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1.5 极地的微生物

低温酷寒、冰雪覆盖是南北极的普遍环境特征,而高盐度、强辐射、寡营养则增加了极地气候环境的多样性,导致了极地微生物在漫长的进化过程中演化出一系列的生物结构和功能来适应这种特殊的极端环境。随着冰下原位探测和微生物取样分析手段技术的不断提高,近些年科学家们已经在极地海水、海冰、沉积物、冻土、苔原、冰芯、岩石中发现了种属各异的极地微生物,其中包括大量的嗜冷和耐冷微生物。作为地球上最寒冷的环境之一,极地环境和海水温度最低可达-35℃,在这种生存环境下,极地微生物不但具有独特的物种多样性,还演化出了应对极端恶劣环境的生存机制,因此极地微生物成为 21 世纪最前沿和火热的科学研究命题之一。

极地环境的低温降低了生化反应速率,对溶质的运输和扩散产生负面影响,并导致了冰的形成和渗透应激。为应对极性应激条件,微生物利用不饱和脂肪酸、冷休克蛋白、色素和多糖等保护策略应对生存问题。Lauritano等发现极地细菌通过调节不饱和脂肪酸的种类和数量,以维持细胞膜的流动性;同时,极地细菌能够上调冷应激反应基因并合成冷活性蛋白质/酶。革兰氏阳性菌中的肽聚糖增厚也有助于避免细胞破裂和渗透失衡;冷适应细菌会产生多糖等物质来降低细胞质渗透压和减少水分散失。

微生物多糖在微生物适应寒冷环境中起重要作用,它不仅是微生物的能量来源和支持性组织结构,也参与细胞内多种生化反应。Koo等研究发现,南极湖泊和土壤微生物群落具有相同的寒冷应激反应,包括胞外多糖基因激活和冷诱导蛋白的产生,这使得它们能够在极端条件下生存。Huan等提出来自北冰洋的Mesonia algae是一种嗜盐嗜冷微生物,其大量细胞外多糖的合成和各种细胞外蛋白酶家族的分泌使得Mesonia algae具备抗寒能力。生物膜形成、共生、结合、孢子形成等活动为细菌生存在地球上最寒冷、最干燥的大陆提供可能性。总而言之,多糖物质能够保持细胞的正常生理活动,而极地微生物的进化机制可能更加保守,非常有利于开展多糖合成机制的深入研究。

1.5.1 极地微生物在低温环境的自我防护

在极地的各个环境中广泛存在着不同种属的微生物,这些微生物大多数能以独特的生理和遗传机制应对极端酷寒的气候环境,称为嗜冷或耐冷微生物。作为地球上最寒冷的区域之一,极地海冰的温度在-50~0℃之间波动。海冰的冰晶之间布满了大小各异的盐水通道,形成了温度、盐度和营养物质浓度急剧变化的环境,尤其是温度和盐度,从寒冷的海冰表层到海水底层逐渐下降。在这样的环境中,大量的嗜冷或耐冷微生物却可以正常生长和代谢。研究发现在冰川环境中,革兰氏阳性菌的比例高达 60%以上。由肽聚糖和磷壁酸组构成的复杂细胞壁为革兰氏阳性菌提供了低温冰冻状态下的生存条件。另外革兰氏阳性菌可以在低温酷寒的恶劣环境中形成孢子,或者直接以休眠的方式进行自我防护,渡过难关。从南北极地区分离得到的假交替单胞菌通过分泌各种生物活性物质应对极地恶劣气候环境。基因组分析结果显示南极地区的假交替单胞菌TAC125 出现密码子选择性偏误,在表型上通过天冬酰胺的环化和脱氨基作用对抗蛋白质老化,对抗给细胞带来刺激和压力的活性氧ROS。假交替单胞菌在基因簇内有着可变性极高的关于生物活性物质合成的操纵子,可以分泌产生耐低温的广谱性抗菌活性物质以应对极地低温气候。在极地的极端酷寒环境中,微生物还要面临一个更为艰难的处境,就是细胞的冻融循环。细胞里含有大量水分,当遇到低温环境时就会结冰形成冰晶,冰晶会严重破坏细胞的结构,动物细胞在结冰融化后无法恢复活性的主要原因就是冰晶破坏了细胞结构。但是极地微生物进化出了多种策略应对冻融循环,例如细胞内含有甘氨酸、甜菜碱、海藻糖等多种兼容性溶质,在细胞结晶时降低渗透压对抗细胞失水,从而保护细胞免受冰晶破坏。还有很多极地微生物能够分泌抗冻蛋白和功能性多糖进行自我防护,从而应对低温酷寒的气候环境。

