论大型海藻对富营养化海水养殖区生物的修复

摘要：当前，中国的多数海水养殖区富营养化相当严重。富营养化可引发赤潮和养殖动物病害，给养殖业带来巨大损失。海带、龙须菜、条斑紫菜等大型海藻，生产力很高，在生长过程中可大量吸收C,N,P等生源要素，在水生态系统碳循环和减缓富营养化方面有很重要的作用。此外，海藻产品可食用、作为饲料、工业原料和有机肥料，是具有较高价值的商品。大规模栽培大型海藻是减轻养殖区富营养化的有效途径之一。

　　关键词：海藻栽培；海水养殖；富营养化；生物修复

　　21世纪被称为海洋和生物世纪。美、英、日、法等国家相继提出了优先发展海洋科学和海洋高新技术，以增强其开发管理海洋的能力。被誉为“蓝色”的水产养殖业，作为缓解人类对食物的需求压力，避免对海洋捕捞资源过度开发的重要手段，备受世界关注[1-3]。近年来，我国海水养殖业发展迅速，养殖产量从1980年的78×104t增加到1999年的974×104t,已连续多年居世界首位。由于受经济利益驱动，我国鱼、虾、贝类等经济动物的养殖得到空前发展，但随之带来的养殖动物的粪便和残饵等已成为养殖海域的重要污染源[4-5]。学者们针对我国海水养殖区存在的主要生态环境问题，提出用大型海藻对富营养化海域进行生物修复。本文就相关研究进行了综述。

1.我国海水养殖区的主要生态环境问题

海水养殖对水环境有重要影响。Lam通过对海域24个鱼类养殖区进行调查，结果表明残饵和鱼类粪便的积累，是导致养殖区水体和底泥环境有机物、营养物含量增加的主要原因[1]。养殖过程中的自身污染物输出，主要包括未食饵料、粪便和排泄物等。许多研究证实，网箱养鱼过程中以渔产品形式收获的营养物质一般仅占投喂饵料营养物质总量的30%左右，其余部分均以不同的养殖废物（未食饵料、粪便和排泄物）形式（固态营养物或溶解态营养物）排入环境中，导致养殖水体污染。固态营养物常沉积于水底，使网箱下方底质中C、N、P等含量和耗氧量明显增加，进而导致底质化学特性、底层浮游生物和底栖动物群落结构发生改变；而溶解态营养物则直接作用于养殖区域，使网箱区N,P,C及浮游植物数量增加，水体透明度降低，导致养殖水域水质恶化[6-10]。随着养殖规模和养殖密度的扩大，海水养殖对水环境的生态学效应并由此带来的渔业管理问题引起了、管理学家、科学家和养殖者的广泛关注。主要环境问题包括：（1）许多养殖区多设在风浪小、水流平缓的内湾或有人工防波堤的半封闭性海湾。湾内水浅，养殖区筏架和网衣使水流速度明显减慢，污染物不能尽快地通过水交换输出湾外，由于长期积累而超过了环境容量。（2）为了提高产量，养殖者大量投喂冰鲜小杂鱼等饵料，许多未被鱼类食用的残饵沉入水底，与粪便、排泄物一起堆积于网箱底部，导致底质淤泥变黑发臭，养殖区底层水体高度富营养化。（3）养殖区自身污染严重，常引起浮游生物数量异常增殖，病害和赤潮频发，严重影响海水养殖业的发展。据报道，南海区海水网箱养殖水域在开始养殖后短则2～3年，长则3～5年就会出现不同程度的老化。其特征是：网箱养殖水域营养指数偏高，与非养殖水域相比相差几倍至几十倍；下层水体贫氧；表层沉积物中硫化物、有机质和营养盐量水平很高[4,8]。

　　基于我国海水养殖存在的上述问题，如何改善目前养殖区的水质状况、研究快速消除养殖环境中N、P等污染物的方法、恢复和优化养殖环境、使海水养殖业可持续发展，这是摆在我们面前非常现实的研究课题。

2.海藻栽培与富营养化水域的生物修复技术

2.1海藻栽培业的发展状况

　　大型海藻是非常重要的可更新资源，它们可广泛用作食品、饲料、琼胶工业原料和土壤肥料等。因此，对大型海藻的研究和开发利用已经在中国、日本、韩国、智利、美国、瑞典、巴西、以色列、墨西哥、菲律宾、印度、南非等国家蓬勃开展起来[2,11-13]。自20世纪50年代以来，我国科学家开展了海藻栽培生物学的研究。曾先后在山东、江苏、浙江、广东和福建等海域开展了海带、紫菜、裙带菜、龙须菜等海藻的生物学研究和栽培实验，极大地促进了海藻栽培业的发展。到20世纪90年代末期，我国紫菜的最高产量已超过15000kg/ha（甩干菜），龙须菜的产量达到50000kg/ha（湿重）。龙须菜在2～5个月的适温期内，可增重250～800倍。龙须菜是适于近海大规模栽培的优良品种之一。

　　智利是将海藻开发列为重要经济活动的国家之一。20世纪80～90年代，全国的海藻产量翻了一番。80年代初期的产量为74500t（湿重），1991年增加到160600t。同期海藻的出口产值增加了300%,出口创汇由1980年的1800万美元增加到1991年的5200万美元[14]。1996年的海藻产量达到322000t[15]。在众多的海藻中，江蓠因为产量大、经济价值高、能净化水环境，现已发展成为最重要的栽培对象之一[16]。智利科学家通过栽培技术改造，品种遗传改良和疾病控制等措施，使人工栽培的产量占总产量的比例由1988年的39%上升到1991年的84%[14]。

