地區資源危機并實現可持續發展的重要途徑。深層海水具有低溫性、富營養性、潔凈性等特點，且儲量巨大，是人類未來的“藍色資源寶庫”。文章對深層海水在能源、水產、農業、醫療等領域的應用情況以及國內外深層海水資源開發利用現狀進行了簡要介紹和分析，以期為我國深層海水的研究與開發提供參考借鑒。

深層海水；低溫；富營養；開發利用

1 深層海水及其特性

深層海水一般是指海平面200 m以下的海水。海洋面積約占地球表面積的70.8%，海洋平均水深約為4 000 m，95%的海水屬于深層海水［1］。因陽光難以照達，深層海水中光合作用幾乎停止，異養作用占主導，加之與表層海水交換極少，生物活動不劇烈［2］。總體來說，深層海水具有以下幾個顯著特點。

（1）低溫性。因陽光不能直接照射，與表層水相比，深層海水水溫較低，一般為1℃～10℃。隨著深度的增加，海水溫度逐漸降低。海平面300 m以下水溫約為10℃，1 000 m以下為4℃～6℃，隨后海水溫度保持穩定。

（2）富營養性。由于缺少充分的光照，深海中的生物幾乎不能發生光合作用，致使大量的氮、磷、硅等無機營養鹽因未被消耗而存留于深層海水中。分析表明，隨著海水深度的增加，海水中無機營養鹽的含量逐漸增加，水深為1 000 m時，含量達到最高且穩定［3］。

（3）微量元素豐富且恒定。深層海水中微量元素和礦物質種類非常豐富。深層海水中含有90多種人體所需的礦物質及微量元素。同時，由于遠離外界影響，其礦物質元素始終維持在一個恒定的均衡狀態［4］。

（4）潔凈性。深層海水的物理活動及光合作用等生物過程較少，加之其遠離陸地及大氣污染，因此，深層海水是一種非常潔凈的水資源［5］。研究表明，深層海水中懸浮顆粒物含量極低，僅為表層海水的14%［6］，并且其中也不含病原菌、化學化合物和環境激素等污染物。

2 深層海水的用途

根據深層海水的不同特性，可將其應用于空調冷源、水產養殖、農業、食品、醫藥、精細化工等不同行業。

2.1 溫差發電及制冷

光線無法到達的海洋深層水與表層海水之間存在著一定的溫度差，利用此溫差可實現熱力循環，即海洋溫差能發電（Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC）。1979年美國夏威夷州政府牽頭組織了“Mini－OTEC”實驗計劃，利用取自675 m深處的深層海水成功實現了總產值為53.6 k W、凈產值為18.5 k W的溫差能發電，這是世界上首次從海洋溫差能中獲得具有實際利用價值的電力。除此之外，深層海水可作為冷源直接冷卻空調房內的空氣，該技術與傳統的空氣熱源式制冷機相比大大節省了電力消耗，可極大地降低制冷成本。同時，系統不需要制冷劑，因此不會對大氣臭氧層造成破壞。美國夏威夷州自然能源研究所和日本高知縣海洋深層水研究所將深層海水用于冷房制冷，與空氣熱源式壓縮制冷機相比，節能效率分別為90%和40%。臺灣臺東區農業改良場負責運營的“精致農業研發館”利用深層海水作冷源降低溫室內溫度，有效解決了某些花卉、蔬菜、水果無法在夏天栽培的問題。另外，利用深層水制冰后用于水產保鮮，不但電力消耗較少，而且與淡水制冰相比，可使保鮮溫度降低2℃以上，顯著提高保鮮食品特別是海產品的鮮度［7］。