1.5.2 极地微生物分泌的冰结构蛋白

南北极的嗜冷微生物和耐冷微生物备受研究人员的关注,不仅因为它们在极地生态系统中作为初级生产者为群落中其他动物提供食物,还因为它们能够降解和氧化海冰下沉积的矿物质。对极地微生物进一步研究发现,它们能够分泌独特的冰结构蛋白,用以对抗极端酷寒的气候及冻融循环对细胞结构的致命损伤。冰结构蛋白属于多肽类蛋白质,包括抗冻蛋白和冰核蛋白。

抗冻蛋白是一种能改变冰晶生长形态且抑制冰晶生长的多肽蛋白质。第一次在微生物中发现抗冻蛋白是 1993 年,在嗜冷微球菌和红串红球菌中分离得到,但直到现在也没有将其分子结构表征出来。后来又从加拿大北极地区的恶臭假单胞菌中分离得到了一种糖蛋白结构的抗冻蛋白,这些多肽类蛋白质的分子量大多在 25~34 kDa。研究者们认为抗冻蛋白依靠一种吸附-抑制机制结合到小冰晶上,进而抑制细胞结晶和冰晶的生长。与汽车抗冻剂乙二醇不同,抗冻蛋白不是按照依数性起作用,它降低冰点与浓度高低没有直接关系,少量的抗冻蛋白就能够降低细胞水溶液中冰晶的生长点温度,却对冰晶熔点温度的影响非常小,且对渗透压的影响也很小。水溶液中冰晶的熔点温度和冰点温度之间产生差异的现象称为热滞后现象,极地微生物的抗冻蛋白结合到细胞的冰晶上能够引发热滞后和抑制冰晶生长,从而在极地酷寒环境中有效自我防护,以正常生长和繁殖。抗冻蛋白特殊的生理功能归因于它们在特定的冰晶表面上的结合能力,早期研究者认为它们是通过范德华力与冰晶表面结合的,近年来的研究结果显示疏水作用才应该是主要的结合原因。极地微生物分泌的抗冻蛋白在生物医药、冷冻食品、农业、养殖业等多个领域都有广阔的应用前景。比如抗冻蛋白可以强化医学中组织和血液的保存效果,还可以延长冷冻食品的保质期,还能够在严寒地区提高农作物或渔业的收成,对于人类开发极地微生物的生物活性物质具有重大的意义。不同的抗冻蛋白见表 1-1。

表1-1 分离自不同细菌的抗冻蛋白的不同表型

冰核蛋白是一种附着于细胞膜上的糖脂蛋白复合物,广泛存在于耐低温微生物及其他生物的细胞中。首次发现冰核蛋白是 1972 年,是从腐烂的植物叶片中分离得到的丁香假单胞菌中产生的。冰核蛋白最大的作用就是诱导形成冰晶凝结核物质,而冰核作为晶核可以凝结水分子,调节水分子按照一定顺序整齐排列,进而诱发结冰现象。极地微生物为何会在漫长的岁月中进化出调控结冰的蛋白质呢?实际上,冰核蛋白的产生本质上是一种抗冻手段,主要用来对抗冻融现象,因为冻融将带走细胞内大量的热量,且会严重破坏细胞结构。冰核蛋白的肽链较短,只有几十个氨基酸,但多个蛋白聚合在一起可以形成一种冰核活性很强的蛋白复合物。不同微生物的冰核蛋白有相似的一级结构,包括中心高度重复的 48 个氨基酸肽链,与细胞膜结合的球形、疏水N-端结构域,以及高度亲水的C-端结构域。冰核蛋白通过这种分子结构捕获水分子并以 48个氨基酸的肽链为模板来产生冰胚,从而形成规则、细小的冰晶。冰核蛋白在多个领域具有广泛的应用潜力。在食品工业领域,冰核蛋白可以提高冷冻食品的过冷点,使待处理的食品在较高的温度下就能发生冻结,从而缩短冷冻时间,节约大量能源。在农业领域,可以利用冰核蛋白杀灭农作物害虫,既不污染环境,也不会影响农作物的品质。冰核蛋白还可以在人工降雪、滑雪场等领域进行应用,不仅能够提高人造雪的质量,延长雪的寿命,还能够节约能源,保护环境免受污染。冰核蛋白的功能如图 1-1 所示。

