探索深海采矿，多金属结核采集技术的未来及其环境影响
深海环境大部分未经勘探，且十分脆弱，蕴藏着大量多金属结核 (PMN) 资源。这些结核富含镍、钴、铜和稀土元素等必需金属，这些元素对各种工业应用都至关重要，包括电子、可再生能源技术和电动汽车。随着这些金属的陆地资源枯竭，深海采矿变得越来越有吸引力。然而，多金属结核的开采带来了重大的技术、环境和经济挑战，必须加以解决，以确保该行业能够以负责任和可持续的方式发展。
多金属结核采集技术取得了长足进步，但在优化这些方法的同时尽量减少对环境的破坏方面仍然存在重大障碍。
了解多金属结核及其重要性
多金属结核是深海海底发现的矿床，主要分布在太平洋克拉里昂-克利珀顿区 (CCZ) 等地区。这些结核主要由锰、镍、铜和钴组成，还有少量其他金属，如稀土元素。深海床，尤其是深度 4,000-6,000 米的海底，蕴藏着大量此类结核矿床，使其成为采矿作业的理想目标。
随着电动汽车、可再生能源技术（如太阳能电池板和风力涡轮机）和电子产品的进步，对这些金属的需求不断增长，促使许多国家和私营公司探索深海采矿作为满足未来需求的可行解决方案。然而，开采这些宝贵的资源不仅从技术角度，而且从环境和监管角度也带来了一些挑战。
多金属结核采集技术
目前，用于收集多金属结核的主要技术包括液压抽吸系统、履带式收集系统和机器人采矿工具。这些系统旨在从海底回收结核并将其运送到水面船只进行加工。每种方法都有自己的优点和缺点，特别是在效率和环境影响方面。
- 液压抽吸系统
液压抽吸系统是开采多金属结核最广泛使用的技术。这些系统利用高功率水射流将结核从海底冲出，然后将其吸入管道，输送到地面。这种方法在结核收集方面非常高效，但会产生大量沉积物羽流，这些沉积物羽流可能会扼杀底栖生物并破坏营养循环，从而损害当地海洋生态系统。 - 履带式收集系统
履带式系统是一种沿海底移动并使用大型液压臂铲起结核的机器人车辆。这些系统的设计旨在使其收集方法更具选择性，与液压吸力相比，可减少扰动沉积物的数量。然而，它们通常速度较慢，并且需要复杂的导航系统才能在极深的海底运行。此外，它们仍会对海底造成相当大的破坏，并可能取代大量沉积物。 - 机器人采矿工具
机器人系统，包括自主水下航行器 (AUV)，代表了结核收集的下一个前沿。这些工具更灵活，操作更精确，可以进行有针对性的开采。使用机器人技术可以通过减少采矿活动影响的区域来帮助最大限度地减少对环境的影响。然而，这项技术仍处于起步阶段，面临着可靠性和成本方面的挑战。
尽管采矿技术取得了进步，但在优化这些系统方面仍存在一些挑战。一个关键问题是在高压、低温和腐蚀性环境等极端海洋条件下收集方法的效率。这些因素限制了采矿设备的耐用性和使用寿命，导致维护成本增加和运营延误。
此外，环保采矿解决方案的技术开发仍然是一个重大障碍。液压抽吸系统虽然能有效地收集结核，但会产生沉积物羽流，严重破坏海洋生态系统。因此，开发既环保又经济可行的系统是正在进行的研究的重点领域。
深海采矿对环境的影响
与多金属结核采集相关的最重大的环境问题之一是沉积物羽流的形成。这些羽流由悬浮在水柱中的细小颗粒组成，可扩散到大片区域。这些羽流可扼杀底栖生物并破坏深海物种的摄食和繁殖过程。这在具有独特而脆弱的生态系统的地区尤其成问题，例如热液喷口群落和冷水珊瑚礁。
采集过程本身也会造成栖息地破坏。采矿车或液压抽吸系统会从海底清除大量沉积物，对底栖生物栖息地造成不可挽回的破坏。这种破坏威胁着生物多样性，因为深海中的许多物种都依赖海底的稳定性来获取食物和庇护。此外，从海底开采多金属结核会破坏碳封存和养分循环等自然过程，从而可能改变海洋生态系统的平衡。
深海生态系统是各种物种的家园，其中许多物种仍未得到充分了解。采矿活动，特别是在克拉里昂-克利珀顿区 (CCZ) 等生态敏感地区，可能导致生物多样性丧失。栖息在这些地区的物种通常生长缓慢，繁殖率低，因此特别容易受到环境干扰的影响。
人们越来越担心，采矿作业可能会导致物种在被充分发现和研究之前就灭绝。特别是深海采矿对巨型动物（如鲸鱼和大型鱼类）和底栖生物（如珊瑚和海绵）的影响需要进一步研究，以了解这些物种如何受到栖息地结构和水质变化的影响。
深海在碳封存中起着至关重要的作用，因为它从大气中吸收了大量的二氧化碳。采矿活动可能会破坏这一过程，特别是通过扰乱含有碳的沉积层。这些碳被释放回海洋或大气中可能会加剧全球变暖。此外，深海生态系统的破坏可能会改变海洋吸收和储存碳的能力，从而可能逆转深海带来的一些气候缓解效益。
思考
深海采矿技术的发展虽然取得了一些进展，但仍有许多悬而未决的问题需要进一步研究。这些问题不仅是技术问题，还涉及环境、经济和社会问题。
目前的研究简要描述了采矿对海洋生态系统的直接影响，但长期生态后果仍不清楚。采矿作业停止后，底栖生态系统将如何恢复？重复采矿活动对生物多样性和生态系统服务的累积影响是什么？
目前大多数技术，例如液压抽吸，效率很高，但对环境有破坏性。能否开发出新的方法来开采多金属结核，而不会扰乱海底或产生沉积物羽流？哪些技术创新可以减少深海采矿的影响？
深海采矿可能会干扰自然碳封存过程。海底沉积物的破坏如何影响海洋在碳储存中的作用？采矿活动是否会导致被困碳的释放，从而加剧气候变化？
越来越需要在关键金属需求与深海环境保护之间取得平衡。哪些监管框架可以确保可持续的采矿实践？国际政策如何管理采矿对全球海洋生态系统的影响？
参考文献：Research Status of Deep-Sea Polymetallic Nodule Collection Technology. J. Mar. Sci. Eng. 2024, 12(5), 744; doi.org/10.3390/jmse12050744
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