洋山港外來船舶壓載水赤潮藻分析

王飛飛，程方平，王瓊，吳惠仙，薛俊增*

(1. 上海海洋大學 海洋生態(tài)與環(huán)境學院，上海 201306；2. 上海海洋大學 港航生態(tài)安全研究中心，上海 201306)

引 言

船舶壓載水(Ballast water)是為控制船舶縱傾、橫傾、穩(wěn)定性等而在船上加裝的水及其懸浮物[1]。當船舶來往于不同國家和地區(qū)的港口之間時，其壓載水中攜帶的生物可以通過壓載水的排放過程在不同海域之間傳播，從而引起海洋生態(tài)環(huán)境的破壞和污染[2]。相關(guān)數(shù)據(jù)指出，平均每天由壓載水攜帶的物種高達7000多種[3]，目前為止，大約有500種入侵物種已經(jīng)被確認是由壓載水傳播的[4]。

全世界海洋浮游微藻有4000余種，其中能形成赤潮的有260余種，產(chǎn)生毒素的有70余種[5-6]。壓載水攜帶的生物中攜帶有大量赤潮藻，可導致赤潮的發(fā)生。目前關(guān)于船舶壓載水引發(fā)外來物種入侵甚至引發(fā)赤潮的現(xiàn)象已經(jīng)引起國際社會的廣泛關(guān)注，但是針對船舶壓載水中赤潮藻的研究較少，僅有數(shù)篇綜述了船舶壓載水造成的有害赤潮藻類生態(tài)入侵狀況、危害和管理經(jīng)驗[7]。由于壓載水的監(jiān)測起步較晚[8-9]，導致其攜帶赤潮藻引發(fā)的赤潮事件卻屢見不鮮，如起源于北美洲的柔弱菱形藻(Pseudo-nitzschiadelicatissima)，于1996年香港大學調(diào)查的34艘來自海外船舶的壓艙水中被首次發(fā)現(xiàn)，該藻多次在我國近海海域發(fā)生赤潮，因其具有較強的環(huán)境適應能力，一旦條件適宜，很可能引發(fā)赤潮；1983年產(chǎn)生于西太平洋的甲藻亞歷山大藻也可能是由壓載水引入的[10]；日本褐藻(Undariapinnatifida)通過船舶壓載水被帶到了澳大利亞，給塔斯馬尼亞州的漁業(yè)帶來十分不利的影響[11]；20世紀80年代末，澳大利亞的塔斯曼海域發(fā)現(xiàn)三種由船舶壓載水帶入的有毒甲藻，引發(fā)多起麻痹性神經(jīng)中毒事件(PSP)[12]。

近年來，有害赤潮頻繁發(fā)生于全球范圍內(nèi)的沿海國家及地區(qū)，其爆發(fā)頻率、強度以及波及范圍亦逐年增大[13]。1995—2014年的20年間，中國近岸海域共記載赤潮事件約1160次，東海海域為赤潮的高發(fā)區(qū)和多發(fā)區(qū)，自20世紀80年代有正式的赤潮記錄以來，約有1/4的赤潮發(fā)生在這個海域[14]。中國東海海域常見的赤潮藻有中肋骨條藻(S.costatum)、米氏凱倫藻(Kareniamikimotoi)、東海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)、夜光藻(Noctilucascintillans)等[15]。長江口鄰近海域?qū)儆诔喑备甙l(fā)區(qū)，有明確記錄的發(fā)生過赤潮的赤潮藻有：具齒原甲藻(Prorocentrumdentatum)、尖葉原甲藻(Prorocentrumtriestinum)、角藻(Ceratium)、夜光藻(N.scintillans)、中肋骨條藻(S.costatum)等[16]。長江口及其附近的舟山海域在2005年發(fā)生過大規(guī)模的米氏凱倫藻(K.mikimotoi)赤潮，該種屬于入侵種，造成了大量養(yǎng)殖魚類死亡[17]。近年來，長江口附近海域接連爆發(fā)大規(guī)模東海原甲藻(P.donghaiense)及鏈狀亞歷山大藻(Alexandriumcatenella)赤潮，船舶壓載水可能是導致這些藻傳播引入的重要途徑[16]。

