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满满成果,展现创新无限魅力——2020年度国家科学技术奖获奖项目亮点解读

2021年11月04日来源:科技日报

本报记者 付丽丽 何 亮

2020年,是极不平凡的一年。全国上下力克疫情影响,“十三五”圆满收官,“十四五”全面擘画,高质量发展深入推进,科技创新的力量让我们的生活焕然一新。

这一年,科技创新成果颇丰——煤制油技术打破国外垄断、国产核酸检测利器为抗击新型冠状病毒肺炎疫情提供重磅武器、海洋钻井技术推动油气开采由浅水迈向深水……

11月3日的人民大会堂,灯光璀璨、气氛热烈,科技界的盛会——2020年度国家科学技术奖励大会隆重召开。

此次获奖的“大明星”,有的解决了世界性难题,有的填补了国内空白,有的达到了国际领先水平。它们服务于国计民生,将颠覆和超越进行到底,用智慧点缀我们的生活。让我们把目光投向这些智慧与汗水的结晶,一同感受科技带来的魅力之光。

打破垄断

实现煤制油技术“中国造”

能源,是一个国家安全的基石和强盛的动力,随着经济的快速发展,我国石油对外依赖度逐年上升。同时,世界主要能源输出地区政治不稳定,石油运输通道受到威胁。

“我国的能源禀赋是缺油少气、煤炭资源相对丰富,这决定了煤炭成为我国最安全可靠的能源保障。大力发展煤制油产业,是我国应对外部石油封锁、提升油品保障能力的现实选择。”国家能源集团宁夏煤业有限责任公司项目团队负责人介绍说。

为了打破煤制油技术长期被国外垄断的局面,坚韧敢闯的“宁煤人”迎难而上,在中科合成油16万吨费托合成技术成功示范的基础上,联合国内20余家企业和科研院所致力于百万吨级煤制油技术的攻关研发,实现了煤制油化工技术“中国造”。

2013年9月,400万吨/年煤间接液化项目核准批复。广大建设者冬冒寒风、夏顶烈日,日夜奋战在建设第一线。项目团队强化自主创新,解决了1000余个子系统、156个系统组成的复杂巨系统所带来的工艺配置、系统集成及工程放大技术难题,在国内外专家看来需要60个月才能建成的项目,“宁煤人”仅用39个月就完成了。

400万吨/年煤间接液化项目规模大、工艺复杂、技术创新多,管理难度之大可想而知,宁夏煤业有限责任公司大力开展系统优化和技术攻关,实现了项目安、稳、长、满、优运行,煤耗、水耗优于国家先进值,综合能耗、能源转化效率优于国家基准值,锅炉烟气实现超低排放,污水实现近零排放,创造了同类装置世界领先水平。

煤制油项目国产化率达98.5%,大大超过国家85%的国产化要求。“项目的国产化示范应用,不仅终结了进口技术和装备制造产品的暴利时代,还推动了民族装备制造企业跨越式发展,一批国内企业和科研院所在合力攻关的过程中共同成长,使‘中国技术、中国制造’扬眉吐气。”项目负责人说。

11月3日,“400万吨/年煤间接液化成套技术创新开发及产业化”项目荣获2020年度国家科技进步奖一等奖。

填补空白

铸国产核酸检测利器

2019年底,在全球范围内肆虐至今的新型冠状病毒肺炎疫情突如其来,给人民生命健康带来严重威胁。

如今,核酸检测作为疫情防控的关键环节和对抗疫情的重要武器,已广为人知。

事实上,作为新冠病毒等病原体检测确诊“金标准”的实时荧光定量PCR核酸检测是一种先进的分子诊断技术和方法,不仅是病原体检测的必备技术,也是提升人和动物重大传染病防控应急能力、精准医学诊疗和检验检疫水平的关键。

然而,长久以来,我国高端的高通量多靶标核酸检测仪器设备一直依赖进口。为打破这种限制,西安交通大学彭年才教授团队深耕核酸检测仪器试剂关键技术,解决了核酸提取易交叉污染、快速热循环基因扩增温度均匀性差以及高通量荧光检测速度和灵敏度相互制约等系列技术难题,研制出96通量6通道的高通量多靶标实时荧光定量PCR检测系统和全自动核酸提取工作站等5类12个型号的仪器产品,形成了一体化的核酸自动化检测系统解决方案和产品组合,填补了国内空白。

11月3日,“高通量多靶标核酸自动化定量检测关键技术及产业化应用”项目荣获2020年度国家科技进步奖二等奖。

该成果先后在禽流感、埃博拉、猪瘟、新型冠状病毒肺炎等重大突发传染病疫情防控中发挥了重要作用。彭年才介绍:“我们将继续面向核酸检测前沿技术努力攻关,针对新型冠状病毒大规模人群核酸筛查中发现的新问题、提出的新要求,研发检测通量更高、灵敏度更好、检测时间更短、自动化程度更强的核酸检测设备,并努力降低成本和使用要求。为进一步促进核酸检测分子诊断技术服务人类健康事业,实现科学技术高水平自立自强添砖加瓦。”

