一、亲子鉴定的准确概率
亲子鉴定（paternity testing）是利用生物学的理论和技术，判断个体间是否存在亲生关系的鉴定技术。在影视剧和日常生活中，我们看到、听说的亲子鉴定往往是用来鉴定“父-子/女”关系，但亲子鉴定同样可以鉴定“母-子女”关系、兄弟姐妹关系以及其他亲属关系，原理类似，可靠度随具体情况有所变化。因此，亲子鉴定也常用于被拐和失散子女的认领、死者身份鉴定等隐私或隐私鉴定。“的染色体”：亲子鉴定的生物学基础人类基因组（Human genome）包含两部分，一是细胞核内的23对染色体DNA（核基因组），一是细胞质线粒体内的线粒体DNA（线粒体基因组）。核基因组是继承自父、母的各23条染色体组成的，而线粒体则全部来源于母亲。基因组的源流就构建了整个人类社会的血缘伦理。亲子关系，终靠的是鉴定染色体来源。图：人类核基因组，包含23对染色体，每一对染色体中的一条来自父亲、另一台来自母亲。在生小孩的时候，也会在每一对染色体中随机挑选一条传自己的孩子。男性后一对染色体为XY，女性为XX。丨来源：wikipeida“滴血认亲”：亲子鉴定的古早方法亲子鉴定不是一个新问题，人们不再相信“感应生子”，转而信奉有果必有因、“有其子必有其父”已经两千多年了。但是，真正有科学基础的亲子鉴定方法是从二十世纪初人类血型系统及血清学发展之后才开始建立起来的。这一鉴定方法的原理是基于血清学的检测结果：不同人类个体存在独特的蛋白质抗原性，而亲子之间的蛋白质抗原性趋向相同。比如人们所熟知的ABO血型系统，一对O型血夫妇的宝宝如果是A或B型，那么得证爹不是亲爹；如果宝宝是AB血型，那么请拨打110报警，妈也不是亲妈。但是这种方法的排斥力有限——检测A、B、AB血型均排斥了宝宝是亲生的可能性，但宝宝如果是O型血，却并不能证明一定是亲生。要解决这个问题，可以采用HLA检测。HLA是指人类白细胞抗原（Human leukocyte antigen），在人群中具有很高的多态性，是在器官移植过程中必须进行检测的项目，HLA不匹配会造成排斥。HLA检测用于亲子鉴定的排斥力较强，达到80%，但需要大量血液样品，不适合小于六个月的婴儿。随着人类对遗传物质本质的认识不断深入，以及检测DNA技术的发展，亲子鉴定进入DNA检测时代。DNA检测成为准确的亲子鉴定方法。较早的DNA检测依赖的是RFLP（Restriction fragment length polymorphism），即“限制性内切片段长度多态性”，原理是，不同序列的DNA经限制性内切酶切割后会产生长度不同的片段。而现行应用广泛的是PCR检测，它主要通过扩增短的串联重复序列（short tandem repeats，STR）长度差异来鉴定亲子关系。爱好刑侦的童鞋都知道，当代法证医学仅使用微量痕迹就能鉴定DNA，靠的就是PCR扩增。此前我们介绍的新冠病毒核酸检测，靠的也是PCR扩增。图：二十世纪亲子鉴定的技术发展。[1]什么样的检测结果有效？一个检测结果要想有效，需要根据实验原理设计实验，设计中需要有很好的对照：阴性对照和阳性对照。根据原理和实验操作，阳性样品出现阳性结果可证明本检测系统的可以工作，而阴性样本出现阴性结果证明本检测系统未被污染。如果阴性对照出现阳性结果、或者阳性对照出现阴性结果，都会推翻本次检测结果。此外，实验要规范，并且经得起必要的重复，如果某样品一会阳性、一会阴性，那谈何准确？总结起来，就是①理论可行②设计合理③操作规范。某宫斗剧中有一段精彩的滴血认亲大戏，这三条可是一样都没沾，滴血认亲没啥科学道理。左图：阴性对照如果出现阳性结果，本检测系统有问题。右图：操作要规范。其实这都是小儿科，历史上还有一个狗血撒不够，撒人血的滴血认亲故事。史料记载梁武帝萧衍斩南齐废帝萧宝卷，夺其宫人吴景晖，封为吴淑媛。吴淑媛入宫七月即产萧综，因此流言称萧综实为萧宝卷的遗腹子，萧衍不以为然，却成为萧综的一块心病。后吴淑媛把实情告诉萧综：儿啊，你爸是萧宝卷。萧综很有实验精神，刨了亲爹的坟，将自己的血滴在薛宝卷的遗骸上认亲（滴骨亲，血液沁入骨内则是亲生，也没科学道理）。血渗进去了。但是这实验没有阳性对照啊，于是萧综砍死自己一个刚满月的亲儿子，把骨头弄出来进行了进一步的实验。血渗进去了，才真的相信自己是萧宝卷的遗腹子。这……想说幸亏没人告诉他还需要阴性对照，以及重复试验。亲子鉴定的现行方法1、检测目标：微卫星DNA可以用于亲子鉴定的检测目标必须符合两个要素，①在亲子之间能够稳定传递，足够稳定，以便找出其血亲；②在人群中具有很高的多样性，足够独特，以便排除非血亲。人类基因组里，有这么一群DNA片段，称作微卫星（Microsatellite）DNA，可以担此大任。微卫星DNA在动物遗传学中常称“短串联重复序列”（short tandem repeats，STR），是一类串联重复序列，由1~6个碱基组成的短的序列重复出现5~50次而形成。