2.2 水產養殖

深層海水富含海洋浮游植物生長所必需的多種營養元素及礦物質，其中氮、磷含量分別可達表層海水的數十倍之多［8］，用深層海水作為培養液可顯著提高藻類生產力、改良藻類代謝途徑等。有學者通過實驗發現，采用營養強化的表層海水和深層海水同時養殖同一種海藻。3周后，用深層海水培養的海藻的濕重比用營養強化的表層水培養的海藻重37%［9］。采用海洋深層水養殖海帶，其蛋白含量比用表層水養殖的高2.5倍，而糖分僅為后者的60%［10］。汲取深層海水用于養殖硅藻等浮游植物，進而將其用于貝類、魚、蝦等的聯合養殖，可免除工業肥料的使用。實驗發現，以深層海水培養浮游植物，待達到一定的數量后，向其內投入蛤蚌和牡蠣，所喂養的蛤蚌和牡蠣的生長速率是生長于表層海水中同類的2～4倍，6個月內就可以達到出售標準。同時養殖廢水還可用于種植高產卡拉膠和瓊脂等化工產品的海草，實現深層海水中的營養物質向人類可利用的物質和能量的轉換［11］。利用深層海水可進行低溫魚類的養殖，日本富山縣在20世紀90年代就開始嘗試用深層海水養殖三文魚種魚，目前基于此種方法已成功地實現了大西洋鮭魚、比目魚、三文魚等冷水性魚類的養殖。由于深層海水遠離污染，化學污染物和病原菌較少，還可有效避免養殖魚類感染疾病。以海洋深層海水養殖比目魚種魚，可有效地提高魚卵孵化率和仔魚活力，有效降低防疫人工、藥品和設施投入。

2.3 農業和食品開發

深層海水經過適當稀釋后用于種植農作物，可顯著改善作物品質。日本靜岡縣農業試驗場利用從深約700 m處抽取的深層海水澆灌蔬菜后，蔬菜的含糖量和產量顯著增加，并且生長過程縮短。每周給罐栽番茄澆灌經20倍普通水稀釋的深層海水，結果表明，番茄的收獲期比常規栽培提前了約10天，含糖量增加了4%，產量增加了115～217倍。深層海水還可以增加小松菜的產量，提高番茄、葡萄等果實成色等［12］。將經20倍甚至50倍稀釋的深層海水用于牧草、大豆、胡蘿卜、水稻等的養殖，其中富含的礦物離子可明顯提高產物的營養價值［13］。除此之外，利用深層海水潔凈性和礦物元素均衡的特點，可開發商業化的礦泉水、食用鹽、醬油、豆制品、醬類、咸菜、餅干、面包、年糕、方便面、清酒等制品。添加深層海水制成的食品除了潔凈無污染之外，還具有口味獨特、口感好等特點，究其原因，一是深層海水中富含大量的無機鹽離子，改善了產品口感；二是這些無機鹽離子會影響食物發酵過程，并促進微生物產生有利于人體吸收和利用的物質，使得產品更加醇和、爽口［14－15］。

2.4 醫療與保健

微量元素在人體內的含量盡管非常低，但與人類健康密切相關，很多人體疾病都是由于微量元素的缺失或失衡所致。深層海水所蘊藏的豐富礦物質和微量元素可為人類疾病的治療提供新的突破口。Machira等［16］通過對喂食海洋深層海水和硅的小鼠股骨骨髓研究發現，可溶性硅酸鹽可通過上調骨代謝相關蛋白的mRNA表達，促進成骨細胞和破骨細胞的增殖和代謝，由此認為富含硅酸鹽的海洋深層海水可用于骨質疏松癥的預防與治療。日本學者太井秀行等［17］研究發現，富含礦物質的深層海水飲料可以改善血液流動性，其中的鎂離子可以預防飛機旅客血栓的形成。Lee等［18］研究了深層海水對大腸腺癌發生和轉移的影響，其研究認為，深層海水通過抑制環氧化酶（COX－2）、尿激酶纖維蛋白溶酶原激活物（u PA）、尿激酶纖維蛋白溶酶原激活物受體（uPAR）和轉移生長因子（TGF－β）在人大腸腺癌細胞（HT－29）中的表達，從而阻止癌細胞的擴增和轉移。何珊［19］的研究表明，海洋深層海水對人體代謝綜合征及其相關疾病（如高脂血癥和II型糖尿病等）具有預防作用，其中鎂離子和鈣離子等常量元素對改善糖脂代謝和抵抗胰島素有明顯的作用，而釩、鉻、錳、鋅、硒等微量元素則進一步加強了該效應，使海洋深層海水的藥理活性更為顯著。深層海水經除鈉處理后制成的濃縮礦物質液可用于補充大量運動后造成的礦物質流失，具有抗疲勞的功效［20］。此外，還有研究發現，深層海水中的礦物質或微量元素具有抗氧化、抗炎癥、抗凋亡等作用，其在肥胖癥［21］、高血壓［22］、過敏性皮炎［23］、胃潰瘍及十二指腸潰瘍［24］、皮膚創傷［25］等的預防與治療方面也具有一定的效果。

