大型海藻在海洋環(huán)境中的生態(tài)修復(fù)研究進(jìn)展

宋 凱，郭遠(yuǎn)明，李子孟

(浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江 舟山 316100)

1 大型海藻對氮、磷的去除作用

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，海洋生態(tài)環(huán)境受到人為影響的情況日益加劇。水體富營養(yǎng)化作為海洋生態(tài)失調(diào)的指標(biāo)之一，近年來愈加受到環(huán)境工作者的重視。水體富營養(yǎng)化直接導(dǎo)致了植物生長所需的氮磷等營養(yǎng)元素大量增加，為藻類暴發(fā)提供一定的營養(yǎng)基礎(chǔ)，從而破壞原有水域的生態(tài)平衡，改變了生態(tài)系統(tǒng)的原由結(jié)構(gòu)[1]，導(dǎo)致水體生態(tài)系統(tǒng)的功能退化。水體富營養(yǎng)化一旦發(fā)生，將會對水生動植物造成威脅，出現(xiàn)底棲動物窒息、魚類死亡、海底植被減少的現(xiàn)象。與此同時，水體富營養(yǎng)化帶來的經(jīng)濟(jì)損失和社會問題也不容忽視[2]。

目前來說，針對水體富營養(yǎng)化的解決策略主要有物理法，化學(xué)法和生物法。其中，生物處理法又主要分為以下幾點：水生植物修復(fù)、微生物修復(fù)、有益藻類抑藻、噬藻體、濕地生態(tài)工程、水生動物操縱等[3]。大型海藻作為一類常見的水生植物，可通過光合作用的生長方式，吸收N、P，釋放O2，進(jìn)而有效地維持海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡。此外，在富營養(yǎng)化水體中，大型海藻還可通過吸收、利用N、P合成自身所需要的營養(yǎng)成分，間接實現(xiàn)將過剩的營養(yǎng)鹽從海水中轉(zhuǎn)移的作用研究表明，通過在養(yǎng)殖海區(qū)、富營養(yǎng)化海區(qū)等栽培大型海藻，諸如紫菜屬(Porphyra)、石莼屬(Ulva)、海帶屬(Laminaria)、江蘺屬(Gracilaria)以及裙帶菜屬(Undaria)等，均能有效降低水體中的氮磷含量，對水體的富營養(yǎng)化起到抑制作用。沈淑芬等[4]發(fā)現(xiàn)，在3～5月，羅源灣養(yǎng)殖海區(qū)的海帶，其養(yǎng)殖區(qū)的總無機(jī)氮(DIN)的吸收率分別可達(dá)25.48%、19.62%、44.65%，總無機(jī)磷(DIP)的吸收率分別為20.17%、32.00%、38.72%。吳益春等[5]通過調(diào)研舟山桃花島碳匯漁業(yè)示范區(qū)發(fā)現(xiàn)，該示范區(qū)內(nèi)海帶對N、P的吸收分別達(dá)到2130kg/a、300kg/a。研究表明，海帶對海水養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)N、P具有明顯的吸收效果，而且對N的吸收量明顯高于對P的吸收量。

Patrick[6]等人發(fā)現(xiàn)，大型海藻條斑紫菜(Porphyrayezoensis)和耐鹽沉水植物川蔓藻(Ruppiamaritima)均對無機(jī)氮磷有較好的去除效果。當(dāng)川蔓藻生物量達(dá)到4627 g Fw/m2時，水體中總氮(TN)和總磷(TP)的去除率分別可達(dá)74.6%和85.4%，在紫菜組織中，氮和磷的積累量也可分別高達(dá)61.3%和9.9%。該研究充分顯示了大型海藻在控制海水富營養(yǎng)化、重建濱海濕地的巨大潛力。其他學(xué)者通過對海帶、孔石莼、江蘺、紫菜、龍須菜等大型海藻的養(yǎng)殖實驗發(fā)現(xiàn)，無論是大范圍的海區(qū)推廣試點實驗，還是小范圍的海區(qū)實驗，亦或是圍隔實驗，大型海藻均對有效吸附氮磷，從而使海水的富營養(yǎng)化情況得到改善[7-10]。