人类基因组中含有数千个STR序列，而这些序列往往存在于非编码DNA中，相比其他DNA序列，STR的突变率较高，且突变的形式以短序列重复的次数增加或减少为主，不被自然选择所淘汰（通俗地讲，不重要的东西，可变余地就很大，好比一个车的轮子只能是圆的，而轮毂的形状则比较自由）。因此，STR在人群中的多态性较高，被称为DNA指纹，适合用作亲子鉴定。某主流品牌的鉴定盒使用的就是15个STR位点加1个性别基因的组合。STR检测个数及位点的选择可根据人种不同和人群大小加以优化，一般均包含CODIS十三个核心位点。基因一般采用牙釉蛋白基因（amelogenin），它在X染色体和在Y染色体上有不同的版本，分别称为AMELX和AMELY，AMELY比AMELX短六个碱基，如此一来，如果扩增得到两个长的DNA产物，则为女性（XX），如果得到一长一短两个扩增产物，则为男性（XY）。图：短串联重复序列STR。在不同人体内，同一个STR位点上的短片段重复次数可能不同（图上依次为重复7~11次）。不同的STR位点的短片段重复单位的碱基数量及序列也不相同（图下碱基重复单位依次为2个到5个）。使用引物（Primer）扩增之后产生的DNA产物片段大小随着SRT重复单位及重复数量的乘积增大而增大（终的扩增片段除了STR序列之外，还包括STR两侧的序列，总片段长度在90~370个碱基对范围内）。[2]CODIS核心STR位点：CODIS（Combined DNA Index System）DNA组合索引系统是美国FBI支持建立的隐私DNA数据库，1998年10月到2016年12月31日，此期间需要登记的核心STR位点有13个，自2017年1月1日起扩增为20个。图：CODIS十三个核心STR位点及其在染色体上的位置（AMEL是性别检测基因）[3]图：某主流试剂盒选用的STR位点及其可检测的等位基因。包含13个CODIS核心位点和D2S1338、D19S433两个额外位点，以及牙釉蛋白基因。等位基因的数值表示该位点短序列重复的次数。例如D8S1179位点有8、9等12种等位基因，某人扩增检测到的等位基因的组合可能性为12x12=144种（二倍体，因此每个位点有两种可能的等位基因），依次可计算每个位点可能的组合。而所有位点可能组合的乘积即为本试剂盒理论可检测STR组合的总数。图：某主流试剂盒所能检测到的全部STR等位基因电泳后的DNA片段大小。在实际试验中，所有的DNA片段都在一个泳道内进行分离，片段短的DNA跑得快，而片段长的DNA跑得慢，这样不同长度的DNA片段就分离开来。有些STR序列扩增长度可能会一样，这时候就需要靠连接在片段上的荧光染料的颜色区分开来了。2、检测手段：PCR现行的STR检测方法主要使用聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）扩增含有特定STR位点序列的DNA片段，并通过电泳的方式检测其长度的方法，来确定STR的重复次数。PCR的原理见环境监测假阳性，为什么难以杜绝？一文第二部分。目前主流使用的试剂盒可在同一试管内扩增15个等位基因和1个基因。使用引物（Primer）扩增之后产生的DNA产物片段大小随着SRT重复单位及重复数量的乘积增大而增大（终的扩增片段除了含有STR序列之外，还包括STR两侧的序列，总片段长度在90~370个碱基对范围内）。扩增之后的产物使用毛细管电泳的方法进行扩增片段的分离检测。3、检测样本：DNA很稳定从唾液到骨骼，再到牙齿以及头发，身体的任何有核细胞中都可以找到核DNA。取少量DNA即可使用PCR技术进行扩增，该技术可对STR的少数靶标进行大量复制，以达到能够检测的DNA扩增片段量。因此，只要能够获得待测对象的DNA，不管什么材料，均可用于检测。通常，亲子鉴定取样的方法类似新冠病毒核酸检测的取样方法，只不过亲子鉴定取样只需要在口腔内壁刮取足量的自体细胞即可。DNA很稳定。对于一些待测对象已经去世的情况，只要不烧成灰，其毛发、骨骼、特别是牙齿牙髓部分，基本都可以获得可用于亲子鉴定的DNA样品。对于毛发来说，含有毛囊的样品要远优于不含毛囊的样本，但是不含毛囊的毛发目前报道也可以用于亲子鉴定（可以选用线粒体DNA或者适用于毛发的DNA提取及扩增技术）[4]。如果无法获取死者遗体样本，也可在死者衣物或私人用品上（比如梳子）获取可用于检测的样品。面对这种情况，可能需要排除样品是否已经被其他人的DNA所污染。现代生物技术的发展可对未出生的胎儿进行无创DNA检测。这种检测是通过静脉穿刺采集母体血液，从而获得“无细胞胎儿DNA”（Cell-free fetal DNA，cffDNA）来进行的。所谓cffDNA是在母体血液中自由循环的胎儿DNA，来源于胚胎滋养细胞。cffDNA分析是一种无创产前诊断方法（遗传病、染色体畸形筛查等），常用于高龄孕妇。妊娠九周后出现的cffDNA也可用于亲子鉴定（是否允许，需要咨询相关人士）。4、仪器耗材：类似于核酸检测配置亲子鉴定所需实验条件基本类似一个核酸检测实验的配置（参考环境监测假阳性，为什么难以杜绝？部分），但需要较好的电泳分析平台。