海洋重金屬污染及其對(duì)海藻的毒害作用

宋美霖

（海南熱帶海洋學(xué)院，海南 三亞 572022）

中國(guó)海洋水域總面積約為300萬平方公里，是一個(gè)大型的海洋資源大國(guó)。據(jù)悉，早在20世紀(jì)90年代，海洋資源的綜合開發(fā)就被國(guó)家列入中國(guó)海洋發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略[1]，同時(shí)，國(guó)家在海洋資源、海洋保護(hù)和海洋管理等方面逐步加大了人力物力的投入。但從目前來看，海洋的重金屬污染狀況仍較為嚴(yán)重，所以海洋生物（主要是浮游生物中藻類等）不得不面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

1 重金屬污染的基本概念以及來源

1.1 概念

在《環(huán)境科學(xué)大辭典》中明確指出，重金屬即密度大于5 g/cm3或者4 g/cm3的金屬，諸如銅、鐵、汞、鎘等。因此，重金屬污染是指由重金屬或者其化合物造成的環(huán)境污染。

1.2 來源

海洋重金屬的產(chǎn)生途徑主要是自然來源和人為來源。自然來源主要是由自然活動(dòng)引起的，例如海底的火山爆發(fā)、巖石層的風(fēng)化和自然界的降雨等。這些自然活動(dòng)的發(fā)生，在某種程度上都攜帶了一些重金屬進(jìn)入海洋。

人為來源則是指由一系列的人為活動(dòng)，如礦物燃料燃燒、工業(yè)廢水和生活污水的排放，以及重金屬農(nóng)藥化肥在土壤里流失等引起的海洋重金屬污染。其中，人為來源又可分為直接人為來源和間接人為來源。例如，部分工業(yè)廢水的重金屬含量過高，許多生產(chǎn)企業(yè)未經(jīng)過合格處理就直接排入海洋，這就是人為活動(dòng)直接造成的海洋重金屬污染；而在工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于礦物燃料燃燒產(chǎn)生的廢氣被排放到大氣當(dāng)中，這些攜帶重金屬的氣體經(jīng)水的自然循環(huán)（降雨、滲透等）流入海洋，這就是人為活動(dòng)間接地導(dǎo)致海洋重金屬污染。因此，與自然重金屬的污染相比，人類活動(dòng)導(dǎo)致的重金屬污染占比更重。

2 海洋重金屬污染現(xiàn)狀

面對(duì)海洋重金屬污染的狀況，我國(guó)學(xué)者紛紛對(duì)此展開專項(xiàng)調(diào)研，依次在渤海（遼河口、渤海灣、遼東灣）、黃海（膠州灣、大連灣）、東海（長(zhǎng)江口）、南海（珠江口、湛江灣）等海域都進(jìn)行了重金屬污染情況的檢測(cè)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，目前海洋重金屬的污染狀況十分嚴(yán)峻。以南海為例，曾在2016年南海區(qū)海洋環(huán)境狀況公報(bào)指出，其9條主要河流（珠江、深圳河、東江、榕江等）重金屬污染物入海量共計(jì)3 244 t，其中，銅476 t、鉛178 t、鋅2 548 t、鎘35 t、汞7 t。此外，重金屬停留時(shí)間很長(zhǎng)，并可以沿著食物鏈轉(zhuǎn)移和富集，因而對(duì)生物影響頗大。以里海為例，2000年四月中旬以來，其哈薩克斯坦水域就有多達(dá)8 000頭海豹因?yàn)殚L(zhǎng)期受汞、鎘的污染而死亡。

3 海藻對(duì)重金屬的吸收機(jī)制

3.1 海藻的重要作用

海藻不僅可以參與海洋的初級(jí)生產(chǎn)，同時(shí)還能在海洋的生態(tài)系統(tǒng)中起著非常重要的作用。海藻能夠利用陽(yáng)光進(jìn)行光合作用，從而為海洋生物提供氧氣。經(jīng)過大量的研究表明，藻類可以作為一種非常好的重金屬吸附材料，其能夠有效地去除含量較低或用傳統(tǒng)方法難以去除的重金屬。因此，藻類對(duì)于各類有害重金屬的有效吸附作用具有非常好的發(fā)展前景[2]。