2 大型海藻對赤潮的抑制作用

大型海藻除了可以凈化水體環(huán)境之外，還可以與同海區(qū)同生態(tài)位的初級生產(chǎn)者產(chǎn)生競爭，從而在抑制某些赤潮微藻方面發(fā)揮作用。相較其他清潔生物，大型海藻可以通過遮光作用、營養(yǎng)競爭、化感作用三個方面來實現(xiàn)對赤潮藻大肆增殖、生長的抑制效果。

目前，國內(nèi)外常見的有害赤潮藻有赤潮異彎藻(Heterosigmaakashiwo)、具齒原甲藻(Prorocentrumdentatum)、鏈狀亞歷山大藻(Alexandriumcatenella)、米氏凱倫藻(Kareniamikimotoi)、球形棕囊藻(Phaeocystisglobosa)、中助骨條藻(Skeletonemacostatum)和東海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)等。針對此，國內(nèi)外的許多學(xué)者開展了大量的相關(guān)研究。張培玉等[11]通過將孔石莼與兩種海洋微藻的胞外濾液交叉培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，孔石莼可通過分泌克生物質(zhì)來有效抑制青島大扁藻(Platymonas helgolandica)的生長。盧慧明[12]提取龍須菜的乙醇浸出液，發(fā)現(xiàn)該提取物能夠顯著抑制中肋骨條藻的生長，使該類赤潮藻生物量明顯下降，為控制中肋骨條藻的暴發(fā)提供重要的理論支持。Nakai[13]等人則通過研究大型海藻的化感作用，發(fā)現(xiàn)大型海藻的海膜可以持續(xù)向環(huán)境中分泌一種化合物，而該化合物對藍(lán)藻的生長具有抑制作用。劉婷婷等[14]發(fā)現(xiàn)，大型海藻龍須菜(Gracilarialemaneiformis)及其水溶性抽提液，可對旋鏈角毛藻(Chaetoceroscurvisetus)和椎狀斯氏藻(Scrippsiellatrochoidea)這兩種海洋赤潮藻的生長起抑制效應(yīng)。張夢成[15]等通過研究大型海藻裂片石莼(Ulvafasciata)對錐狀斯氏藻、中肋骨條藻、海洋原甲藻的生長抑制作用，發(fā)現(xiàn)裂片石莼的抑藻機(jī)制可能是通過損傷這三種微藻PSⅡ供體側(cè)的放氧復(fù)合體，降低其光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心的活性后，阻礙了光系統(tǒng)Ⅱ受體側(cè)的電子傳遞鏈，從而抑制了這三種赤潮藻的光合作用。

3 大型海藻在去除重金屬中的應(yīng)用

在復(fù)雜多樣的水體污染物中，重金屬因其穩(wěn)定性高，難降解，易富集，威脅人體健康等特點，一直位列國內(nèi)外環(huán)境學(xué)者的研究重點[16]。諸多研究表明，許多大型海藻有較強的重金屬富集能力。目前，針對大型海藻去除重金屬的研究多見于水環(huán)境污染處理領(lǐng)域，部分研究工作者利用海藻制成干粉作為吸附劑以吸附廢水中重金屬。馮詠梅等[17]利用海黍子干粉作為吸附劑，發(fā)現(xiàn)在最優(yōu)實驗條件下，海黍子對Ni2+的吸附量可達(dá)0.8283 mmol/g。鄧?yán)蚱糩18]利用對進(jìn)行過富營養(yǎng)化污水處理回收的剛毛藻干粉進(jìn)行廢水中重金屬Cu，Pb，Cd的吸附，實驗表明在25℃時，剛毛藻對Cu2+，Pb2+，Cd2+的最大吸附容量分別可達(dá)1.61 mmol/g、0.96 mmol/g和0.98 mmol/g，并且該吸附材料可以循環(huán)利用。魏海峰[19]通過孔石莼對Pb、Cu和Cd的吸收實驗，發(fā)現(xiàn)孔石莼對Cu和Cd有著強吸收能力。朱明[20]等發(fā)現(xiàn)，滸苔對水體中重金屬Pb具有較好的去除效果。當(dāng)水體中存在多種重金屬時，各類重金屬同海藻的相互作用一定程度上會影響海藻對重金屬的富集效果，王增煥[21]等發(fā)現(xiàn)，龍須菜對Cu和Cd有較強的富集能力，并且當(dāng)這兩種重金屬共同存在時，其富集效果最好。楊秀麗[22]則在鋅對海帶鉛的吸附影響的研究中，發(fā)現(xiàn)隨著鋅濃度的增加，海帶對鉛的富集呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。可見，大型海藻對混合重金屬的富集能力與生理機(jī)制較之單一元素的富集更為復(fù)雜，需要進(jìn)行更多的研究。