5、结果分析：或可一锤定音，或需更多证据通过扩增并电泳之后，即可得到所检测STR位点的等位基因类型。对待测者之间的等位基因类型进行比较，就可以得到结果了。我们通过以下简化的例子来看一下如何进行分析。个例子是对受害者、犯罪凶器和三个嫌疑人的DNA检测结果进行分析。凶器上的DNA样本可能来源于受害人，也可能来源于罪犯，我们通过条带差异来看，凶器上的条带与受害人样品条带不同，显然来源于受害者之外的人。我们再比对凶器和三个嫌疑人的样本，你找到凶手嫌疑人了吗？图：案例一，谁是凶手？[6]答案如下：第二个例子是鉴定生父的案例（鉴定生母也是一样的做法和原理）。第二列宝宝的DNA检测条带分别来源于条生母以及3、4、5生父候选人之一。比如宝宝的第1、4、5条黑色DNA条带在生母中是不存在的，这个条带继承自生父，而2、3、6条黑色DNA条带继承自生母（生母条带可以对的上）。接下来只需要找到宝宝检测结果中存在，但不存在于生母中的条带，存在于哪个候选爹就可以了。你找到了吗？图：案例二，谁是生父？[7]答案如下：在实际鉴定的操作中，若被测者之间存在亲子关系，则他们的每一个STR位点均存在一个等位基因相同；反过来，若被测者每一个STR位点均存在一个等位基因相同，则存在亲子关系的可能性超过99.99%（实际操作中涉及到亲权指数Combined Paternity Index，CPI的计算和应用，本文未做讨论，但不影响理解所述主题）。那么，如果难以得到确切的父母样本，是否可以通过亲子鉴定的方法，来鉴定兄弟姐妹呢？不论，只要检测其线粒体DNA，且序列一致，则可确定他们是同母的兄弟姐妹，或同母系的表兄弟姐妹（不排除表得很远）。如果是兄弟，检测其Y染色体，序列一致，则可确定是同父的兄弟，或同父系的堂兄弟（不保证堂得多近）。至于其他的染色体，或者STR位点是否匹配，则处于一个概率范围内。例如，不看线粒体DNA的话，理论上一对兄妹或姐弟，在染色体DNA上可以表现为没有任何血缘关系（精、卵配子分别选择的染色体均不相同）。理论上一对夫妇也可以分两次生出染色体DNA完全一致的兄弟或姐妹（年龄不同，但效果却像同卵双胞胎）（精、卵配子分别选择的染色体均相同）。虽然上述情况发生的概率均非常低（考虑到形成配子的过程中染色体还可进行重组，情况更加复杂），真实状况中亲兄弟姐妹的亲缘关系介于上述两种极端情况之间，因此兄弟姐妹间的鉴定结果可信度不定，在血缘鉴定中不是优取材。因此，在实际生活中，亲子鉴定一般需要结合其他证据（父母生育史，亲属证词，或引入更多具有血缘关系的个体加以鉴定和分析）来尽量做出更确切的判断。6、“锁链女”的母系遗传关系是怎样鉴定的？CCTV新闻截图：报告鉴定结论展示，通过60个mtDNA-SNP检测，被检测人之间符合母系遗传关系。（来源|CCTV新闻频道）2月23日，央视新闻播报了“丰县生育八孩女子”事件的调查经过，公安部鉴定中心对“锁链女”杨某侠、光某英的血液样本与小花梅母亲普某玛遗物上提取的生物检材进行DNA检验比对，结论为“普某玛与杨某侠、光某英均符合生物学亲子关系”。新闻视频展示的材料显示，本次检测的对象正是线粒体DNA（mtDNA）。线粒体是位于细胞质内的，进行有氧呼吸、产生“能量货币”ATP的细胞器。线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）是位于线粒体内的DNA，属于核外遗传物质（植物叶绿体也存在DNA）。每个线粒体含有多个拷贝的环状双链mtDNA，每个mtDNA共包含16569个碱基对，其中有37个基因，其大小远远小于核基因组[8]。对动物而言，受精卵中的mtDNA主要遗传自母亲（父系线粒体会在受精卵中降解），因此，mtDNA的母系遗传的特性使得研究者能够借由线粒体DNA，追溯长时间的母系族谱，追踪母系祖先（父系族谱则用Y染色体来进行）。mtDNA突变率比核DNA突变率高，往往在蛋白编码序列密码子第三位发生突变，此外mtDNA还有两个高变区（hypervariable control regions，HVR1及HVR2），因此mtDNA中含有较丰富的单核苷酸多态性（single-nucleotide polymorphisms，SNP），即单个位点的碱基种类在人群中存在不同，因此，借助mtDNA中所含SNP的多少，即可对被测样本的母系遗传进行分析。mtDNA的信息早在1996年被美国法院采纳为证据。目前mtDNA检测可以通过①测定SNP多的HVR1、②测定mtDNA全长序列，或③使用微阵列芯片对整个mtDNA基因组中选定的SNP进行扫描。第二种方式提供的信息为丰富，而第三种方式比较适合大规模商业应用。需要指出，单独靠mtDNA的信息只能确定被检测人之间的母系遗传关系，而不能断定母女、亲姐妹关系（所谓两人存在母系遗传关系是指在不知道哪一辈上，两人有同一个太姥姥）。两个疑似姐妹需要通过分别鉴定获得其亲生母亲信息，或引入更多亲缘关系相近的检测报告才能更好地下结论。另外，鉴定意见（上图）表明，疑似生母与疑似姐妹之一光某英之间存在母女关系，如果再加上疑似生母与被检测人杨某侠（即“铁链女”）之间存在母女关系，则证据链完整。此报告使用的检测方法是核基因组STR检测，其检测STR位点多达23个，优于本文示例所述的试剂盒。