自主创新

海洋钻井由浅水迈向深水

南海深水油气资源丰富,是我国能源的重要接替区,拥有自主创新的深水钻井关键技术十分重要。

“我国的海洋钻井起步很晚,1982年以前,我国的海洋钻井水深只有几十米到100米。到2006年,我国的海洋钻井水深才300米左右,而国外已经达到2千米以上,与国际差距非常大。”“海洋深水浅层钻井关键技术及工业化应用”项目第一完成人杨进介绍,这迫使中国的海洋石油科研工作者刻苦钻研,奋斗拼搏,提高我国海洋油气科技能力,努力追赶国际水平。

南海作为我国海洋国土的重要组成部分,油气资源量高达350亿吨。南海深水油气资源的勘探开发,对保障我国能源供应具有重要意义。深海油气开发中,深水浅层钻井十分关键,属于世界级难题。在国家自然科学基金重点项目、国家重大专项、863计划的支持下,历经14年产学研用联合攻关,杨进团队在深水浅层钻井设计、作业控制、关键装备方面实现了重大突破——发明了钻井参数与时间协同的钻井设计技术,形成首部ISO国际标准DIS稿;发明了三合一安全高效钻井作业控制技术,深水浅层钻井平均作业时间由10天降至4.5天;发明了高承载、高效率深水浅层钻井作业关键装备,实现关键装备产业化。

应用该技术成果钻探发现了5个大中型深水油气田,高效完成了我国首个自主作业的深水气田——深海一号气田浅层钻井作业。2012年至今,该技术在我国全部自主作业的深水井成功应用,并推广至全球典型深水区块95口井。项目成果主要技术指标达国际领先水平,使我国跻身于世界深水钻井先进行列,实现了我国海洋钻井从浅水到深水的重大跨越并为保障国家能源安全奠定了坚实的技术基础。

11月3日,“海洋深水浅层钻井关键技术及工业化应用”项目荣获2020年度国家技术发明奖二等奖。

精准预防

消除麻风危害

麻风是古老的传染病,经呼吸道传播,可致残、毁容,一旦患病,往往需要长期甚至终生治疗。因此,千百年来,人们谈“麻”色变。

围绕“消除麻风危害”的世界级医学难题,山东第一医科大学附属皮肤病医院张福仁课题组联合国内外专家展开科研攻关,历时10年,发现了麻风危害发生的内在因素,揭示了麻风发病的免疫遗传学机制。“这些发现不仅为消除麻风危害奠定了科学基础,也揭示了人类疾病谱由慢性感染性疾病向自身免疫性疾病变迁的规律。”张福仁说。

张福仁介绍,麻风是由麻风分枝杆菌感染人体,选择性破坏皮肤和外周神经,导致毁容、残疾的慢性传染病,潜伏期可长达30年。患者在出现典型症状前难以诊断,而一旦发生典型症状,往往已经残疾。流行病学研究发现,麻风感染者中最终发病者不足1%,如何在症状出现前“锁定”这1%的高危个体,采取精准预防,是亟须解决的关键科学问题。

为此,项目组广泛收集麻风样本,建立生物资源库;依托资源库开展国内外大合作,发现了一系列麻风发病风险因子,解释了为什么只有不足1%的特定感染者最终发展成病人,这对于消除千百年来公众对麻风传染的恐慌具有划时代的意义;基于遗传学发现,绘制了麻风遗传学图谱,构建了麻风发病风险预测模型,可有效锁定麻风发病高危个体,实施精准预防和症状前治疗;此外,项目组还完成了消除麻风危害的另一个关键工程——发现了氨苯砜综合征(DHS)发生的风险位点,并对其发生机制进行系统探索。

值得一提的是,研究还发现了麻风与自身免疫性疾病共有的多效性基因,揭示了人类疾病谱由慢性感染性疾病向自身免疫性疾病变迁的规律。

11月3日,“麻风危害发生的免疫遗传学机制”项目荣获2020年度国家自然科学奖二等奖。

创新技术

肺癌早发现早治疗

肺癌是我国发病率和死亡率均位居第一位的恶性肿瘤,被称为全球头号癌症杀手,严重威胁人民群众生命健康。对于发现早期肺癌,世界各国均推荐低剂量螺旋CT(LDCT)进行肺癌筛查。

四川大学华西医院李为民教授及其团队长期研究发现,与国外肺癌患者不同,中国肺癌患者具有特异性的分子特征。40岁以上人群如具有一种高危因素如吸烟、肿瘤家族史、职业暴露等,应通过低剂量螺旋CT(LDCT)进行肺癌筛查。

