富营养化滩涂生物修复研究进展
富营养化滩涂生物修复研究进展
沈辉1,2,万夕和1,何培民2
1.江苏省海洋水产研究所，江苏南通
2.上海海洋大学水产与生命学院，上海
摘要
近年来，随着海水富营养化加剧，滩涂沉积物多项重要理化参数也随之恶化，进而导致滩涂底质生境退化，表现出较为明显的富营养化趋势。为改善和恢复滩涂沉积物的生态环境，国内外学者进行了较多的生物境修复探索研究工作。作者概述了滩涂富营养化的现状及原因，各种滩涂生物修复技术的原理、特点及其修复效果，分析了各类生境修复技术的优缺点。同时，就滩涂生境修复技术在滩涂修复和海洋环境保护领域今后的研究重点进行了展望。
关键词：滩涂；富营养化；生物修复
正文
海洋沉积物作为海洋环境中氮、磷的重要源和汇，对维持海洋生态平衡、修复失衡的海洋生态环境具有重要意义。随着陆源氮、磷与海水养殖废水的排放，水体中氮、磷浓度急剧的上升，其营养盐逐步富集至沉积物，造成了水体及沉积物都出现了富营养化现象。除陆源氮、磷的输入外，过高密度的悬浮性贝类增养殖也是引起滩涂底质环境开始出现富营养化的原因之一。由贝类介导的生物沉降虽然有利于有机物在底质中沉积，但高密度悬浮性贝类增养殖滩涂区域水体交换受到限制，贝类所排出的粪便增加了底质中溶氧的大量消耗，在微生物的作用下，会加速硫的还原、增强反硝化、刺激硝酸盐还原为氨，这一系列的过程对生态环境造成显著影响，进而导致其他底栖生物数量和种类减少，同时使整个养殖生态系统的结构和功能发生改变。
目前，滩涂沉积物富营养化已逐渐引起国际社会的广泛重视，国内外学者对沉积物富营养化生境修复进行了一系列的探索研究，作者就相关研究进行了综述并概述了滩涂富营养化的现状及原因，总结了海岸带滩涂修复的研究进展及发展趋势。
1滩涂的富营养化现状及原因
年《中国海洋环境质量公报》显示，海水中无机氮和活性磷酸盐含量超标导致了近岸局部海域的富营养化。年夏季，呈富营养化状态的海域面积约6.5×km2，其中重度、中度和轻度富营养化海域面积分别为、和km2，重度富营养化海域主要集中在辽东湾、长江口、杭州湾、珠江口的近岸区域。“十一五”以来，沿海主要入海氮磷污染物排放量总体均呈上升趋势，尤其是随着沿海开发战略的逐步落实，呈现较为明显的上升态势。以江苏为例,“十五”末，入海河流总氮(TN)排放量约为2.01×t，至“十一五”末已增至7.69×t,同比增长约%。
由于近岸水体中较高含量营养盐的刺激，浮游植物生产力和生产量增加，水体中溶氧大量被消耗，厌氧细菌迅速繁殖，引起底层海水出现无氧和缺氧状态，逐步演变成永久无氧区，生物多样性出现大幅度下降，导致滩涂底质生境退化。据年《中国海洋环境质量公报》显示，近岸典型海洋生态系统如河口、海湾、滩涂湿地、珊瑚礁、红树林和海草床等分别处于健康、亚健康和不健康状态的海洋生态系统约占23%、67%和10%；另外，公报中还指出，苏北浅滩滩涂湿地生态系统呈亚健康状态，其原因主要是由于苏北浅滩湿地滩涂围垦，现有滩涂植被面积较上年减少近一半，浮游植物密度和浮游动物生物量高于正常范围，进而导致了滩涂生态系统退化的现象。
导致滩涂底质生境退化的因素较为复杂，但从本质上分析，主要由于滩涂底质系统物质和能量输入与输出不平衡所造成，与其自净能力弱、环境容量小、易形成物质(氮、磷及衍生的有毒有害物质)积累关系最为密切。
2富营养化生物修复研究进展
2.1生物修复
生物修复是指利用生物特别是微生物，将存在于土壤、地下水和海洋等环境中的有毒、有害的污染物降解为二氧化碳和水，或转化为无害物质，从而使污染生物环境修复为正常生态环境的工程技术体系。生物修复的类型主要分为原位、易位及原位-易位联合3种生物修复。在已报道的研究中主要以原位修复为主，包括生物翻耕法、植物修复法、微生物修复、生物扰动法等。如红树林湿地营造技术、滨海湿地污染物消减技术、大型海藻水质净化技术、海水生态浮床技术、利用贝类或多毛类修复滩涂和浅海环境的技术等一系列行之有效的海洋生物修复技术。
2.2生物修复的研究进展
2.2.1植物修复
直接或间接地利用植物去除污染物的技术被称为植物修复,主要通过3种机制去除环境中的有机污染物，即直接吸收、刺激植物根区微生物活性及增强根区的矿化作用。
2.2.1.1大型海藻修复
