海洋污染和赤潮現(xiàn)象

第十二章 海洋污染和赤潮現(xiàn)象 學習目的 掌握海洋污染的特點、污染物質(zhì)遷移、轉(zhuǎn)化 過程、海洋的自凈機理和環(huán)境容量概念 . 了解海洋污染的個體、種群和群落的生物學 效應以及海洋污染的生物監(jiān)測方法。 了解赤潮現(xiàn)象概念及其危害、赤潮發(fā)生的原 因和基本過程以及赤潮預報的理化、生物學 依據(jù)，同時明確預防赤潮的基本對策。 第一節(jié) 海洋污染概述 一、海洋污染和污染物質(zhì)的遷移與轉(zhuǎn)化 （ 一 ） 海洋污染的定義及其特點 海洋污染的定義： 由于人類活動，直接或間接地把物質(zhì)或能量引入海洋環(huán)境， 造成或可能造成損害海洋生物資源、危害人類健康、妨礙海 洋活動（包括漁業(yè)）、損壞海水和海洋環(huán)境質(zhì)量等的有害影 響，稱為 海洋污染（ marine pollution） 。 海洋污染的特點 1污染源廣： 人類活動所產(chǎn)生的污染物質(zhì)多種多樣，所有這些污染物質(zhì)除直 接排放入海外，還可通過江河徑流、大氣擴散和雨雪沉降而進入海洋，所以有人稱海洋是陸上一 切污染物的 “ 垃圾桶 ” 。 2持續(xù)性強、危害大： 海洋是最低的區(qū)域，只能接受來自大氣和 陸地的污染物質(zhì)，很難再從海洋轉(zhuǎn)移出去。一些不能溶解和不易分解的物質(zhì)（如重金屬和有機氯 農(nóng)藥）會長期在海洋中蓄積著，由海洋生物的攝取而進入生物體內(nèi)，并通過海洋生物的富集作用 使得生物體內(nèi)的污染物質(zhì)含量比在海水中的濃度大得多。海洋生物還能把一些毒性本來不大的無 機物轉(zhuǎn)化為毒性很強的有機物（如無機汞被轉(zhuǎn)化為甲基汞），污染物質(zhì)還可以通過食物鏈傳遞和 放大，對人類造成潛在威脅。 3擴散范圍廣： 浩瀚的海洋是一個互相連通的整體，進入海水的污 染物在海流的攜帶下，可從一個海區(qū)遷移到另一個海區(qū)，從沿岸、河口遷移到大洋。 4防治困難： 1、 2、 3， 加上海洋污染有很長的積累過程，不易被及時發(fā)現(xiàn)， 一旦形成污染，需要耗費巨資、經(jīng)過長期治理才能消除。在治理過程中，必須牽涉到工業(yè)布局、 資源開發(fā)等具體問題，增加海洋污染防治的復雜性。 海洋污染物質(zhì)按其來源 、 性質(zhì)和毒性 ， 有多種分類方法 。 通常按污染物質(zhì)來源分為以下幾類： 1.石油及其產(chǎn)品 （ 包括原油和從原油分餾出的許多產(chǎn)品 ） 2 重金屬： 主要有汞 、 鎘 、 銅 、 鉛 、 鋅和銀等金屬元素 。 3農(nóng)藥： 包括含汞、銅、砷、鉛等重金屬農(nóng)藥、有機磷農(nóng)藥、有機氯農(nóng)藥。它們主要 來源于森林、農(nóng)田而隨水流遷移入海。 4有機廢物和生活污水： 成分復雜的污染物，包括來自造紙、食品、印染 等工業(yè)生產(chǎn)的纖維素、木質(zhì)素、果膠、糖類、脂類、生活污水、生物殘骸以及圍墾養(yǎng)殖區(qū)排放廢水中的 有機物質(zhì)和營養(yǎng)鹽類。它們的顯著特點是不會在生物體內(nèi)積累，而是消耗大量溶解氧和導致海區(qū)富營養(yǎng) 化，甚至產(chǎn)生赤潮。此外，生活污水中還含有寄生蟲和致病菌。 5放射性物質(zhì) ： 來源于核武器爆炸、核工業(yè)和核動力船艦的排污。放射性核素種 類繁多，其中以 239Pu、 90Sr和 137Cs的排放量較大。 6熱污染 ： 主要來源于各種工業(yè)的冷卻水。熱污染導致局部海區(qū)水溫上升、溶解氧 含量下降，影響海洋生物的正常新陳代謝，甚至使動植物群落發(fā)生變化。隨著原子能發(fā)電和常規(guī)發(fā)電的 迅速增長，熱污染可能成為沿岸海域的一種重要污染源，導致群落結(jié)構(gòu)的變化。 （二）海洋污染物質(zhì)分類 遷移的定義： 污染物入海后參與物理、化學和生物過 程而產(chǎn)生空間位置的移動，或由一種地球化學相（如海水、 沉積物、大氣、生物體）向另一種地球相轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象稱為 污染物的遷移。 轉(zhuǎn)化的定義： 污染物由一種存在形態(tài)向另一種形態(tài)轉(zhuǎn) 變則稱為污染物的轉(zhuǎn)化。 （三）海洋污染物的遷移與轉(zhuǎn)化 遷移和轉(zhuǎn)化的過程 1物理過程： 輸送、蒸發(fā)、沉降、擴散、海流運輸、重力沉降等 2化學過程： 氧化、還原、水解、絡合等 3生物過程： 經(jīng)海洋生物的吸收、代謝、排泄和通過海洋食物鏈的傳遞，以及尸 體分解、碎屑沉降與生物在運動過程中對污染物的搬運 （四）海洋的自凈能力和環(huán)境容量 1海洋自凈能力 環(huán)境自凈（ environmental self-purification） 定義： 是指環(huán)境受到污染后，在物理、化學和生物作用下逐漸消除污染物達到自然 凈化的過程。 （ 1）物理凈化： 通過稀釋、吸附、沉淀或氣化等作用而實現(xiàn)的自然凈化，其中 海流的輸送和稀釋擴散是快速凈化的重要途徑。 （ 2）化學凈化 ： 包括氧化還原、化合分解、交換和絡合等化學反應實現(xiàn)的自然 凈化。 （ 3）生物凈化： 通過生物類群的代謝作用（同化作用和異化作用）使環(huán)境中污 染物質(zhì)的數(shù)量減少、濃度下降，毒性減輕甚至消失的過程。 2環(huán)境容量 環(huán)境容量（ environmental capacity）定 義： 是在人類生存和自然生態(tài)不致受害的前提下，某一環(huán) 境所能容納的污染物的最大負荷量。 沿海內(nèi)灣進行魚蝦人工養(yǎng)殖將要考慮環(huán)境容量。 決定環(huán)境容量的大小的因素： 環(huán)境空間的大小、 環(huán)境要素的特征（如內(nèi)灣的潮流和其他水交換條件）、污染 物本身的物理和化學性質(zhì)。 （ 1）絕對容量 （ 2）年容量 絕對容量 絕對容量（ WQ）由規(guī)定的環(huán)境標準值（ WS， 如各種水質(zhì)標準）和環(huán)境背景值（ B）所決 定： WQ WS B（以濃度單位表示） 或 WQ M（ WS B）（以重量單位表示， M為某環(huán)境介質(zhì)的重量） 年容量 年容量（ WA） :是某一環(huán)境在污染物的積累濃度 不超過環(huán)境標準規(guī)定的最大容許值的情況下，每 年所能容納的某污染物的最大負荷量。 如果某污染物的輸入量為 A（單位負荷量），一 年后被凈化的量為 A，則該污染物在這一環(huán)境中 的年凈化率 K （ A/A) 100%。 年容量與絕對容量的關系為 : WA KWQ WQ:絕對容量 （一）海洋污染的生物學效應 1 個體生物的生物學效應 （ 1）生物濃縮與生物積累： 生物能從環(huán)境中吸收某些元素或難分解的 化合物，使生物體內(nèi)該物質(zhì)的濃度超過環(huán)境中的濃度，這種現(xiàn)象稱為 生物濃 縮（ bio-concentration）或稱生物富集（ bio-enrichment） 。生物都有從 周圍環(huán)境中蓄積某些元素或難分解的化合物（如重金屬、有機農(nóng)藥和放射性 物質(zhì)），并隨生物的生長發(fā)育，濃縮系數(shù)不斷增加，這種現(xiàn)象稱為 “ 生物積 累 ” （ bio-accumulation） 。 （ 2） 急性中毒與慢性中毒： 高濃度或劇毒性污染可引起海洋生物個體的直接中毒致死。 