图 1-1 冰核蛋白的相关功能
(a)防冻;(b)冰重结晶抑制;(c)冰结构;(d)结冰附着力

1.5.3 极地微生物在强紫外辐射环境的自我防护

1985 年科学家在南极上空发现由大气污染导致的臭氧层空洞,后来臭氧层破坏连年加剧,南极和北极上空均出现了臭氧层空洞。由于极地的紫外线辐射水平本来就高于地球上其他区域,臭氧层的严重破坏更是将直接影响到极地生态系统。与其他真核生物相比,微生物的细胞小、比表面积大,DNA在细胞中占的比重高,因此更容易受到紫外辐射的伤害。紫外辐射会诱变微生物的DNA进而抑制其生长,同时降低微生物的新陈代谢和生理活性。其中波长为 280~320 nm的中紫外波UA-B最为引人关注,它会对微生物的DNA直接造成损伤,导致环丁烷嘧啶二聚体和 6-4 嘧啶酮的生成。但是极地微生物可以通过多种方式针对紫外辐射进行自我防护。有的微生物可以合成抗紫外线物质来吸收过多的紫外线,从而减轻对细胞的损害;有的微生物具有DNA损伤的修复机制,可以通过光裂合酶、转移酶和氧化脱烷基酶等功能酶直接切除损坏的碱基;还有的微生物可以通过提高氧化还原酶NAD(P)H的活性来增强自身的抗氧化性,从而抵御极地的强紫外辐射。这些功能性酶在人类生物医药及民生健康领域均有着巨大的开发潜能。

1.5.4 极地微生物对服役材料的影响

微生物腐蚀是对极地服役材料破坏较为严重的一种腐蚀形式。由于微生物具有生命活性,其对材料的腐蚀过程和腐蚀机制是动态的、不可逆的,结合其他腐蚀因素,往往会造成较为严重的后果,带来一系列的安全隐患和经济损失。例如一旦船用钢失去了涂层的防护而暴露在海水环境中,海洋微生物腐蚀就会成为腐蚀损坏的一种主要形式。近年来海洋微生物腐蚀研究已经取得了诸多突破性的进展,但由于海洋微生物具有分布广泛、数量巨大、种属多样等特点,因此其研究难度也较大。当船舶航行在海水中时,船体表面不光滑的金属材料恰好为微生物提供了附着位点,引起微生物的聚集,从而进一步造成船舶材料的腐蚀破坏。尤其是在极地环境中,极端的低温、高盐度、强辐射造就了一群极其强壮和有韧性的微生物群落,由于没有来自其他物种的竞争,很多种属的微生物能够快速生长繁殖。极地微生物为了生存,发展出了一整套适应机制来应对极端环境所造成的损害,包括增加细胞内抗冻蛋白、可溶性多糖及酶分子的含量,以及分泌具有腐蚀性质的色素物质来抵御严寒的环境。极地微生物所具有的新颖性、独特性与多样性,使其在科学研究、应用开发等方面具有重要价值。但是国内外关于极地微生物对金属材料的腐蚀机制研究尚处于起步阶段,这些极地极端环境下的微生物及产生的特殊胞外分泌物会对船用钢的腐蚀及后续的摩擦磨损造成怎样的影响还未可知,因此急需开展相关的研究工作,积累研究成果和科学数据。