3 國內外深層海水開發利用狀況

目前，世界上開發利用深層海水的國家和地區主要有美國、日本、韓國以及我國的臺灣地區等。

美國是最早開發利用深層海水的國家。1970年，美國科學家Gerard和Roels最先提出利用深層海水進行水產養殖、發電、淡水生產等設想。1974年，美國成立了夏威夷自然能源研究所（Natural Energy Laboratory of Hawaii Authority，NELHA），該研究所以研發海洋溫差發電技術為主，兼顧深層海水養殖和制冷技術研究。經過幾十年的發展，美國在深層海水方面的研究成果涉及農業、水產、食品、工業冷卻及海水空調等多個領域，并且已在世界上很多國家成功推廣其深層海水產品。

日本是世界上深層海水產業化發展最為成功的國家，由最初采用深層海水進行脫鹽、制取飲用水開始，后來逐漸擴大到利用深層海水高純度特性制造飲料、食品、化妝品以及用于健康醫療和深海水產種苗的培育等，呈現多元化的特點。高知縣、富山縣和沖繩縣是日本深層海水利用發展最為成功的幾個縣，其中沖繩縣擁有日本目前產能最大的兩條取水線，取水深度為612 m，日取水能力達13 000 t。2007年日本與深層海水相關的產品的銷售額達到400多億日元［26］。

韓國從20世紀90年代中期開始進行深層海水研究，進入21世紀后發展速度加快，2005年和2008年分別成立了國家海洋深層水研究中心和海洋深層水產業協會，由政府主導進行了深層海水利用可行性研究。此外，韓國政府還制定了深層海水相關法律和發展規劃，用以支持和推動深層海水產業化發展。目前，韓國海洋研究院通過招標方式選擇愛京產業、現代藥品、斗山R＆D中心等8家企業參與海洋深層水試制品開發研究。到2013年，韓國深層海水市場規模達到10億美元［27－28］。

我國臺灣地區東部海底地形陡峭，具有發展深層海水產業的獨特優勢。臺灣于2000年公布了“深層海水資源利用及產業發展政策綱領”，開始規劃利用深層海水進行重要水產生物育種研究，以促進水產養殖及海洋生物技術產業發展。自2005年起開始資助深層海水利用研究，主要關注海域水質環境監測與質量信息管理、深層海水礦物質濃縮液、醫療品及化妝品原材料的獲取、可再生能源和冷熱源的利用等領域［29］。目前，已有臺灣肥料公司、光隆生物技術公司、幸福水泥集團等多家企業布局該市場，將深層海水產業視為未來經濟轉型的重點，預計總投資金額將達到數十億元新臺幣。

與深層海水開發應用較早的美國、日本、韓國和我國臺灣地區相比，我國大陸地區直到進入21世紀，特別是2010年之后才開始真正關注深層海水資源，但目前仍鮮有人從事深層海水開發利用的專業研究。由于尚未建立深層海水的抽取設備和深層海水研究機構，許多與深層海水相關的應用開發受阻，現有的深層海水相關制品主要是部分企業通過進口國外深層海水濃縮液進行勾兌或添加，雖然開發出了海洋功能瓶裝水、美容護膚品等少量產品，但并未形成商業體系，也缺乏多用途使用與擴展的空間，距離實現真正的深層海水利用產業化還有較長的路要走。