3.2 海藻對(duì)重金屬的吸附機(jī)理

藻類細(xì)胞壁分為內(nèi)外兩層。外層主要是由Cellulose（纖維素）、Pectic substance（果膠質(zhì)）和Polygalactose sulfate（聚半乳糖硫酸酯）等多層微纖絲組成的多孔結(jié)構(gòu)；其內(nèi)層的主要成分是纖維素。因此藻類細(xì)胞壁表面褶皺較多，所以表面積也較大。

由于藻類細(xì)胞自身的結(jié)構(gòu)和生理特征，當(dāng)它遭受重金屬毒害時(shí)會(huì)撐起一道防御屏障—外排作用（Extrinsic action）。其作用機(jī)制如下：藻細(xì)胞壁上的蛋白質(zhì)、磷脂和多糖等多聚復(fù)合體供予大量官能團(tuán)，例如氨基、羧基、醛基、羥基等。這些官能團(tuán)能夠合理有序地排列在藻細(xì)胞壁上，并與重金屬結(jié)合成有機(jī)金屬化合物，以此對(duì)有毒的金屬離子進(jìn)行攔截，阻止其進(jìn)入藻類細(xì)胞內(nèi)部[3]。

3.2.2 藻類細(xì)胞內(nèi)金屬與蛋白（或多肽）結(jié)合

大量研究表明，在高濃度重金屬?gòu)U水中，部分藻類能夠正常生存，是因?yàn)檫@些藻類對(duì)于進(jìn)入胞內(nèi)的金屬離子具有一定抗性。其主要原因是由谷胱甘肽（GSH）、金屬硫蛋白（MT）等大分子物質(zhì)所為。以谷胱甘肽（GSH）為例，其巰基可以與重金屬直接結(jié)合，同時(shí)GSH又是合成PCs的底物。

3.2.3 藻類對(duì)重金屬的其他適應(yīng)機(jī)制

藻類除上述對(duì)重金屬的吸附方式外，還有以下三種方式：①脯氨酸在藻類對(duì)抗重金屬中，增強(qiáng)了細(xì)胞對(duì)重金屬的耐性或解毒性能；②Hot protein（熱敷蛋白）的協(xié)同作用，有助于清除各種因重金屬而變性的蛋白質(zhì)、提高藻類細(xì)胞對(duì)各種重金屬的抗性和維持植株進(jìn)行正常的新陳代謝活動(dòng)；③細(xì)胞內(nèi)多磷酸體（PPB）可以儲(chǔ)存磷，并且還可以作為重金屬的結(jié)合位點(diǎn)，富集多種重金屬。

4 重金屬對(duì)藻類的毒害作用

海藻對(duì)重金屬的耐受程度與海藻種類、重金屬種類以及重金屬濃度息息相關(guān)。所以，海藻在可接受重金屬濃度適宜的環(huán)境下才能進(jìn)行良好生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)表明，一旦藻類無法對(duì)重金屬產(chǎn)生有效的阻擋作用，那么其體內(nèi)的酶系統(tǒng)便會(huì)受到影響，不能正常運(yùn)行，由此會(huì)引起多種反應(yīng)，諸如光合作用無法正常進(jìn)行、細(xì)胞通透性增大以及細(xì)胞中的K+大量流失、植株生長(zhǎng)停滯等。

4.1 銅（Cu）對(duì)海藻的毒害作用

海洋中的銅是藻類生長(zhǎng)的基礎(chǔ)元素，但銅的濃度稍高，藻類生長(zhǎng)就會(huì)受到一定的影響。研究表明，銅主要通過增加植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)量來影響植物光合作用，進(jìn)而對(duì)植物產(chǎn)生毒害。其過程是活性氧會(huì)迅速氧化膜脂，造成類囊體片層結(jié)構(gòu)破壞。因?yàn)殂~是葉綠體和線粒體內(nèi)電子傳遞鏈的重要組分，所以過量的銅反而會(huì)減少光合色素的含量，最后導(dǎo)致部分植物體內(nèi)的酶失活。