近年来关于微生物对金属材料腐蚀机制的研究主要聚焦于其胞外分泌物,尤其是胞外多糖对材料腐蚀的影响。新喀里多尼亚弧菌产生的胞外多糖可有效防止碳钢在人造海水和酸性介质中的腐蚀,其抑制作用随着多糖的浓度增加而增加;Guo等发现解脂假交替单胞菌纤维素过量分泌突变株△17125 有利于生物矿化膜的形成,能有效抑制金属腐蚀;而突变株△bcs由于缺乏纤维素多糖,无法形成生物矿化膜,从而无法抑制金属的腐蚀,这说明细菌纤维素在生物膜形成和生物矿化过程中起重要作用。而某些多糖可能促进金属材料表面腐蚀的发生。脂多糖能够和钛发生相互作用,改变其耐腐蚀性,造成腐蚀;硫酸盐还原菌等革兰氏阴性菌外膜中的脂多糖能与亚铁离子(Fe 2+ )发生特异反应,加速钢材表面的腐蚀。细胞表面产生荚膜多糖,有助于细胞的黏附、减毒和逃逸,猜测产生荚膜多糖的细菌能够在复杂的海水环境中维持自身的生存,促进细菌与金属基质的黏附,提高菌落形成的效率。硫酸盐还原菌和铁氧化细菌由于多糖的作用会加速金属的腐蚀,推测其原因是碳水化合物中阴离子基团螯合金属的能力增加,促使腐蚀发生。此外,革兰氏阳性菌等嗜盐产硫细菌通过代谢多糖物质产生硫化物和醋酸盐,会对管道的基础设施造成点蚀。多糖、EPS、生物膜关系链逐级累加,其对金属材料的腐蚀也逐渐复杂。不同细菌形成的生物膜特征有所改变。枯草芽孢杆菌和解脂假单胞菌的生物膜分别抑制和促进低合金钢的腐蚀,前者致密且疏水,对于金属材料具有保护作用;后者松散且亲水,容易引起金属材料的点蚀现象。而上文中提到生物膜形成的前提是EPS的合成,EPS在金属腐蚀中的作用取决于官能团与金属离子相互作用的程度和组分参加电子转移的能力。随着国家南北极开发战略的推进,破冰船和极地科考站的研究日益重要,这些海洋设备的材料对于极低温下耐腐蚀性提出了更高的要求,因此,极地微生物产生的多糖对金属材料的腐蚀研究是重要的研究方向。

温度是影响多糖的分泌和活性的重要因素,作者团队研究发现叶氏假交替单胞菌在 4℃与 20℃的总糖含量分别 5.67 mg/g与 3.27 mg/g,证明低温环境确实促进了极地微生物多糖的分泌。而多糖总量的提高可以有效抑制金属材料的腐蚀。Hassan等研究发现多糖对于金属材料表面腐蚀的作用受温度影响比较明显,果胶酸盐作为一种水溶性天然多糖对于金属铝的腐蚀具有抑制作用,而其抑制效率随着温度的升高而降低,说明在低温条件下多糖能够更大程度地抑制金属表面腐蚀。极地微生物为保证生存,低温下多糖分泌量增加,大大提高了生物膜的形成速度。极地微生物的多糖含量一般较高,例如,来自南极的掷孢酵母的胞外多糖最大产量为 5.64 g/L,加之上文中我们提到极地微生物多糖的结构也发生一定改变,故我们推测极地微生物分泌多糖对于金属材料的腐蚀会有比较明显的作用,目前Toshkova等利用南极链霉菌分离出链霉菌杂多糖,其对于生物体炎症反应有比较好的效果,是良好的免疫调节生物活性物质。Hao等也提出来自南极的假交替单胞菌的胞外多糖EPS-II是一种能够降低早期炎症的天然减毒剂。目前极地微生物多糖的腐蚀研究相对欠缺,但是极地微生物多糖对金属材料腐蚀意义重大。该领域的研究可以丰富现有的微生物腐蚀机制、开发绿色缓蚀剂、提高极地微生物资源的利用率等(图 1-2)。微生物多糖、生物膜、金属材料腐蚀三者构成沙漏状关系,不同种微生物多糖通过生物膜作为连接点,促进或抑制金属材料表面的腐蚀,在此基础上,进一步探索极地微生物多糖的腐蚀机制对于未来极地服役材料的耐腐蚀性研究十分重要。

图1-2 极地微生物多糖结构、功能、合成及应用 oFB73DV8XWKP0T4MderYUjTrhVl0AZeCs2MFzSK+S4oYclRO4ZfK/nVcXg8wkT8/



1.6 极地研究发展趋势

1.6.1 国内外学术研究论文发表情况

本节以 2017 年 1 月至 2022 年 11 月SCIE/SSCI数据库中收录的 462 篇论文为分析对象,从论文的总体情况、国家分布、研究机构分布、成果来源分布及研究主题角度分析极地航运的学术研究态势。