污染物質(zhì)對生物的生理、生化影響，主要是改變細胞的化學組成、 抑制酶的活性，影響滲透壓的調(diào)節(jié)和正常的代謝功能，從而影響 生物體的生長、生殖和行為。 二、海洋污染的生物學效應和生物監(jiān)測 2種群 群落的生態(tài)效應 受污染的海域其生物群落的組成和結(jié)構(gòu)會相應產(chǎn)生改變。通 常是某些耐污生物種類的個體數(shù)量會猛增起來，而對污染敏 感的種類個體數(shù)會大量減少甚至消失，結(jié)果導致群落物種多 樣性指數(shù)明顯下降。 例如，有機污染較嚴重的水域， 小頭蟲 數(shù)量明顯增多 “ 生物放大 ” （ bio-magnification）： 海洋生物對 污染物質(zhì)有很強的富集能力，這些污染物在有機體內(nèi)的濃度 隨著食物鏈營養(yǎng)級而逐步增大，這種現(xiàn)象稱為 “ 生物放大 ” （ bio-magnification） （二）海洋污染的生物監(jiān)測 什么是海洋污染的生物監(jiān)測？ 即利用海洋生物個體、種群或群落對海洋環(huán)境污染或變化所產(chǎn) 生的反應，闡明環(huán)境污染狀況，從生物學角度為環(huán)境質(zhì)量的監(jiān) 測和評價提供依據(jù)。 監(jiān)測手段主要有： 1利用指示生物進行監(jiān)測 有些污染物質(zhì)在海水中的含量甚微而不易檢出，因此可以利用生物與水質(zhì)污染的關系以及生物 富集某些污染物質(zhì)的特殊性間接監(jiān)測水質(zhì)。污染指示生物（ indicator organism）是指對環(huán)境中 的污染物質(zhì)產(chǎn)生各種反應或信息而被用來監(jiān)測和評價環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)狀和變化的生物。 生物可以用作污染指標？ 1對污染物質(zhì)有敏感反應的生物： 用海膽的受精卵判斷海水中 某些重金屬污染的程度。利用牡蠣高度富集海水中的有機氯農(nóng)藥（如滴滴涕） 2耐污染的生物： 多毛類的小頭蟲（ Capitella capitata）。 一 些浮游生物在有機污染（富營養(yǎng)化）條件下暴發(fā)性繁殖而引起海水變色的現(xiàn)象，因 此可以把發(fā)生赤潮的范圍及頻率看成是環(huán)境污染程度的一個指標。 3與污染物質(zhì)一起進入海洋的生物： 2利用生物群落結(jié)構(gòu)的變化進行監(jiān)測 原理： 當環(huán)境受污染時，生物群落的種類組成會發(fā)生變化， 應用群落中生物種類多樣性指數(shù)的變化來評價環(huán)境的質(zhì)量。 污染區(qū)域的劃分： （ 1）嚴重污染區(qū)： 所有的底棲動物都不能生存，為無生物區(qū)； （ 2）污染區(qū)： 底棲動物種類很少，但耐污染的種類增加； （ 3）輕度污染區(qū)： 底棲動物群落發(fā)生變化，對污染敏感的種 類開始消失； （ 4）非污染區(qū)： 底棲動物群落組成正常，沒有受到污染的影 響。 （三）毒性試驗和殘毒測定 1. 急性毒性試驗： 測定高濃度污染物在短時間（一般不超過幾天）內(nèi)對海洋生物所產(chǎn)生的 急性作用。 在試驗中使受試生物半數(shù)死亡的毒物濃度稱為 半數(shù)致死濃度 （ median lethalconcentration），用 LC50表示，并在其前標 明生物暴露在毒物環(huán)境中的時間，如 24 小時 LC50、 48 小時 LC50和 96 小時 LC50等 半數(shù)效應濃度 （ EC50），它表示在一定暴露時間內(nèi)，使半數(shù) 受試動物產(chǎn)生某一效應（如喪失平衡、發(fā)育異?；蚧蔚龋?的毒物濃度。 2. 慢性毒性效應： 低濃度污染物對海洋生物生活周期的毒性效應。試 驗的常規(guī)指標常用受試動物的生長率、生物的生理、生化和行為反應。 