4 結語與展望

黨的十八大報告中明確提出要“提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國”。我國作為海洋大國，在過去的數十年里海洋經濟有了長足飛躍，但與世界上其他海洋強國相比，我國海洋資源總體開發能力仍然較低，特別是部分近海資源過度開發，而深遠海資源開發技術和力度嚴重不足［30］。美國、日本等國的成功案例均已證明，深層海水具有巨大的資源價值和經濟效益，但目前國內有關海水的開發利用技術及海洋化工產品的制備研發主要局限在表層海水利用方面，如海水制鹽、海水淡化、工業海水冷卻、海水脫硫和沿海城市海水沖廁等，對深層海水的利用研究基本處于空白階段，相關技術及產品開發水平與發達國家差距較大。

南海作為我國四大海區中水深最深的海區，平均水深為1 212 m，不僅具有豐富的油氣資源，而且也蘊藏著豐富的深層海水資源，開發潛力巨大。海南島東南部、西沙群島等區域都具備汲取深層海水的獨特自然條件優勢。開發利用深層海水既能帶動相關科研領域技術進步，又能推動當地海洋經濟向新興高端技術行業發展，提升國民生活質量。為此，迫切需要開展我國深層海水資源調查與利用技術研究工作。筆者認為，今后我國深層海水的研究與開發利用工作可重點從以下方面進行：①系統開展我國深層海水可利用區域與深層海水資源分布調查；②對取水點的設置及取水工程可行性進行充分研究論證；③建立深層海水開發利用基地與產業化試點，促進產學研有機結合；④加大深層海水產品研發力度，提高深層海水制品的附加值；⑤統籌規劃，在多方面、多途徑開發利用深層海水資源的同時，兼顧海洋生態環境安全。

［1］ 高橋正征，海洋深層水が含むミネラルとその利用の現狀［J］.日本海水學會，2005，59（3）：195－200.

［2］ MASAYUKI M T，HUANG P Y.Novel renewable natural resource of deep ocean water and their current and future practical applications［J］.Kuroshio Science，2012，6（1）：101－113.

［3］ SVERDRUP H U，JOHNSON M W，FLEMING R H.The oceans：their physics，chemistry and general biology［M］.Nwe York：Prentice－Hall，Inc，1942.

［4］ OTHMER D F，ROELS O A.Power.Fresh water and food from cold，deep sea water［J］.Science，1973，182（4108）：121－125.

［5］ MASAYUKI M TAKAHASHI，IKEYA T.Cleanliness of deep ocean water［J］.Deep Ocean Water Research，2002，3（2）：91－100.

［6］ TAKASHI RAN－NO，YUKO ABE，KAZUO OKUDA，et al.Evaluation of cleanliness of deep ocean water pumped from320m below the surface off Muroto，Kochi Prefecture by suspended particles［J］.Deep Ocean Water Research，2008，9（1）：3－13.

［7］ 濱田靖弘，田口隆，大江忠雄，等.寒冷大気を活用した製氷方式の省エネルギー性·経済 性に関するフィージビリティスタディ［J］.空気調和·衛生工學會論文集，2012（188）：1－7.

［8］ ROELS O A，LAURENCE S，HEMELRYCK L V.The utilization of cold，nutrient－rich deep ocean water for energy and mariculture［J］.Ocean Management.1979，5（3）：199－210.

［9］ 垣田浩孝.海洋深層水に含まれる金屬類と生物成長促進成分［J］.月刊海洋，2000（22）：133－138.

［10］ 田島健司.海洋深層水による大型海藻類の培養技術開発［J］.高知県海洋深層水研究所報，1996（3）：18－27.

［11］ ROELS O A，BABB J S，HAMM G L，et al.Mariculture in an artificial upwelling system［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，1973.

［12］ 葭田隆治，西川賢治.コマツナの収量とブドウ果実の著色に及ぼす富山灣深層水とカルシウム－－マグネシウムの組み合わせ効果［J］.出合忠広北陸作物學會報，2006，41：136－139.