　　目前，世界上人工栽培的海藻总产量（按鲜重计）约为635×104t,其中海带310×104t,裙带菜220×104t,紫菜75×104t,江蓠10×104t,麒麟菜10×104t,其它海藻10×104t。世界上人工栽培海藻的面积约20×104hm2,总产值在30亿美元以上[17-18]。

　　2.2生物修复

　　生物修复（Bioremediation）一词是指利用自然界中某些生物对污染物的吸收、降解和转移等作用，达到减少或最终消除环境污染，使受损生态系统得以恢复的过程。自然水体的自净过程主要是微生物的作用。因此，人们也将微生物降解有机污染而消除污染和净化环境的过程称之为生物修复。但人们担心人工生产微生物的安全性以及应用到环境中再次引起污染的问题。现在，人们普遍能够接受的、更加安全可靠的方法是利用植物对环境进行修复，即植物修复（Photoremediation）技术。植物具有庞大的叶冠、丝状体、根系、固着器等器官和结构，在水体和土壤中，与环境之间进行着复杂的物质交流和能量流动，因而在维持生态系统平衡中起着重要作用。

　　生物修复可分为原位生物修复（insitubioremediation）和异位生物修复（exsitubioremediation）2类，前者主要用于水域、耕地的环境修复，后者主要用于工业和生活废水的处理[19]。欧洲等国家从20世纪80年代中期就开始对生物修复进行研究，并完成了一些实际的研究项目和处理工程，取得了明显的效果。例如，90年代以来，欧盟启动了有关富营养化和大型海藻的EUMAC研究计划，研究水域跨越波罗的海到地中海的欧洲沿岸海区，以研究海藻在海区富营养化过程中的响应和作用[20]。瑞典科学家Haglund和Pedersen[2]和智利科学家Troell等[21]通过在鱼类养殖区栽培江蓠，利用鱼类养殖过程中产生的废物作为海藻生长的营养源，从而降低养殖水域中N和P的浓度，同时提高了单位水体综合养殖的经济效益。研究显示，1ha的海区每年可生产江蓠258t,通过江蓠的收获，可去除1020kgN和374kgP[2,21]。Troell等[22]还证实，江蓠与大麻哈鱼共养，可去除鱼类养殖过程中排放到环境中可溶性铵的50%～95%[22]。大型海藻是海洋环境中非常有效的生物过滤器。

　　表1为几种常见海藻的产量和C,N和P含量比较。从表1可以算出，每收获1t紫菜鲜藻，从水体转移出的N、P分别为6.2和0.6kg。这些数字表明，大型海藻可以真正意义上消除营养负荷，并且生物修复效应非常明显。实践证明，生物修复技术投资费用省，对环境影响小，是既安全又经济的方法。在大型海藻与鱼类共养的水体中，通过控制海藻的生物量，可有效地降低营养物的浓度，维持水体中的溶氧量，降低鱼类发生窒息和水质恶化的危险性，从而保证养殖活动安全有序[9]。在我国，根据养殖区的现状，探索并实施在海水鱼、贝类养殖区中，混、套养大型海藻的技术，使养殖区动物性养殖和大型海藻栽培平衡发展。

　　利用大型海藻的生物修复功能，改善养殖区的水环境质量，是实现我国海水养殖可持续发展的有效途径。

　　大型海藻规模化栽培可以改善养殖环境，机理如下：

　　（1）大型海藻的生理特点是通过光能进行光合作用。在生长过程中可大量吸收C,N,P等生源要素。规模化栽培海藻不仅可有效降低N,P等营养物的浓度，而且在水生态系统碳循环中具有重要作用。

　　（2）人工栽培海藻的生长速度快，单位面积产量很高，且海藻产品容易收获。通过海藻吸收并固定的N和P等营养物质由海洋转移到陆地，可大大降低养殖水域营养物质含量，具有很好的环境效益。

　　（3）大型海藻的生命周期较长。在同一海区，可根据不同海藻的生活习性和季节变化，交替栽培龙须菜、条斑紫菜等优良海藻品种，通过将海藻收获上岸，以达到净化水质的目的。

3.结语

近年来，水体富营养化问题已经成为世界性的环境问题。海域污染来源复杂，营养物质去除相当困难。如何有效控制水体富营养化过程，找到1种治理效率高、费用低、可操作性强的技术和工艺，这是摆在科学家、和管理学者面前的1个非常现实的课题。已有的研究证实，在富营养化海水养殖区栽培大型海藻，是1种对环境进行原位修复的有效手段，是保护环境的优良办法。规模化栽培海藻不仅可有效降低N,P等营养物的浓度，而且通过大型海藻的光合固碳，构成水域初级生产力的基础，在水生态系统碳循环中具有重要作用[11,22-24]。因此，加强大型海藻栽培与环境相互关系的基础和应用技术研究，筛选出高效修复富营养化水域的大型海藻作为生态环境材料，通过实施海藻栽培工程，使退化的养殖海域得以修复，将对我国海水养殖业的可持续发展产生深远影响。

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