SCIE/SSCI学术论文年度发表情况如图 1-3 所示。整体上看,极地航运的学术论文量呈上升趋势(由于论文发表至SCIE/SSCI数据库检索存在时滞,2022 年论文量尚不完整)。整体上看,近年来论文量增长明显,极地航运研究日益受到国际领域学者的关注。

图1-3 2017—2022 年极地领域SCIE/SSCI年度论文量

在 462 篇SCIE/SSCI论文中,发文量前十的国家共发表了 418 篇论文,占据90.5%,表明极地研究论文具有区域集中特点。中国以 183 篇论文位居第一,遥遥领先其他国家。加拿大、美国、挪威分别位列第二、第三、第四。可以看出,关注极地的国家主要分布在北极圈和近北极地区,如图 1-4 所示。

图 1-4 2017—2022 年极地领域SCIE/SSCI论文量前十的国家
(注:论文中不同国家之间会有合作,论文量统计会有重复)

极地领域SCIE/SSCI论文量前十的机构及各机构研究主题见表 1-2。上海海事大学论文量排名第一,主要研究主题涉及事故风险、碳排放、船舶低温防腐材料、集装箱运输等。

表1-2 极地航运领域SCIE/SSCI论文量前十机构及其研究主题

其中,上海海事大学主要发文学院和学者分布见表 1-3。交通运输学院、海洋科学与工程学院和商船学院发文量较多,董丽华、付姗姗、万征、常雪婷、王胜正等人论文量较多。交通运输学院聚焦北极航运风险、碳排放等可持续发展研究,商船学院侧重航线规划、航行导航,亦有涉及航运风险研究。海洋科学与工程学院侧重于极地船舶低温钢材料、极地耐磨耐腐蚀防护等领域的研究。

极地航运领域SCIE/SSCI论文的机构合作网络图谱如图 1-5 所示,可以看出:发文量最高的上海海事大学与武汉理工大学、上海海洋大学、香港理工大学、上海船舶运输科学研究所等国内机构,以及曼尼托巴大学、阿尔托大学等国外著名高校开展了合作研究,总体来说上海海事大学国内合作表现突出、国际合作还可以进一步强化;发文量第二的大连海事大学与哈尔滨工程大学、江苏科技大学、上海交通大学、中国船舶科学研究中心、南安普顿大学、挪威科技大学合作产出较多,但是该合作群合作频次亦较低;阿尔托大学的合作机构主要有查尔姆斯理工大学、纽芬兰纪念大学、伦敦大学学院等。

表1-3 上海海事大学极地航运领域SCIE/SSCI论文主要学院及学者分布

图1-5 极地领域SCIE/SSCI论文的机构合作网络

从发文质量来看,论文量前十的期刊共刊载了 154 篇论文,占比 33.5%。Q1 区 8 种期刊,Q2 区和Q3 区各 1 种期刊,说明极地航运领域问题研究深受学界关注。从期刊研究主题上看,高发文期刊主要集中在海洋工程、海事政策、寒区科学技术等领域,同时也涉及遥感、可持续、交通运输、安全科学等领域,见表1-4。

表1-4 极地领域SCIE/SSCI论文量前十期刊

上海海事大学 26 篇论文分布在 16 种期刊上,包含 12 篇Q1 区论文、4 篇Q2区论文、7 篇Q3 区论文、3 篇Q4 区论文,Q1、Q2 区论文总量超过 60%,说明上海海事大学发文期刊的整体质量较高。其中,载文期刊最多的是Maritime Policy Management(4 篇、Q3 区)、Ocean Engineering(3 篇、Q1 区)、Sustainability(3 篇、Q2 区)。

通过对SCIE/SSCI论文关键词进行统计,根据关键词聚类的情况,揭示了极地航运研究主题主要集中在:极地航运对气候变化的影响;破冰船及极地船舶的设计;极地船舶材料;北极航运的风险管理;北极集装箱运输航线规划;航运碳排放,尤其是二氧化碳的排放问题;极地航行决策及法律风险;中国“冰上丝绸之路”的挑战,如图 1-6 所示。