3殘毒測試： 很多污染物質(zhì)（如重金屬、有機農(nóng)藥和放射性物質(zhì)）能 在生物體內(nèi)殘留和積累，這些物質(zhì)在生物體內(nèi)的含量常為周圍水中的幾 千倍甚至幾萬倍。所以，通過對生物體的毒物含量測試，可以作為評估 水體污染狀況的一個指標。 第二節(jié) 赤潮現(xiàn)象 一 、 赤潮和赤潮生物 1 赤潮的定義 所謂赤潮 （ red tide） 是海洋中某些微小的浮游生物在一 定條件下暴發(fā)性增殖面引起海水變色的一種有害的生態(tài)異常 現(xiàn)象 。 日本學者安達六郎 （ 1973） 根據(jù)各海區(qū)赤潮的實例統(tǒng)計 ， 提出以不同生物體長的赤潮生物密度作為判斷赤潮的標準 （ 表 12.1） 。 2 赤潮生物類別 全世界已記錄的赤潮生物有 300種左右 （ 可能個別存在同 種異名 ） ， 隸屬于 10個門類 。 我國海域分布的約有 127種 ， 隸屬于 8個門類 （ 國外已報 道的 10個門類中的細菌和綠藻赤潮生物尚未在我國發(fā)現(xiàn) ） 。 其中在我國沿海發(fā)生赤潮的赤潮生物有 30多種 ， 主要是 甲藻類 （ 15種 ） ， 其次是硅藻類 （ 7種 ） 和藍藻類 （ 4種 ） （ 張 水浸等 1994） 。 赤潮引起海水變色可因形成赤潮的生物種類不同而呈 現(xiàn)出不同的顏色。 紅色赤潮： 夜光藻（ Noctiluca scientillens）、紅海束 毛藻（ Trichodesmium erythracum）、中縊蟲、紅硫 菌等 黃色、茶色或茶褐色赤潮： 裸甲藻 綠色赤潮： 綠色鞭毛藻類 土黃、黃褐或灰褐色赤潮： 硅藻類 赤潮是各種色潮的統(tǒng)稱 單相型赤潮和雙相型赤潮 1. 發(fā)生赤潮時赤潮生物只有一個種占絕對優(yōu)勢的稱為 單相型赤 潮 2. 發(fā)生赤潮時有兩種共存的赤潮生物占優(yōu)勢 ， 就稱為 雙 相型赤潮 3 赤潮生物的生長與分裂速度 (lgNt-lgN0)/t/lg2 上式 為生長速度 ， 以每天分裂次數(shù)表示 ， N 0和 N t分別為單位水體中藻類細胞的起始數(shù)量和 經(jīng)過 t天后的細胞數(shù)量 （ cell/L） 。 4 赤潮生物的垂直移動和聚集 （ 1） 垂直移動 一般認為 ， 白天移動到表層可有效地進行光合作用 ， 當 表層營養(yǎng)鹽被大量消耗后通過垂直移動到較深處 ， 可有效地 攝取營養(yǎng)物質(zhì) 。 （ 2） 聚集 很多赤潮生物具有聚集習性，在發(fā)生赤潮的海區(qū)，人們常見 到赤潮常呈帶狀、片狀或斑狀分布，就是這種聚集的結(jié)果。 生物性聚集和物理性聚集 生物性聚集是一種主動聚集，主要依靠赤潮生物的運動性和趨性來實現(xiàn)。 物理性聚集是風、流、浪等環(huán)境因素產(chǎn)生的一種被動性聚集。 （ 1） 赤潮生物大量繁殖 ， 覆蓋海面或附著在魚 、 貝類的鰓上 ， 造 成呼吸困難甚至死亡； （ 2） 赤潮生物在生長繁殖的代謝過程和死亡細胞被微生物分解的 過程中大量消耗海水中的溶解氧 ， 使海水嚴重缺氧 ， 魚 、 貝類等 海洋動物因缺氧而窒息死亡； （ 3） 有些赤潮生物體內(nèi)及其代謝產(chǎn)物含有生物毒素 ， 引起魚 、 貝 中毒或死亡 。 如鏈狀膝溝藻 （ Gonyaulax catenella） 產(chǎn)生的石房 蛤毒素就是一種劇毒的神經(jīng)毒素； （ 4） 居民通過攝食中毒的魚 、 貝類而產(chǎn)生中毒 。 目前已知的赤潮 毒素有麻痹性貝毒 、 神經(jīng)性貝毒和瀉痢性貝毒等三大類 。 