针对早期肺癌易漏诊、误诊的瓶颈,以及临床缺乏高敏感性、高特异性早期肺癌分子标志物的现状,团队从早期肺癌患者的血浆中筛选证实BAI-1、TSP-1等4个蛋白质分子,将其作为新的标志物,实现早期肺癌诊断敏感性达80%以上,高于常用标志物(敏感性<50%)。这一成果获发明专利10项并进行了临床转化。

同时,团队创新了肺部病灶人工智能(AI)自动/半自动标注技术、深度卷积神经网络分割和分类算法,研发出了肺癌AI辅助诊断系统,1分钟即可实现结节定位识别和定性辅助诊断,对3—5毫米肺小结节检出准确率达98.8%,大幅提高了小于1厘米肺部小结节的早期肺癌诊断率。

通过科技攻关、集成创新,团队创立了“确立高危、规范筛查、系统评估、精准诊断、早期治疗”的肺癌早诊早治体系,使手术可治愈的早期肺癌(ⅠA1期)诊断率提高了10倍,达到11.82%(全球仅1.1%),ⅠA期肺癌诊断率从2011年的26.48%提高至2018年的60.78%。实现肺癌早期诊断率和5年生存率“双提升”的目标。

11月3日,“肺癌早期精准诊断关键技术的建立与临床应用”项目荣获国家科技进步奖二等奖。

提升质量

南方森林生产力获得新“增长点”

南方森林是我国储备林基地建设的主体,也是长江经济带的重要生态安全屏障。然而,长期一味追求木材生产的单一目标,导致南方出现了大面积低质低效的人工林和退化的天然次生林,森林质量及功能严重下降。

如何精准提高森林质量、协同提升生产与生态功能?中国林业科学研究院刘世荣研究员团队以南方典型松、杉、桉低效人工纯林和低质次生林为对象,围绕木材生产、固碳增汇、地力维持和水源涵养等多功能协同提升的关键经营技术问题,开展生态系统定位研究与多树种、多模式和多目标的森林经营试验示范。

历时20余年,项目团队首次提出了基于树种多样性及特定功能树种组配提升森林生态系统多功能性的理论,创建了引入珍贵树种改培松、杉、桉人工纯林的多功能经营技术体系、基于生态轮伐期的大径材培育及多功能权衡与协同提升的技术体系,缩短了珍贵树种大径材培育周期,提高了大径材比例,成功解决了低效人工林经营出现的地力衰退和长期生产力下降问题,以及发展珍贵树种混交林树种配置及大径材定向培育精准调控等多项关键共性技术问题。

刘世荣表示:“该项研究促进了从追求木材产量的单一目标经营到提升生态系统服务质量和效益的多功能经营的转向,提高了我国南方森林经营的科学性、针对性和可操作性,为我国森林质量精准提升提供了技术保障。”

据了解,项目成果在《全国森林经营规划(2016—2050)》、“森林质量精准提升工程”中得到应用采纳。在南方11省区森林质量精准提升工程推广121万公顷,新增珍贵木材产值903亿元,提升碳储量1.06亿吨。

11月3日,“南方典型森林生态系统多功能经营关键技术与应用”项目荣获2020年度国家科技进步奖二等奖。

探索宇宙

找到更好的“量天尺”

晴朗无月的夜晚,当我们仰望星空,一定会被一条广袤深邃、绚丽神秘的光带所吸引,这就是太阳系的家园——银河系。

自1785年赫歇尔首次提出银河系是一个扁平的盘状结构以来,有关银河系旋臂结构的研究已有200年历史,但直到20世纪末,人类也只能精准测定300光年内的天体的距离,而且越远的恒星受到尘埃和气体的遮挡就越严重。因此有关银河系旋臂的数目、位置和形态等问题,200多年来一直存在很大争议。

“在大质量恒星形成时,会发射一种射电波段的宇宙激光,这就是‘脉泽’。它可以穿透气体和尘埃。而且脉泽的信号很强,以至于离我们非常遥远,也可以被观测到。”中国科学院(以下简称中科院)紫金山天文台青海观测站项目组发现了甲醇脉泽是定位银河系旋臂极好的“灯塔”,只要测定它们的距离,就可以描绘出旋臂。

中科院紫金山天文台青海观测站项目组提出,用世界上分辨率最高的望远镜——由横跨美国的10台口径25米的射电望远镜组成的甚长基线干涉阵(VLBA),测量甲醇脉泽的距离和运动,就可以研究银河系旋臂结构和运动学性质这一开创性的学术观点。

通过一年内5次测量,项目组精准测定了银河系英仙臂的距离,测量精度比当时的依巴谷卫星提高了两个数量级,彻底解决了关于英仙臂距离的长期争论;2006—2016年,项目组首次精确描绘了太阳附近的旋臂结构,发现了银河系新旋臂——本地臂,彻底排除天文界长期以来认为太阳不在旋臂上的观点,也标志着直接测量银河系旋臂结构变为现实。

11月3日,“基于高精度脉泽天体测量的银河系旋臂结构研究”项目荣获2020年度国家自然科学奖二等奖。