二、亲子鉴定准确度高吗
来源：微信公众“前瞻科技杂志”
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文章
深海海底蕴藏着丰富的矿产资源，对其进行合理的开发利用契合国内经济发展需求，是保障国内战略资源安全和发展高质量海洋经济的重要举措。文章主要回顾了国内外深海矿产资源开发技术进展，分析了关键技术和环境影响挑战，提出深海矿产资源开发应遵循“绿色环保、安全可靠、智能高效”的发展原则，加强深海采矿系统顶设计，突破核心技术装备研发和制造瓶颈，提升深海环境保护意识和监测、修复技术水平。
文章提出要结合国内优势，强化自主创新，把握深海采矿技术装备研发的新机遇，加强合作，促进深海资源可持续利用，培育深海采矿战略新兴产业的发展，支撑海洋强国建设。
文章速览
深海海底蕴藏着地球上远未认知和开发的矿产资源。典型的深海矿产资源包括多金属结核、富钴结壳以及多金属硫化物。
具有商业开采价值的多金属结核资源主要分布在水深0~6000 m的深海平原，从全球分布区域上看，主要集中在东太平洋的克拉里昂—克利珀顿区（Clarion-Clipperton Zone, CC区）、秘鲁海盆和印度洋海盆3个海区。
富钴结壳资源主要分布在800~2500 m水深的海山斜坡和山顶上，是深海生物多样性研究的热点区域。多金属硫化物主要分布于大洋中脊和弧后盆地，其中活动热液区的生物群落通常生物量和丰度较高，优势种的优势度较高。
深海矿产资源开发是一项庞大而复杂的工程，涵盖勘查、采矿、选冶和运输等产业链流程，融合了海底作业、水下输送、动力输配、控制和水面支持的全方位平台和系统装备体系，可能成为人类能够操纵的更大深海作业系统，被视为世界各国科技竞争的前沿领域。目前全球尚无适合商业化开发的深海采矿系统，多数装备仍处于研制和试验阶段。
深海采矿的环境影响一直是社会高度关注的话题。近半个世纪来，一些国家和科学组织针对深海采矿可能引起的环境破坏问题，相继开展了一系列的调查和实验研究工作。发展深海采矿环境影响的监测、评估和环境修复技术，实现深海采矿与环境保护之间的平衡，是深海矿产资源实现商业化开采的必经之。
目前社会参与深海矿产资源勘探开发进度提速，签订合同的数量与日俱增，深海环境保护的呼声日益高涨。作为批矿产资源勘探的先驱投资者，国内先后与海底管理局（International Seabed Authority, ISA）签订了多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物共5份勘探合同，使国内具备了全方位开发“区域”矿产资源的基础和前提。
2016年安康人民深海海底区域资源勘探开发法的正式施行，为国内深海矿产资源开发活动提供了依据，为发展海洋战略新兴产业提供了重大机遇。
国外研究进展
海底金属矿产资源位于深水区，商业开采难度大，通常被认为难以实现。20世纪60年代后期，一些跨国财团进入深海采矿领域，并在70年代末开展了一系列试验，但是由于经济和技术等原因，暂缓对这一领域的深入开发。
进入21世纪后，随着金属价格稳步上升，深海框架逐步健全完善，重要战略资源陆续被发现，深海矿产资源开发迎来新机遇，进入快速发展阶段。
1.1 技术方案与海试验证
深海矿产资源开发方案设计更初主要针对海底多金属结核，提出相应的开发模式，研发核心装备，并通过海试验证可行性。
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图1 典型深海采矿系统方案
海底采矿车是海底矿石开采的核心技术装备之一。多金属结核一般赋存于平坦海底，与海底沉积物共存，可采用机械式、水力式或水力—机械混合等方法采集；富钴结壳生长在基岩表面，一般采用螺旋滚筒将矿石从基岩剥离并破碎和收集；多金属硫化物的采集方式与富钴结壳较为接近，一般首先处理复杂崎岖的地形，开拓采矿台阶，而后完成矿石采集。
管道提升装备用于将矿石从海底输送至海面，一般可采用水力提升或气力提升，即通过提升泵将矿石—海水或矿石—海水—空气的混合物输送到水面支持平台，其核心技术装备为混合物提升泵和管道。一般地，采矿车采集的矿石通过软管输送至水下中继站，破碎后经由扬矿硬管在提升泵的作用下输送至海面。
水面支持平台是深海采矿的集控终端。一方面，矿石输送至水面后在平台进行预处理、脱水、暂存，而后外输至穿梭船；另一方面，水面支持平台保障采矿系统的动力供给、信息通信、导航定位，并作为采矿作业的控制中心。同时，水面支持平台还兼具采矿车、提升泵、管道等水下装备的布放和回收功能。
20世纪70年代，美国、德国、日本等多个国家的公司组成跨国财团联合开发管道提升式深海采矿系统方案。1978年和1979年，各财团于东太平洋CC区多次开展全系统联合海试，集中验证了海底集矿车、泵管提升装备以及系统协调作业的可行性。