石莼(Ulvalactuca)對Cu和Ni的吸附能力分別是65.54 mg/g和21 mg/g。馬尾藻屬可對多種重金屬有吸附優(yōu)勢(Sargassum)：馬尾藻(S.fluitans)對Cu的吸附能力是74 mg/g，馬尾藻(S.wightii)對Pb和Cd的吸附能力分別是290.52 mg/g和83.18 mg/g，馬尾藻(S.vulgaris)對Ni的吸附能力可達(dá)58.69 mg/g。Yu等[23]也在研究中表明，馬尾藻對深圳近海水域的重金屬具有顯著的富集作用，對水體中的Cu、Zn和Cr的去除率可分別達(dá)到38.8%、34.7%和44.9%。Ye等[24]發(fā)現(xiàn)紅藻在適宜的pH值及生長條件下對污染水體中10mg/L的Cd和Pb的修復(fù)效率分別達(dá)到70%和90%。

4 大型海藻化感作用在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用

近年來，鑒于大型海藻化感作用在赤潮藻中的應(yīng)用，其體內(nèi)存在的脂類、酚類、萜類、多糖類、鹵化物、含硫化合物等也被逐步應(yīng)用于抗菌方面。羅先群等[25]發(fā)現(xiàn)江蘺藻和馬尾藻的提取物對金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、大腸埃希菌、藤黃微球菌、短小芽孢桿菌有抑制作用。黨法斌等[26]對威海海域的角叉菜、海蒿子及鼠尾藻等藻體中的多酚化合物進(jìn)行抑菌性試驗，結(jié)果表明多酚化合物對海神弧菌、巴西弧菌、徐氏弧菌、查格斯氏弧菌、鰻弧菌、波氏弧菌及哈維氏弧菌均有著不同程度的抑制活性，且二者間的顯著性與多酚來源和多酚含量密切相關(guān)。路克國[27]的研究表明，滸苔對鰻弧菌有顯著抑制作用，該抑制作用還受到氮磷營養(yǎng)鹽加入的影響。在10 g·L-1海藻的條件下，鰻弧菌以105～107cfu·mL-1接入2天后，無論是否添加外源氮磷，鰻弧菌密度降到10 cfu·mL-1以下，鰻弧菌去除率幾乎達(dá)到100%。

郭奇等[28]通過平板生長抑制法對鼠尾藻(Sargassumthunbergiikuntze)多酚化合物的抑菌活性研究發(fā)現(xiàn)，在pH值3～4時，多酚對受試菌的抑菌活性最強。符家珠等[29]提取了海南羊棲菜和海帶的水、乙醇和乙醚的提取物，分別進(jìn)行了三者對金黃色葡萄球菌和大腸埃希菌的抑菌活性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)海帶提取物的抑菌活性較羊棲菜的好。徐年軍等[30]利用山東青島和威海海域的海藻所提取的海藻醇提物進(jìn)行抑菌活性試驗，發(fā)現(xiàn)鴨毛藻、松節(jié)藻、海黍子、酸藻、小黏膜藻這五種藻均對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有較好的抑菌活性。

盡管大型海藻可應(yīng)用于生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的諸多方面，且針對部分海藻其研究趨近深化、全面化，但就復(fù)雜的海洋生態(tài)環(huán)境而言，許多藻類作用于環(huán)境污染物的機(jī)制尚不明確，相關(guān)研究仍需持續(xù)開展。