［13］ 伊藤直子，山崎貴子，巖森大，等.佐渡の海洋深層水の農業への活用牧草と枝豆と人參の場合［J］.新潟醫福誌，2006，6（1）：32－35.

［14］ 久武陸夫，上東治彥，森山洋憲，等.海洋深層水の発酵食品への利用と効果［J］.日本醸造協會誌，2000，95（7）：478－484.

［15］ LEE C L.The advantages of deep ocean water for the development of functional fermentation food［J］.Applied Microbiology and Biotechnology，2015，99（6）：2523－2531.

［16］ MACHIRA F，IINUMA Y.Effects of soluble silicon compound and deep－sea water on biochemical and mechanical properties of bone and the related gene expression in mice［J］.Journal of Bone and Mineral Metabolism，2008，26（2）：446－452.

［17］ 太井秀行，中川光司，渡辺康光，等.海洋深層水ミネラルの長期摂取がヘモレオロジーに及ぼす影響［J］.ヘモレオロジー研究會誌，2001，4：21－25.

［18］ LEE K S，SHIN J S，KWON Y S，et al.Suppression of cancer progression and metastasis in HT－29 human colorectal ade－nocarcinomas by deep sea water［J］.Biotechnology and Bioprocess Engineering，2013，18（1）：194－200.

［19］ 何珊.海洋深層水對代謝綜合征預防作用的初步研究［D］.青島：中國海洋大學，2012.

［20］ MACHEFER G C，GROUSSARD C，ZOUHAL H，et al.Nutritional and plasmatic antioxidant vitamins status of ultra endurance athletes［J］.J ournal of the American College of Nutrition，2007，26：311－316.

［21］ HA B G，PARK J E，SHIN E J，et al.Modulation of glucose metabolism by balanced deep－Sea water ameliorates hyperglycemia and pancreatic function in streptozotocin－induced diabetic mice［J］.Plos one，2014，9（7）：e102095.

［22］ KATSUDA S，YASUKAWA T，NAKAGAWA K，et al.Deepsea water improves cardiovascular hemodynamics in kurosawa and kusanagi－hypercholesterolemic（KHC）rabbits［J］.Biological and Pharmaceutical Bulletin，2008，31（1）：38－44.

［23］ BAK J P，KIM Y M，SON J et al.Application of concentrated deep sea water inhibits the development of atopic dermatitislike skin lesions in NC／Nga mice［J］.BMC Complementary and Alternative Medicine，2012（12）：108－117.

［24］ YANG C C，YAO C A，LIN Y R.Deep sea water containing selenium provides intestinal protection against Duodenal Ulcers through the upregulation of Bcl－2 and Thioredoxin Reductase 1［J］.Plos One，2014，9（7）：96006.

［25］ 李為明，崔進，徐鵬遠，等.深層海水對小鼠創面愈合的促進作用［J］.重慶醫學，2014，43（4）：462－464.

［26］ 丁娟.日本深層海水產業化發展動向及對我國的啟示［J］.海洋開發與管理，2011，28（7）：83－89.

［27］ 李明杰，李軍.國外深層海水開發利用現狀及未來我國開發設想［J］.海洋開發與管理，2012，29（5）：52－55.

［28］ 曹世功.韓國海洋深層水開發正式起步［N］.經濟日報，2007－07－03（8）.

［29］ LEE S C，KU M H，HUNG P Y.Industrial technology research and low－temperature energy utilization of deep ocean water in Taiwan［J］.Deep Ocean Water Research，2010，11（1）：31－37.

［30］ 何強，文成.提高海洋資源開發能力 推進海洋強國戰略實施［N］.中國海洋報，2014－12－02（3）.

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

全球變化與海氣相互作用專項（GASI－03－02－02－05）.

邱金泉，高級工程師，碩士，研究方向為海水利用、污水處理等技術研究

張雨山，研究員，博士，研究方向為海水綜合利用