5 赤潮的危害 （ 一 ） 赤潮發(fā)生的原因 1 富營養(yǎng)化 富營養(yǎng)化 （ eutrophication） 是指生物所需的氮 、 磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量 進入湖泊 、 河口 、 內(nèi)灣 ， 引起藻類大量繁殖 、 水體溶解氧量下降 、 水質(zhì) 惡化的現(xiàn)象 。 2 促進赤潮生物生長的有機物 維生素 B1、 B12和維生素 H（ 特別是 B12） 是最主要的生長促進物質(zhì) ， 其他 有機物質(zhì)包括 DNA、 嘌呤 、 嘧啶 、 植物激素以及其他一些有機物質(zhì)分解產(chǎn)物 ， 也會促進赤潮生物增殖 。 二 、 赤潮發(fā)生的原因和基本過程 3 微量金屬元素 誘發(fā)和促進赤潮發(fā)生的因素 赤潮生物所需的微量金屬元素中比較重要的有鐵（ Fe）、錳（ Mn）、鎂（ Mg）、銅（ Cu）、 鉬（ Mo）、鉻（ Co）等。其中， Fe是藻類細胞色素（鐵卟啉）和許多酶的組成成分， Mg也是 葉綠素的構(gòu)成元素， Co對能合成維生素 B12的藍藻有增殖促進作用。 Fe和 Mn最為重要。 近年來的研究表明 ， 非金屬元素硒 （ Se） 也有促進赤潮發(fā)生的 作用 。 4溫度和鹽度： 赤潮的發(fā)生往往與該海區(qū)的溫、鹽變化狀況有密切關系。從我國發(fā)生赤 潮的現(xiàn)場溫、鹽記錄來看，除了微型原甲藻明顯適應于低鹽和束毛藻明顯適應于高鹽外，多數(shù)赤潮發(fā)生時的 水溫較高（ 2328 ），鹽度則較低（ S 2328） 南方海區(qū)的赤潮多發(fā)生在春 、 夏之交 ， 而北方海區(qū)的赤潮多見于 7-10月 ， 都與水溫升高以及因雨季而引起的海區(qū)鹽度降低相符合 。 應當指出 ， 由于發(fā)生赤潮的原因是多方面的 、 綜合的 ， 目前尚未完全了解 清楚 ， 需要今后繼續(xù)進行更深入的現(xiàn)場調(diào)查研究和實驗生態(tài)研究 。 赤潮發(fā)生的原因簡圖 （ 二 ） 赤潮發(fā)生的基本過程 1 起始階段： 赤潮生物開始繁殖或胞囊大量萌發(fā) ， 競爭能力較強的赤潮 生物可逐漸發(fā)展到一定的種群數(shù)量 。 2 發(fā)展階段 赤潮生物呈指數(shù)式增長并迅速形成赤潮 ， 同時原先的共存種 多數(shù)被抑制或消失 ， 也可能有個別種隨赤潮出現(xiàn)而有增長 。 3 維持階段 這一階段的時間長短主要取決于水體的物理穩(wěn)定性和各種營 養(yǎng)物質(zhì)的消耗和補充狀況 。 4 消亡階段 營養(yǎng)物質(zhì)耗盡又未能及時得到補充 ， 或遇臺風 、 降雨等各種 引起水團不穩(wěn)定性的因素 ， 或溫度的突然變化超過該種赤潮生 物的適應范圍 ， 造成赤潮生物大量死亡 ， 赤潮現(xiàn)象就逐漸或突 然消失 。 （ 一 ） 赤潮預測預報 1 根據(jù)水化特征的預測 目前已提出一些以氮 、 磷 、 化學耗氧量等參數(shù)組成的富營養(yǎng) 化程度判斷公式可供實踐上應用 。 應特別注意那些具有促進赤潮發(fā)生的微量物質(zhì)的供應量 ， 其 中最受重視的是 Fe和 Mn。 2 根據(jù)水溫 、 鹽度和氣象條件的預測 氣象條件包括風 、 氣壓等因素 ， 很多赤潮事例表明 ， 當其他 條件具備時 ， 若天氣形勢發(fā)展比較穩(wěn)定 ， 海區(qū)風平浪靜 ， 陽光充 足 、 悶熱的日子里 ， 就有可能發(fā)生赤潮 。 三 、 赤潮的預測預報和防治對策 3 根據(jù)生物學特征的預測 （ 1） 赤潮生物的增殖速度 （ 2） 葉綠素 a的變化 （ 3） “ 種子場 ” 的調(diào)查 在實際工作中對上述幾種預測赤潮的依據(jù)應盡可能考慮多 項目連續(xù)跟蹤和綜合性分析判斷 ， 才能獲得較為準確的預測 預報效果 。 1 富營養(yǎng)化物質(zhì)入海負荷的控制 2 海區(qū)自身污染控制 3 富營養(yǎng)化水體和底質(zhì)的改善