洋山港位于長江口外的崎嶇列島[18]，受長江徑流影響，該水域營養(yǎng)物質(zhì)豐富，植物生產(chǎn)力高，為赤潮爆發(fā)提供了必要的基礎(chǔ)。隨著上海國際航運中心的建設，大量的入境船舶停靠在洋山深水港，其排放的壓載水可能攜帶多種廣溫廣鹽浮游植物，提高了港口及鄰近海域赤潮發(fā)生的潛在風險。隨著航運的發(fā)展，強海洋外來種的監(jiān)測、進行相關(guān)的生態(tài)研究愈發(fā)重要[19]。因此本文對上海洋山港入境船舶壓載水中的浮游植物進行了抽樣調(diào)查和分析，為預防和控制赤潮、保護洋山港及其周邊海域的生態(tài)環(huán)境提供相關(guān)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣船舶

2015.4—2016.10先后采集停泊于洋山港的12艘船舶壓載水樣品，其中5份水樣采集于春季，1份水樣采集于夏季，4份水樣采集于秋季，2份水樣采集于冬季。12份水樣的壓載水齡變化范圍為3—98 d。根據(jù)船舶壓載水上一壓載地所屬海域統(tǒng)計得出，12份壓載水樣來源于8個海域，其中7份水樣來源于近岸海域，5份來源于遠海。船舶名稱、水齡、壓載時間、來源海域等信息通過船舶壓載水航行記錄獲得(表1)。

表1 洋山港到港12艘船舶壓載水樣信息

1.2 浮游植物的采集與分析

打開船體人孔蓋，使用10 L的有機玻璃采水器對浮游植物樣品進行采集，然后用10 μm浮游生物網(wǎng)過濾，將濾樣收集于采樣瓶中，加入魯哥氏液對樣品進行固定，低溫狀態(tài)(4 ℃)下運至實驗室，靜置沉淀并濃縮至50 mL，取0.1 mL濃縮處理后的樣品，移至浮游植物計數(shù)框，在光學顯微鏡下對其進行種類鑒定并計數(shù)，每個樣品重復鑒定3片。物種豐度以cells/L計。非生物參數(shù)包括鹽度(Salinity)、pH、溫度(T)、溶解氧(DO)。

種類鑒定參考《中國近海赤潮生物圖譜》、《中國海洋浮游生物圖譜》和《海洋浮游藻類圖譜》等進行鑒定，鑒定到最低分類階元并記錄細胞豐度信息。

1.3 數(shù)據(jù)分析

浮游植物優(yōu)勢種按照物種優(yōu)勢度值(Y)確定:

Y=(ni/N)×fi

(1)

式中，Y為優(yōu)勢度;ni為第i種赤潮藻的密度;N為總浮游植物密度;fi為第i種赤潮藻在調(diào)查船舶水樣中出現(xiàn)的頻率，當Y值大于0.01時，表示該物種為主要優(yōu)勢種[20]。

赤潮藻出現(xiàn)率fi計算公式為:

fi=Hi/M

(2)

式中，Hi為第i種赤潮藻在調(diào)查船舶水樣中出現(xiàn)的次數(shù);M為調(diào)查船舶的總數(shù)，出現(xiàn)率大于30%為常見種[21]。

用GraphPad Prism 6等軟件進行圖形化分析壓載水中藻類及赤潮藻的豐度等數(shù)據(jù)。

用IBM SPSS States 22軟件分析壓載水中浮游植物豐度、赤潮藻豐度與環(huán)境因子之間的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓載水樣參數(shù)

通過對非生物參數(shù)鹽度、pH、溫度、溶解氧統(tǒng)計分析可知，12份樣品的鹽度介于31.2 ～ 35.8 PSU之間，平均鹽度為33.08 PSU； pH介于7.92 ～ 8.63之間，平均pH為8.27；溫度介于10.5 ～ 28.8 ℃之間，平均溫度為18.63 ℃；DO介于5.35 ～ 11.00 mg/L之間，平均DO為7.97 mg/L(圖1)。