大型海藻因特殊的生理功能在研究高效去除氮、磷等污染物的富营养化防治技术中受到极大地推广。大量海藻作为水体营养盐的过滤器,优先利用水体中的PO43–，NH4+和NO3–等无机盐离子，并吸收CO2，产生O2，对平衡水体生态环境具有积极的影响。大型藻的营养贮存机制与浮游植物相比,更适合在营养盐波动的水体环境中生长。人工栽培海藻易形成规模，快速生长的同时能从周围环境水体中大量吸收氮、磷及铅、镉、锌等重金属，释放出氧气，调节水体pH值，并在水生生态系统的碳循环中发挥重要作用。据研究报道，江蓠、紫菜、海带及浒苔等大型海藻都具有较强的营养盐吸收能力，每千克江蓠、紫菜、海带及浒苔可利用氮盐的能力分别为50-60g、50-60g、30-40g及45g。
采用大型藻类处理封闭海水养殖系统的废水始于20世纪70年代中期，由于该方法可以有效减少环境对溶解态营养物质的负荷量，因此20世纪90年代欧盟率先启动了有关富营养化和大型海藻的EUMAC研究计划，对波罗的海到地中海欧洲沿岸海的海藻在海区富营养化过程中的响应和作用进行了研究与分析，这些研究成果逐渐发展和完善了鱼、虾、贝类和大型海藻等多种生物混养的综合养殖模式。在过去几十年里，中国一直具有大面积的经济海藻栽培，在兼顾经济效益的同时又达到了平衡生态系统的作用。近年来，进行了利用栽培海藻防治富营养化及赤潮暴发机制的研究。He等对紫菜养殖期间水体中的氨氮、亚硝态氮及硝态氮的平均浓度进行了监测，结果表明，紫菜的生长吸收作用可以使栽培区的水质中的无机氮大幅度地降低，从而使水质由从劣Ⅳ类改善至Ⅰ-Ⅱ类。Huo等开展了红藻对网箱养殖海区的生态修复及生态养殖匹配模式的研究，基于这个模式条件下，养殖海区的营养盐指标具有大幅度地下降。龙须菜也具有同样的水体净化作用，其大规模的栽培会对浅海贝类养殖区的底质环境有所改善，并有一定的生态调控作用。大型海藻除了直接吸收营养作用外，其大规模生长会阻碍光线的传输并间接减弱浅海区底层小型藻类的光合反应，增加藻类沉积并因此而造成沉积物中溶解氧消耗量的增加，有利于反硝化作用的进行，从而降低了沉积物中的无机氮含量。
2.2.1.2陆生植物修复
因滩涂环境具有高盐和浸没的特性，在此环境特征中可生存的植物种类较少，因此较少陆生植物可供修复应用。目前在滩涂岸基处能较好生存的植物有大米草、互花米草、海滨锦葵及海蓬子等。大米草是盐沼湿地先锋物种之一，中国于年引入，由于其适应高盐的生理学特点，已成为中国海岸带湿地植被的优势群落之一。
大米草区除了具有改善土壤结构，增加土壤透气性，减弱土壤厌氧呼吸的作用外，还可以大幅度地提高沙蚕的生物量。大米草具有发达的根系，可以适应较为复杂的生态环境，如土壤的盐度变化、潮汐周期、及土壤中溶氧的剧烈变化等。大米草区除了具有较强的降解水体中有机物的能力外，还可以很大程度上分解和吸收大型植物的有机碎屑，从而平衡水体和沉积物的生态环境。另外，Sousa等从应用大米草对河口生态修复的研究中发现，大米草主要对氮的吸收能力较强，可以有效地平衡滩涂底质中氮盐，达到降低水体富营养化的目的。大米草和互花米草因具有很强的生长优势且难以被清除的特点，被归类为入侵物种，因此应用到生态修复的研究领域备受广大学者争议。作者认为在滩涂环境较少植物生存的特殊环境条件下，合理地应用大米草和互花米草对生态环境的修复具有利大弊小的作用。例如，美国学者采用“梯田湿地”技术种植互花米草及其他湿地植被，对海岸浅海区域建造缓坡状湿地加以保护，从而达到修复海岸带生态环境之目的。
海蓬子具有耐盐碱胁迫的生理学特点，海滨锦葵自然分布于美国含盐沼泽，被引入中国，在江苏海堤滩涂区多年栽种试验表明，该植物能较好地适应江苏滩涂沉积物环境，具有优良的耐盐碱能力，已被广泛地做为蔬菜、药材等开发利用。海蓬子可以适应较大盐度范围的土壤环境，细胞内的各种反应产生超氧自由基、过氧化氢和单线态氧等，保护细胞膜、抵抗盐分胁迫造成的氧化逆境。即使在不同盐度条件下，海蓬子也可以适应出新的耐盐机制。海蓬子也作为生物过滤器应用到海水养殖废水的营养盐去除研究中，且这种养殖与种植相结合的生态模式也日益得到人们的河北治疗白癜风医院北京治白癜风专科医院
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