图1-6 极地研究SCIE/SSCI论文关键词共现图谱

1.6.2 科研项目情况

据不完全统计,2017 年至今国外高级别极地相关主题科研项目,共 8 个国家 24 项项目,其中美国 7 项,英国、加拿大皆为 4 项,日本、挪威同为 3 项,芬兰、韩国、德国各有 1 项。科研方向主要集中在极地航运对当地的影响及管理、极地航运对极地气候环境的影响及优化方案、极地特殊气候环境对极地航运的影响与挑战等方面,详见表 1-5。

表1-5 国外极地主题相关科研项目表

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就国内情况而言,国家级项目 25 项(国家自然科学基金 21 项、国家社会科学基金 4 项),省级项目 15 项,社会力量科技奖项 10 项,共 50 项。其中,武汉理工大学获得 4 项国家自然科学基金,江苏科技大学获得 3 项国家自然科学基金,大连海事大学获得 2 项国家自然科学基金、1 项国家社会科学基金,上海海事大学获得 2 项国家自然科学基金,上述 4 所高校在国家自然科学基金和国家社会科学基金中有比较亮眼的成果,有 2 项及以上科研项目,详见表 1-6、表 1-7和表 1-8。此外,2021 年起,科技部会同有关部门,共同启动实施了“十四五”国家重点研发计划“深海和极地关键技术与装备”重点专项,着力攻克极地空天地海立体探测、极地保障与资源开发利用及其环境保护技术、装备和体系。

表1-6 国内极地主题其他国家级科研项目表

表1-7 国内极地主题相关省部级科研项目、社会力量奖项项目表

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表1-8 国内极地主题相关国家级(国家自然科学基金、国家社会科学基金)科研项目表

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因极地航运的特殊环境条件,该领域项目的研究主要涉及:在极端气候情况下的船体结构、材料、性能等设计优化方面,因极地特殊地理环境而产生的绿色航运研究,因极地特殊地理位置而产生的相关法律关系研究。从研究时间和团队上来看,2017 年仅有武汉理工大学、上海海事大学两所高校从事极地航运主题相关科研项目,分别为武汉理工大学的张笛团队、毛文刚团队和上海海事大学的董丽华团队、付姗姗团队。在 2019—2022 年科研项目高发阶段,19 所高校加入对极地航运相关的研究中。多所高校有多个团队深入该领域研究,上海海事大学团队较多,有董丽华团队、常雪婷团队、付姗姗团队、王胜正团队、曾骥团队、陈伟炯团队、胡甚平团队、谢宗轩团队;武汉理工大学有万高团队、肖新平团队、张笛团队、毛文刚团队;江苏科技大学有张健团队、周利团队、张婧团队;大连海事大学有马晓雪团队、龙雪团队、卢雨团队。

1.6.3 专利申请情况

本节以近 10 年(2013 年 1 月至 2022 年 11 月)极地领域申请的相关专利为研究对象,以IncoPat专利检索平台为专利数据来源,经检索、清洗、合并去重后得到 2 267 条专利数据(其中发明专利 1 697 项,实用新型 570 项),作为本次分析的数据样本。

近 10 年来,极地领域的相关专利一直处于稳步增长阶段,年度申请专利量由 2013 年的 157 项稳步增长至 2019、2020 年的 300 项左右(专利从申请到公开存在一定的时滞,最近三年数据仅供参考)。随着极地商业航路的开辟和运营及极地资源的深入开发,相关技术的研究有望继续保持稳步增长的趋势。

该领域专利技术积累比较深厚的国家有中国、俄罗斯、韩国、美国、德国等,大多为北极东北航道及西北航道沿线相关国家。中国在专利总量方面优势明显,俄罗斯、韩国、美国紧随其后(图 1-7)。

图1-7 极地领域专利地域分布图

全球范围内专利申请量排名靠前的机构主要有哈尔滨工程大学、韩国大宇造船、江苏科技大学等。排名前十的机构中,中国占据了 6 个名额,韩国 2 个,俄罗斯 2 个(图 1-8)。

图1-8 极地领域全球主要申请人情况

中国在该领域专利申请量排名靠前的机构主要有哈尔滨工程大学、江苏科技大学、广船国际有限公司、上海海事大学等。排名前十的机构中,高校占据了4 个名额,另有 3 家科研院所及 3 家企业(图 1-9)。