注：A、B、C、D分別代表12份壓載水樣品的鹽度、pH、溫度和溶解氧。

鹽度最高的樣品壓載于大西洋海域的12#樣品，最低的樣品壓載于太平洋海域的8#樣品(圖1 A)；pH最高的樣品壓載于中國東海海域的4#樣品，最低的樣品壓載于紅海海域的7#樣品(圖1 B)；溫度最高的樣品壓載于印度洋海域的11#樣品，采樣季節(jié)是夏季，溫度最低的樣品壓載于臺北附近海域的6#樣品，采樣季節(jié)是冬季(圖1 C)；溶解氧最高的樣品壓載于大西洋海域的12#樣品，最低的樣品為壓載于紅海海域的7#樣品(圖1 D)。

2.2 各船舶壓載水中赤潮藻種類組成

采集到船舶壓載水浮游植物47種，隸屬于硅藻門(Bacillariophyta)、甲藻門(Pyrrophyta)、金藻門(Chrysophyta)、綠藻門(Chlorophyta)。鑒定出赤潮藻11種，隸屬于硅藻門(Bacillariophyta)和甲藻門(Pyrrophyta)，其中，硅藻門(Bacillariophyta)赤潮種類較多，有8種，占赤潮總種數(shù)72.7%，甲藻門赤潮種類較少，有3種，占赤潮總種數(shù)27.3%。此外，鑒定出具尾翅甲藻(D.caudata)和利馬原甲藻(P.lima)2種產(chǎn)毒赤潮藻，全部隸屬于甲藻門(Pyrrophyta)。赤潮藻名錄見表2。

表2 各船舶壓載水中赤潮藻種類組成

本次調(diào)查的12份船舶壓載水樣品中，來自于黃海海域的1#樣品中赤潮藻種類最多(4種)，均隸屬于硅藻門；來自于印度洋海域的9#樣品中只檢測到一種甲藻門赤潮藻是具尾翅甲藻(D.caudata)；來自于太平洋海域的8#樣品和印度洋海域的11#樣品中未檢測到赤潮藻。

從赤潮藻出現(xiàn)頻率分析，來源較廣泛的赤潮藻條紋小環(huán)藻(Cyclotellastriata)，出現(xiàn)頻率25%，采集到該種赤潮藻的3個樣品全部來自于近岸海域；常見種為中肋骨條藻(S.costatum)，出現(xiàn)頻率33.33%，采集到該種赤潮藻的4個樣品分別來自于黃海、中國南海、印度洋和大西洋；柔弱根管藻(R.delicatula)出現(xiàn)頻率為16.67%，來源于黃海和東海；其余赤潮藻種僅在單艘船舶中出現(xiàn)，頻率較低(小于10%)。

12份壓載水樣品中，硅藻門(Bacillariophyta)赤潮藻占絕對優(yōu)勢，其余為甲藻門(Pyrrophyta)。浮游植物優(yōu)勢度值(Y)顯示，所有調(diào)查船舶壓載水中，優(yōu)勢赤潮藻種有具槽直鏈藻(M.sulcata)，優(yōu)勢度為0.069；柔弱根管藻(R.delicatula)，優(yōu)勢度為0.029；中肋骨條藻(S.costatum)，優(yōu)勢度為0.150。

2.3 各船舶壓載水中赤潮藻豐度及占比情況

對12份船舶壓載水樣品中的赤潮藻及浮游植物統(tǒng)計分析，各樣品中赤潮藻種類、豐度及赤潮藻總豐度在浮游植物總豐度中占比情況見圖2。

注：HA表示赤潮藻，OA表示非赤潮種

不同船舶壓載水樣品中赤潮藻豐度差異較大(圖2)，壓載于中國東海海域的5#樣品中赤潮藻豐度最高，達到(5.35 ± 1.097)× 103cells/L，占比該浮游植物中的66.60%，其中以具槽直鏈藻(M.sulcata)豐度最高，達到(4.467 ± 0.98)× 103cells/L，壓載水齡為3 d，采樣季節(jié)為春季；赤潮藻豐度相對較高的樣品還有壓載于中國南海海域的3#樣品，赤潮藻總豐度為(1.767 ± 0.189)× 103cells/L，占比該浮游植物中的89.83%，其中以中肋骨條藻(S.costatum)豐度最高，達到(1.7 ± 0.229)× 103cells/L， 壓載水齡為41 d，采樣季節(jié)為秋季。其余海域的赤潮藻豐度相對較小，低于1×103cells/L。從赤潮藻占比情況分析，最高的是3#樣品(89.83%)，其次是壓載于印度洋海域的10#樣品，占比85.00%，其中，中肋骨條藻(S.costatum)豐度最高，達到(0.567 ± 0.176)× 103cells/L，壓載水齡17 d，采樣季節(jié)為秋季。另外，壓載于大西洋海域的12#樣品和來自于中國東海海域的5#樣品中赤潮藻占比也較高，在60.00%以上。赤潮藻占比較低的是采樣于秋季的4#(2.44%)和9#(8.33%)樣品，壓載水齡分別為98 d和64 d，而壓載于大西洋和印度洋的8#和11#樣品中未檢測到赤潮藻。12份樣品的赤潮藻平均豐度為(0.707 ± 1.545)× 103cells/L，浮游植物平均豐度為(1.349 ± 2.212)× 103cells/L，赤潮藻平均占比52.42%。