其中，海洋管理公司（Ocean Management Incorporated, OMI）在5500 m水深共采集约1000 t多金属结核，是迄今为止从海底采集多金属结核更多的试验。上述海试的成功，验证了管道提升式深海采矿技术方案的可行性，西方发达国家也于该阶段基本完成深海采矿的总体技术储备。然而，受限于当时的政治和经济环境，深海采矿未能跨入商业化进程。
21世纪以来，随着深海的健全、技术装备的快速发展以及环境评估评价的进步，深海采矿技术方案得到迅速发展。比利时全球海洋矿产资源公司（Global Sea Mineral Resources, GSR）针对海底多金属结核提出了完整的深海采矿计划表，于2017年完成4571 m的海试，了世界上首个海底区域多金属结核开采的环境影响评价报告书。
2021年，该公司在太平洋CC区成功采集多金属结核并计划于2028年实现商业化开采。
加拿大鹦鹉螺矿业公司（Nautilus Minerals Incorporated）于2007年启动了全球首个多金属硫化物的商业勘探和开采计划；前期在1700 m水深开展了破碎和采集等原理实验，验证了方案可行性；商业开采系统的海底开采车已完成建造和带水试验。
日本国家石油天然气和金属公司（Japan Oil, Gas and Metals National Corporation, JOGMEC）针对海底多金属硫化物于2012年成功进行1/5商业规模采矿试验，并于2017年在冲绳海槽成功完成全球首次海底多金属硫化物采掘及矿石提升整体联动试验，多金属硫化物采矿技术装备已经具备产业化转化条件。
此外，JOGMEC于2020年在日本专属经济区成功实施了世界首次富钴结壳采矿试验，测试了不同海底条件下采矿车的采矿效率和运行性能，并在试验海域开展环境监测，评估环境影响。
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图2 不同国家的海底采矿车
1.2 深海采矿环境影响评估
深海采矿的环境影响一直是社会高度关注的问题，其主要发生在两个深度带，一是采矿车附近海底，二是尾矿排放点附近。
采矿车移走海底固体矿物，巨型底栖生物将直接受到采矿车作业影响，大多数类群的生物被破坏后难以短期恢复至未扰动前的环境基线水平；激起的沉积物颗粒随底流扩散形成羽状流，持续时间长、扩散范围广，造成水体浊度增大，影响海水透光性及初级生产过程，其中颗粒物黏附在大型生物表面堵塞呼吸系统，重金属等有毒物质对水体生物产生毒害作用；沉积物与水体界面脆弱的化学环境被打乱，以离子态为特征的间隙水混入近底水广泛扩散，对生态系统功能产生长期影响。此外，长期采矿作业过程中将产生光污染和噪声污染。
近半个世纪来，美国、德国、俄罗斯、法国、日本等国家和一些科学组织针对深海采矿可能引起的环境破坏问题，相继开展了一系列环境影响调查和实验研究，对底栖生物，尤其是大型底栖生物的影响和恢复进行了监测和评估，如图3所示。
比较有影响的有1975—1980年美国开展的深海采矿环境研究（DOMES），1988—1993年德国在东南太平洋锰结核区进行的扰动和再迁入实验（DISCOL），1996年的后续项目在东南太平洋深海生态系统中的底栖生物调查（ECOBENT），1991—1998年美国、俄罗斯、日本、印度和海洋金属联合组织等国家和组织合作进行的底影响实验（BIE）。
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图3 深海采矿环境影响实验发展历程
深海采矿的环境影响不可避免。然而，针对深海采矿的环境修复技术仍显著缺失。2002年，ISA召开了海洋科研协作前景的研讨会，启动了卡普兰计划（KAPLAN Project），评估深海海底结核矿带的生物多样性、物种分布和基因流动。借鉴卡普兰计划等研究项目的成果，2008年ISA在14届会议上提出了CC区保护制度的一般设计准则。
欧盟在2015年11月召开了MIDAS（Managing Impacts of Deep Sea Resource Exploitation-FP7/2007-2013）项目研讨会，讨论采矿活动后促进和加速生态系统恢复的缓解和恢复措施。恢复措施应尽量减少影响，避免造成生态系统稳定状态转换，而恢复行动可在采矿试验后尝试。
目前，ISA正在积极推动区域环境管理计划（Regional Environmental Management Plans, REMPs），为相关机构、承包商及其担保国提供积极主动的基于区域的管理工具，在有关的管理地区或需要保护的区域内，找出被认为能代表整个生境、生物多样性和生态系统结构和功能的特定地区，以维持该地区海洋环境的生态平衡，为这些地区提供适当程度的保护，帮助ISA实现商定的目标。