图1-9 极地领域中国主要专利申请人情况

根据样本专利的IPC分类号的含义,对专利进行人工标引及聚类,以此来分析该领域专利的研究热点。该领域的研究热点主要集中于以下几个细分领域:破冰船设计与建造;极地航行通信、导航、测量技术;船舶配套、测试、实验设备;破冰方法及相关设备,以及水下航行器等,其中破冰船方向的相关专利数量最多(图 1-10)。

图1-10 极地相关专利热点研究领域分析

具体到机构层面,船舶制造企业的专利量普遍较多,主要集中于极地船舶及配套设备设计与制造领域;高校及科研院所的专利则相对多元,上述几大研究领域均有涉及,详见表 1-9。

表1-9 部分机构研究重点分析

上海海事大学在极地航运领域共申请了 14 项专利,主要集中于极地航路规划、极地船用钢材及极地航行通信导航领域,主要研究团队包括:常雪婷团队和董丽华团队,主要聚焦极地船用材料领域;王胜正、谢宗轩团队,主要聚焦极地航路规划及导航领域;王忠诚、尚贺雷团队,主要聚焦极地科考装备(图 1-11)。

图1-11 上海海事大学极地航运领域专利发明人合作网络图

1.6.4 相关活动开展情况

本节展现 2017 年 1 月至 2022 年 11 月期间国内外举办的极地领域相关活动情况。国际方面,围绕极地航运、有影响力的国际会议主要有“北极航运最佳实践信息论坛”和“北太平洋北极会议”,其中“北极航运最佳实践信息论坛”于2017 年由北极理事会设立,该论坛旨在支持国际海事组织制定的极地水域船舶营运国际规则(极地规则)的有效实施。“北太平洋北极会议”是从 2015 年开始,由韩国海洋水产部主办,韩国海洋水产开发院、韩国极地研究所和北极大学共同承办的北极特别教育项目,2017 年以来会议主题涉及北极资源开发、北极海上运输、北极航行、北极海洋合作和治理等。

另外,美国北极研究联合会、俄罗斯国家会展基金、威尔逊中心极地研究所、Informa、ACI等商业公司也举办了北美北极航运论坛、北极航运峰会、北极青年年会等多场与极地航运相关的会议,内容主题涉及北极航运运营设计和技术、北极地缘政治对航运业的影响、北极游轮、北极资源开发与气候变化等,详见表 1-10。

表1-10 极地相关的国际活动

2017 年以来,据不完全统计,大连海事大学联合中国极地研究中心、大连市人民政府、中国航海学会、交通运输部水运科学研究院、上海国际问题研究院等机构,每年举办各种内容主题不同的北极航行相关学术研讨会和论坛,其中“北极航行安全与可持续发展论坛”已经连续举办五届,成为大连海事大学的智库品牌论坛。大连海事大学一直致力于北极问题的研究,学校早在 2010 年就成立了极地海事研究中心,随后陆续加入了北极大学联盟、北太平洋北极研究网络、中国-北欧北极研究中心、中国高校极地联合研究中心等国际合作平台。2019 年 3 月,学校整合资源成立极地航运与安全研究院,目前已在北极事务、极地治理、北极航线、北极政策、北极航运等方面产出了丰富的研究成果。2020 年学校还联合国内外 26 家单位发起成立“东北亚北极航运研究联盟”,致力于打造协同创新与交流合作新平台。

哈尔滨工程大学、江苏科技大学、上海交通大学、大连理工大学、中国航海学会等高校和学术机构也举办了内容不同的极地航运相关学术交流活动,其中哈尔滨工程大学、江苏科技大学内容主要偏极地装备、极地船舶、极地工程等,上海交通大学聚焦高新船舶与深海开发装备、极地战略规划等,大连理工大学侧重极地装备冰载荷与结构安全,中国航海学会关注极地航行安全与装备等。上海海事大学开展的极地相关学术交流活动,主要有与宝山钢铁股份有限公司共建国内首个海洋极端钢铁材料联合实验室揭牌仪式、极地破冰船用钢技术研讨暨成果展示会等。另外,上海海事大学也是 2018 年由北京师范大学发起的“中国高校极地联合研究中心”25 所国内联合共建高校之一,详见表 1-11。

表1-11 极地航运相关的国内活动

续表

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