Atmospheric-oceanic features associated with large-scale SST anomalies over the North Pacific in winter

4.2 鎘（Cd）對(duì)海藻的毒害作用

海洋鎘污染主要是來自于工業(yè)廢水的排放，其中，以電鍍廢水排放最為嚴(yán)重。相關(guān)研究表明，Cd對(duì)部分酶活性沒有影響。但糖海帶經(jīng)Cd處理后，對(duì)14C一蛋氨酸的吸收急劇減少，由此推斷，Cd可以抑制蛋白質(zhì)的合成。

5 重金屬污染的防護(hù)與治理

面對(duì)海洋的重金屬污染現(xiàn)狀，應(yīng)積極尋找合適的辦法來應(yīng)對(duì)和解決。

5.1 消減底泥重金屬

底泥所含的重金屬在一定溫度條件下可能會(huì)通過釋放進(jìn)入水體，導(dǎo)致水體環(huán)境惡化。對(duì)于治理水體中的重金屬有以下兩種方法。

5.1.1 控制外源重金屬元素的輸入

相關(guān)企業(yè)應(yīng)自覺按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污水進(jìn)行處理，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后可在指定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行排放。同時(shí)，國(guó)家應(yīng)該加大污水排放檢查力度，嚴(yán)抓亂排、漏排企業(yè)。以此來加強(qiáng)海洋環(huán)境的檢測(cè)力度，把海洋重金屬污染作為環(huán)境專項(xiàng)保護(hù)工作之一。

5.1.2 治理被嚴(yán)重污染的底泥

在治理被嚴(yán)重污染的底泥時(shí)，可通過調(diào)節(jié)水質(zhì)的氧化特性來調(diào)節(jié)整個(gè)水體的酸堿度，防底泥重金屬進(jìn)入水體，造成二次污染；還可以通過人工種植生長(zhǎng)周期短、對(duì)環(huán)境中重金屬耐性強(qiáng)的植物來萃取底泥中的重金屬，以此對(duì)水體環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期的生態(tài)修復(fù)。

5.2 去除水中重金屬離子的方法

5.2.1 傳統(tǒng)處理方法

傳統(tǒng)處理方法有Electrolytic process（電解法）、Adsorption method（吸附法）、Chemical precipitation（化學(xué)沉淀法）、Rising methods（上浮法）等。以上各種方法都存在適用的范圍，例如，化學(xué)沉淀法主要被廣泛應(yīng)用于處理富含較高濃度重金屬的廢水。由于化學(xué)沉淀法受到沉淀劑和其他環(huán)境條件（包括溫度、pH值等）的影響，故其處理后的水的濃度仍時(shí)常不符合規(guī)定要求，還需要及時(shí)進(jìn)行深層次處理，避免造成二次污染。而電解方法主要是處理電鍍廢水，然而該方法并沒有把水中的重金屬離子的濃度減少得非常小。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除上述兩種方法外，應(yīng)用吸附法（使用吸附劑來去除重金屬離子）處理重金屬更高效，且價(jià)格也更低廉。

5.2.2 新興處理技術(shù)——生物吸附法

在眾多的吸附法中，生物處理吸附重金屬的方法已成為目前一種新興的處理技術(shù)。該方法使用的吸附材料來源廣泛，并且具有吸附量高、消耗成本少、吸附速度快等諸多特點(diǎn)，具有極高的發(fā)展前景。因而，各高校及生物研究所可加強(qiáng)對(duì)基因工程的深入研究，篩選并馴服出具有較強(qiáng)吸附重金屬能力的微生物，進(jìn)一步為“環(huán)境保護(hù)和工業(yè)發(fā)展一同前行”提供更大的可能。

6 結(jié)語(yǔ)

近年來，環(huán)境污染問題越發(fā)嚴(yán)重，逐漸引起了全人類的密切關(guān)注，由此可見，生態(tài)環(huán)境與人類生存和社會(huì)發(fā)展密不可分。而海洋作為生態(tài)環(huán)境的一部分，也是極為重要的。因此，海水資源污染問題亟待解決。