首个REMPs区域是东太平洋CC区，以保护太平洋深海结核采矿目标区的生物多样性和生态系统功能。大西洋中脊REMPs于2018—2020年3次开展探讨会，针对多金属硫化物制定区域环境管理计划，对区域环境管理计划草案的地理范围、环境目标、潜在管理方法和措施及实施框架等进行研究。
国内在2017年首倡于西北太平洋富钴结壳三角区开展区域环境管理计划。
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国内研究进展
国内自20世纪80年代末开始深海采矿技术装备研发，主要采用管道提升式系统方案针对多金属结核开展技术攻关，兼顾富钴结壳和多金属硫化物。
20世纪90年代至今，国内经历了技术方案研发、陆上验证、海上单体海试以及系统联合海试等阶段，尤其是2015年以后，在南海海域进行多次海试，验证了技术方案的可行性。同时，国内在深海采矿技术装备研发过程中越来越重视其对环境的影响，环境监测、评估和修复诸多科学与技术问题得到关注。
2.1 技术方案与原理试验
20世纪90年代，国内针对多金属结核开采，对水力式、复合式两种矿石采集方式，水力提升、气力提升两种扬矿方式开展试验研究，取得了矿石采集与输送的机理、工艺、参数等成果，研发形成基于“水面支持船—管道水力输送—中继站—软管—履带采矿车”的深海采矿系统方案，研制履带自行水力复合式集矿机，并于2001年在云南抚仙湖进行135 m水深湖试。
2005年，国内完成1000 m海试总体设计和各子系统的详细设计，研制了两级高比转速深潜模型泵。2016年，国内首次开展深海采矿单体海试，针对开展深海扬矿泵管输送系统，完成了复杂海况下泵—管系统的布放回收以及多级离心泵粗颗粒矿浆输送，管道布放水深304 m，管道总长638 m，矿浆体积流量500 m3/h，验证了国内深海采矿输送工艺、参数和关键设备设计合理，标志着国内海洋采矿技术的工程实践由陆基转向海洋。
2018年，长沙矿冶研究院等单位联合研制的“鲲龙500”海底采矿车分别在国内东海和南海成功进行了74、514 m水深海试，其水下定位精度达0.72 m，实现了“S”形径采矿作业，实现海底连续无故障行驶。
2021年，上海交通研制的深海重载作业采矿车“开拓一”成功进行1300 m深海试验，验证了海上布放回收姿态控制、海底自主行进控制等技术。
此外，大连理工联合长沙矿冶研究院等国内优势单位共同研制完成国内首套深海矿产智能化混输系统，于2021年在南海北部成功开展海上试验，混输系统下放深度超过500 m，完成了整个系统的布放回收过程。
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图4 国内开展的多金属结核开采技术装备海试
2005年，国内开始对富钴结壳采集装置开始样机试验和数值仿真研究。2016年，长沙矿山研究院研制的富钴结壳采矿头在西太平洋合同区成功开展了现场采掘试验，验证了螺旋滚筒采矿头的可行性；2018年，长沙矿山研究院研制的富钴结壳规模取样器“鲲龙2000”开展2000米级海试（图5），并于2019年完成2900 m水深的声学测厚、行走、截割与采集等综合海试，并采集了150 kg富钴结壳。
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图5 国内开展的富钴结壳开采技术装备海试
2.2 深海采矿环境影响评估
国内从“八五”期间即关注海洋环境方面的研究和海上调查任务，获得环境基线的样品和数据。在广泛调研的基础上，针对上海洋环境研究计划中存在的问题，1996年国内大洋协会提出并制定了“基线及其自然变化”（NaVaBa）计划，并于1997年付诸实施。
通过开展海洋环境基线时空自然变化的调查和研究，对于阐明基线自然变化的范围，区别自然变化和非自然扰动对海洋生态系统的影响，准确评价非自然扰动对生态系统的影响，提供潜在深海采矿的环境影响程度评判的关键参数，以及提供制定有关深海环境保护法规的科学依据等方面均具有重要意义。
2016年，国内颁布实施安康人民深海海底区域资源勘探开发法，规范了国内深海资源勘探开发活动，明确规定环境监测是每个海底采矿项目所必须进行的工作，并针对环境保护制定了严格的环境保护规则、标准和措施，包括：制定预防性办法、推进更佳环境做法、开展环境影响评估、建立环境基线、制定和实施环境监测方案、制定和启动应急预案、采取应急措施、承担污染损害海洋环境的责任等，对推进深海科学技术研究及资源调查、保护深海环境、促进资源可持续利用均具有重要作用。
此外，国内积极参与ISA的区域环境管理计划。2017年，国内大洋协会向ISA提出了合作开展西北太平洋富钴结壳三角区的REMPs倡议，并于2018年在青岛召开西北太平洋富钴结壳REMPs研讨会，对未来工作设想达成初步共识，并建议在ISA协调下尽快启动一个合作计划。2018年，由ISA主办了联合国会议边会，国内大洋协会代表介绍了研讨会成果。