2.4 壓載水中藻類豐度、赤潮藻豐度與環(huán)境因子的關(guān)系

通過Pearson 相關(guān)性分析得出，壓載水中浮游植物總豐度與赤潮藻豐度成極顯著相關(guān)關(guān)系，但這兩者與鹽度、水溫、pH 和溶解氧無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。

表3 浮游植物豐度和赤潮藻豐度與水質(zhì)指標的相關(guān)性分析

3 討論

本研究與其它研究結(jié)果相似，盡管水齡不同，航線不同，但硅藻門(Bacillariophyta)均為船舶壓載水中浮游植物群落的優(yōu)勢門類，可能與其生活適應性相關(guān)[22-23]。12份船舶壓載水樣品攜帶的赤潮藻類有11種，出現(xiàn)的中肋骨條藻(S.costatum)、瓊式圓篩藻(C.jonesianus)、條紋小環(huán)藻(C.striata)、柔弱根管藻(R.delicatula)等赤潮藻種類在我國大部分海域均有分布[24]，船舶運輸?shù)脑黾訒龃笪锓N傳播的頻率，也會增加物種入侵的數(shù)量，由于貿(mào)易的增加和航運路線的擴大，有害物種的分布范圍也在不斷擴展[25]。船舶壓載艙在船舶航行過程中并非為浮游植物生活的理想場所，許多浮游植物不適應壓載艙中無光、溫度變化劇烈、營養(yǎng)鹽缺乏的環(huán)境，沉入壓載艙底并死亡[26]。然而，一些藻類具有較強的環(huán)境適應性，在惡劣的環(huán)境條件下能形成休眠孢子度過不良環(huán)境，還有一些藻類存在其他替代的營養(yǎng)方式保持生命力，即使是在惡劣的情況下仍然能夠存活[25]，當船舶到達目的港后，一些存活下來的浮游藻類隨壓載水排放進入新的海域，一旦周圍環(huán)境適合其生長，它們便會在目的港生長繁殖，甚至導致赤潮發(fā)生，對目的港口的環(huán)境造成一定的危害[27-28]。

自然水域中浮游植物豐度受到多種環(huán)境因子如溫度、鹽度等的影響[20]，但壓載水艙環(huán)境條件較為特殊，其水體雖來源于自然海域，卻隔離于自然海域。關(guān)于壓載水中浮游植物豐度與環(huán)境因子之間關(guān)系的研究較少，本次研究發(fā)現(xiàn)，壓載水中溫度、pH、溶解氧和鹽度等環(huán)境因子與赤潮藻豐度和浮游植物豐度之間無顯著相關(guān)性，壓載水中存活下來的多是廣溫廣鹽性物種[29-30]，如豐度較高的中肋骨條藻(S.costatum)和具槽直鏈藻(M.sulcata)。在壓載水中發(fā)現(xiàn)的赤潮藻具槽直鏈藻(M.sulcata)最適生長溫度為25 ℃，在鹽度16 ～ 32 PSU范圍影響不大，但在24 PSU處，直鏈藻獲得最大生長率[31]，因此，在洋山港4—10月份的鹽度及溫度條件下通過壓載水向海域中排放該種藻類具有一定的潛在風險。本次調(diào)查在壓載于印度洋海域的9#樣品中發(fā)現(xiàn)具尾翅甲藻(D.caudata)，該種是一種產(chǎn)腹瀉性貝毒(DSP)的赤潮藻，2004—2005年，長江口及其鄰近海域曾發(fā)生有毒赤潮13起，約占赤潮總數(shù)的1/4，其中就包括該種藻類[11]。在本次調(diào)查所采的壓載水樣中還多次發(fā)現(xiàn)了中肋骨條藻，這些水樣分別來自黃海、中國南海、印度洋和大西洋海域，其生存的適宜溫度范圍是21.8 ℃～25.1 ℃[32]，洋山港的環(huán)境(尤其在夏季)特別適宜其生長繁殖，在長江口及東海赤潮高發(fā)區(qū)，每年均監(jiān)測到多次中肋骨條藻赤潮發(fā)生，中肋骨條藻在赤潮優(yōu)勢種中所占比例超過20%[33]，由其引發(fā)的赤潮數(shù)量占到東海赤潮總量的13.8%[34]，所以應對壓載自這些海域的壓載水嚴格控制，加大監(jiān)測力度。