在“十三五”国家重点研发计划“深海多金属结核采矿试验工程”项目的支持下，国内对多金属结核开采试验中产生的羽状流开展数值模拟，初步构建深海矿产开采羽状流理论模型，并于2021年深海采矿联动试验中开展环境监测。目前，国内尚未针对深海采矿作业活动开展环境管理和环境修复工作，需进一步开展相关研究。
2.3 技术状态与差距分析
综合分析，近年来国内深海矿产资源的勘探和开发等技术均取得快速的发展和丰富的成果。随着2021年国内在南海多次单体海试和系统联合海试的成功，国内已经基本具备深海矿产资源勘探开发的总体技术储备。
然而，目前大量的试验仍为原理或样机试验，持续时间较短，对稳定性、可靠性、监测预警以及应急处理的要求不高。针对商业化的开采，国内仍需在技术方案制定、关键设备研发、系统可靠性测试、环境影响与修复研究等诸多方面开展进一步的深入研究与验证。
针对深海采矿的环境评估，国内对多金属结核开采做了大量的调查工作，然而国内的研究仍以采矿活动及其前后的环境调查和监测为主，尚未专门针对采矿环境影响开展全面、系统的原位扰动测试与技术评估，对采矿活动周围环境的物理化学过程、生物多样性影响等尚无明确认识，针对深海采矿的环境评价方法尚未建立，对深海采矿的环境影响程度尚无法进行定量评价。
针对深海采矿共113项关键技术，国内工程院重大咨询项目“海洋装备发展战略研究”利用德尔菲专家问卷调查方法分析了国内外的主要技术实现和社会实现时间，如图6所示。
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图6 深海采矿技术项实现时间
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关键技术和环境影响挑战
3.1 技术装备挑战
1）深海采矿系统极其庞大
深海矿产资源开发是一项庞大且极其复杂的系统工程，涉及矿区资源勘探、采矿作业、矿物预处理以及全过程中的环境保护与恢复，开发过程受严格的环保要求及复杂海洋环境等方面的约束，技术体系极为复杂，其理论支撑、体系结构、作业模式、可靠性及运维技术等环节亟待提高。
2）深水环境条件极端恶劣
深海采矿通常是在水深可达6000 m的海域进行，海洋环境下的风、浪、流以及内波等条件，将对于水面支持船、提升管道、海底采矿车在其安装、生产、维护、风险规避以及回收等各个阶段的正常运作和安全有着重要影响。此外，深海地质、地形、水深、矿石赋存形式的复杂性，对于采矿车海底作业有着巨大挑战。
3）泵管关键设备可靠性不足
长距离输送中，单台提升泵难以满足水深要求，多级提升泵串联则需要实现功率扬程匹配，系统可靠性面临较大挑战。提升泵的耐腐蚀、耐磨损、耐冲击等技术难题仍未解决。矿石提升系统中大颗粒固液两相流存在堵塞风险，在复杂海洋环境中超长管系的动力响应机理还不明确，对于管道系统的可靠性设计研究不够深入。
4）多元信息融合和协同作业困难
海底采矿车定位导航困难，需设计以惯性导航为主，多普勒测速仪、深度计、高度计、声呐、水下摄像装置等传感器为辅的综合导航系统，基于多传感器信息融合技术，实现水下采矿车的精准定位、协同控制和精确跟踪。
目前国产组合导航定位装备和算法的深水定位精度不够；国产大功率深水电缆和光纤技术的稳定性与可靠性有待提高；深海传感器、水密接插件、控制系统等关键元器件较多依赖进口，自有产品的稳定性和可靠性仍需进一步提高。
3.2 环境影响挑战
1）矿区环境基线特征和生态系统认知有限
人类对深海生态系统的调查研究较少，对复杂的深海矿区生态系统的科学认识有限，尤其是深海生态系统的功能、恢复能力、底栖生物的连通性和生物群落的重建等一系列科学问题仍需进一步深入调查和研究。
由于观测时间有限，目前环境基线调查中收集的环境数据很难反映环境自然波动的情况，尚难以区分人为的影响和自然变化的影响。
2）环境影响程度和强度无法准确监测评估
目前商业规模的采矿系统尚未定型，采矿车技术和尾水排放位置未有定论，其对环境扰动的强度也无从评判，商业规模采矿对环境影响程度尚不明确。深海采矿形成的羽流严重程度和空间尺度尚存争议，现场观测数据与预测模型仍不充分。
此外，现有环境监测技术难以满足开发阶段的环境监测要求，亟须开发无人值守、大范围、长时间、低成本监测技术。
3）环境修复技术显著缺乏
采矿活动直接破坏底栖动物的栖息地，且在短时间内很难恢复；深海生态系统无法靠自身恢复原状，且在很长的时间范围内不能达到新的平衡状态。
当前深海生态修复仍处于探索阶段，实践经验不足，尚未有系统的理论基础、技术手段和工程实践，同时深海工程的成本和技术要求都很高，这些都给深海环境修复带来极大的挑战。
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发展趋势与建议
4.1 发展趋势
1）绿色环保
深海矿产资源开发必须满足日益苛刻的环境保护要求，在技术面主要涉及无工作介质排放或泄漏、无废弃物排放、无装备遗弃、无噪声污染、绿色选冶、海洋大规模清洁能源供能以及保护修护技术无二次污染等全过程清洁生产。
迄今为止，ISA已经同国内、日本、俄罗斯、法国、英国、韩国和比利时等国家签订了位于CC区的多金属结核勘探合同，持有勘探许可的承包者都将环境研究作为其履行勘探合同义务的一部分。
2）安全可靠
深海矿产资源开发必须满足人和装备系统的安全性要求，其技术面主要表现为：在极端海况、正常运营以及偶发事件等条件下，人和装备系统的常规和生存安全技术、应急处置措施、应急管理、紧急救援措施与方案等。
满足深海采矿系统及其生产系统在复杂海洋环境条件下持续生产作业的可靠性，主要包括：数据精准、数据及时传输、水下装备和控制系统、水下监测网等长期有效、稳定和持续工作。
3）智能高效
深海矿产资源开发技术需紧跟大数据、互联互通和智能融合等前沿领域，向着智能化方向发展，开展海面—海底、开采—监测—转运、海上—陆地等跨域的多装备共融实施和信息化决策支撑等技术创新。
在技术面具体表现为：生产全链条智能调度、全系统自主协同作业、健康监测、自动危险状态预警、主动避险智能控制等。此外，还包括监测数据智能融合与分析、智能评估与决策、智能控制等方面。
4.2 发展建议
1）加强顶设计，推动深海采矿技术链发展
针对深海矿产资源开发，加强顶设计，做好战略谋划。面向国家战略资源对外依存度高的痛点、难点，针对深海矿产资源多种类型和复杂海域特征，以核心技术创新为驱动，把握世界科技前沿，加快科技自主攻关；重视基础科学研究和基础技术研发，多元化增加海上航时投入，推动深海技术链构建与发展，打造新形势下深海矿产资源开发方面的国内特色。
研究国内深海矿产开发战略政策和配套制度，构建深海矿产开发保障制度体系，建立深海矿产探采决策支持系统。
2）加大研发投入，把握跨越式发展新机遇
在当前严苛环境保护和激烈的资源竞争形势下，谁掌握了核心技术，谁能创造更先进的技术，谁就能在竞争中获得优势。
应对当前的环境保护与资源竞争形势，国内要加大人力、物力的投入，强化和突出技术创新主体地位，按主题、成体系地梳理关键技术，重点布局基础性、前沿性、渗透性较强的技术，提升核心竞争力和控制力。
同时，通过引进已有先进技术，协同作业，重点攻关，推动资源整合，吸收再创新，创造发展深海矿产开发的核心技术、颠覆性技术等超越发展的新机遇。
3）强化自主创新，形成技术装备高质量发展
以国家科技专项为牵引，增强技术装备自主创新能力，重视传感、材料和工艺等基础性、共性的科技研究发展，构建国内深海装备产业链，提升国产装备在深海矿产开发中的主体作用。
同时，国内应充分发挥国内北斗定位与通信、5G网络和大数据等技术的优势，并以生态理念为指导，满足深海矿产资源开发过程中的绿色、高效、智能等需求，发展新型技术，降低深海环境影响，提高经济效益，形成深海矿产开发技术装备的高质量发展。
4）注重合作，提高行业信任度
通过海底区域矿产资源、环境调查等共性技术研究以及标准的研制，提高海洋资源调查和环境保护领域的合作程度，提升国内在海底事务中的话语权。
通过制定合作科学计划，凝聚科研力量，增进对深海生态系统以及深海采矿潜在影响的科学知识的交流。
通过全面参与海底管理局事务，加强管理局作为区域资源和环境管理机构的地位。
同时，加快国家深海采矿立法，塑造深海采矿行业的正面形象，构建社会各界对深海采矿行业的信任。
5）发挥体制机制优势，实施科教产融合创新
充分发挥国内的体制机制优势和在战略性需求建设方面集中力量办大事的能力，以国家立项研发为宏观牵引，实施科研院所、高校与企业的联合攻关，促进深海矿产资源开发的人才队伍、技术装备和经济效益的综合发展。
强化海洋科技人才在深海矿产资源开发科技创新中的核心作用，完善海洋人才建设顶设计，探索适宜国内海洋科技创新发展的人才队伍建设和培养的体制机制，形成各类海洋人才衔接有序、梯次配备、合理分布的格局，打造一支具有创新能力的海洋人才队伍。
结束语
当前，国内海洋科技正在加快从“深海进入”“深海探测”向“深海开发”迈进。作为“深海开发”的标志性工程，国内已在多个方面取得重要进展，但仍有许多亟待突破的关键技术，同时面临巨大的环境保护挑战。
针对深海采矿，建议以绿色环保、安全可靠、智能高效为主要发展目标，加强顶设计，强化自主创新，充分发挥国内北斗、5G和大数据等优势和发挥开展战略性需求建设的体制优势，创造发展核心技术、颠覆性技术装备的新机遇，提升深海生态环境保护意识和监测评估水平，推动技术装备与环境保护兼备的高质量发展，实现深海矿产资源商业化开发。
致谢近200位专家为深海矿产资源开发技术装备发展提供了宝贵的建议，在此表示衷心感谢。
引用本文
李家彪, 王叶剑, 刘磊, 等。 深海矿产资源开发技术发展现状与展望[J]。 前瞻科技, 2022, 1(2): 92-102; doi: 10.3981/j。issn.2097-0781.2022.02.007
全文刊载于前瞻科技2022年第2期“深潜科学与技术专刊”，点击文末“阅读原文”获取全文。
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