上海國際航運中心洋山深水港區(qū)是國際遠洋航運的主靠港之一，位于長江入?？?，東海東北邊緣區(qū)域。長江口及其鄰近海域?qū)儆诟粻I養(yǎng)化海域[35]，為浮游植物的繁殖提供了充足的營養(yǎng)鹽。李曉琳等人調(diào)查了2011—2015年間洋山港的浮游植物群落組成，5 a間浮游植物全年平均密度介于6.00×103cells/L～4. 36×105cells/L之間，鑒定到該海域浮游植物近300種，硅藻門(Bacillariophyta)為主要優(yōu)勢門類，其次是甲藻門(Pyrrophyta)，其中，中肋骨條藻(S.costatum)和波羅的海海鏈藻(Thalassiosirabaltica)的優(yōu)勢度較高，扁圓卵形藻(Cocconeisplacentula)、具槽帕拉藻(Paraliasulata)、小環(huán)藻屬(Cyclotellaspp.)、圓篩藻屬(Cosinodisusspp.)和菱形藻屬(Nitzschiaspp.)也是主要的優(yōu)勢種[20,36]，說明該海域適宜浮游植物尤其是這些優(yōu)勢種類的繁殖。本次調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了中肋骨條藻(S.costatum)、條紋小環(huán)藻(C.striata)、瓊式圓篩藻(C.jonesianus)、長菱形藻(N.longissima)等赤潮藻種，雖然豐度不高，但這些藻類在經(jīng)歷了壓載艙的極端環(huán)境后，若被排放到適宜其生長繁殖的洋山港附近海域，有可能造成其大量繁殖甚至引發(fā)赤潮。19世紀以來，東海赤潮發(fā)生次數(shù)遠遠高于我國其他海域，其中長江口及其鄰近海域赤潮發(fā)生最為頻繁，規(guī)模大且持續(xù)時間長[33]。有些引發(fā)赤潮的物種屬于外來入侵種，據(jù)統(tǒng)計，全球海洋物種入侵事件中1/3以上與船舶壓載水有關(guān)[34]。因此，洋山港所面臨的船舶壓載水攜帶赤潮藻入侵的風險較為嚴峻，壓載水攜帶的赤潮藻已成為洋山港及鄰近海域赤潮爆發(fā)的潛在風險源?？山Y(jié)合使用傳統(tǒng)分類學方法、實時定量PCR檢測，或者開發(fā)新的快檢試劑盒，實現(xiàn)快速監(jiān)測目標藻類的目的。

4 結(jié)論

本研究對12艘船舶壓載水攜帶的藻類進行了調(diào)查，鑒定出赤潮藻11種，其中硅藻門8種，甲藻門3種。包括兩種產(chǎn)毒赤潮藻具尾翅甲藻(D.caudata)和利馬原甲藻(P.lima)。赤潮藻優(yōu)勢種有具槽直鏈藻(M.sulcata)、柔弱根管藻(R.delicatula)、中肋骨條藻(S.costatum)。壓載于近岸海域的壓載水樣中赤潮藻種類和豐度高于遠海海域，來源于遠海海域的兩份樣品中未檢測到赤潮藻。綜合本研究及以往研究，可認為外來船舶壓載水的排放對洋山港及周邊環(huán)境具有一定風險生態(tài)。應對壓載水攜帶有毒有害、高豐度赤潮藻類進行嚴密監(jiān)測，對相關(guān)來源海域的船舶壓載水采取有效的處理措施。