赤潮防治的研究进展

赤潮防治的研究进展摘要：本文解释并分析了赤潮发生的概况、机理及其危害，综述了国内外赤潮的防治方法和研究进展，对以后赤潮的防治和治理进行了展望。关键词：赤潮；发生概况；防治方法有害赤潮肆虐于我国和世界各国沿海，是国际社会共同关注的重大海洋环境问题和生态灾害1。近年来我国沿海富营养化日趋严重，赤潮爆发的频率也越来越高，地区越来越广，对我国海域生态环境、经济发展造成了严重的破坏，特别是有毒赤潮直接威胁到人类的健康。赤潮的危害性促使人们对赤潮进行深入研究，对赤潮防治的研究也显得越来越重要。1.赤潮及其危害1.1赤潮概况和发展趋势赤潮（redtideoralgalblooms）是在特定的环境条件下，海水中某些浮游植物、原生动物、细菌爆发性增殖或高度聚集而引起水体变色的一种有害生态现象2，又称有害藻类水华(HABs)。赤潮并非都是红色，它实际上是这类生态现象的统称。水体的颜色根据发生原因、种类和数量的不同，会呈现红色或砖红色、绿色、黄色等。但某些赤潮生物（如膝沟藻、裸甲藻、梨甲藻等）引发的赤潮有时并不引起海水呈现任何特别的颜色。赤潮的形成主要经历以下4个阶段：赤潮藻类孢子的存在——一定的物理、化学条件下开始分裂繁殖——大量的爆发性增殖形成赤潮——形成配子、产生孢子。从环境学和系统学角度来看，赤潮发生是外部不良环境因素积累的结果。当不良环境因素累积到某一临界点时，海洋生态系统的平衡状态遭到破坏，浮游生物爆发性增殖，从而导致灾害发生；从生态学和管理学角度来看，赤潮现象的发生与人们行为方式不当所造成的环境恶化及赤潮防治工作所执行的相关环境保护政策密切相关3。1990年联合国已将赤潮列为世界三大近海污染问题之一。我国在20世纪90年代以前，沿海海域的赤潮发生频率较低，大规模赤潮发频率平均为每年10次左右。进入90年代以后，赤潮进入了爆发性阶段，每年大规模赤潮爆发次数超过20起4。据统计，01、02年我国海域共记录到赤潮分别为77次和79次；03年发生大规模赤潮灾害119次，达到历史最高值；04年以后，每年大规模赤潮的爆发数均超过八十次，大面积赤潮集中发生在长江口及浙江、福建近海海域；2003年仅福建近海海域就发生29起。目前，我国仍处于赤潮灾害的高发阶段。赤潮频发给我国沿海造成了严重的生态、资源、环境问题，也给经济带来了重大损失，例如2005年发生在我国浙江海域的达上万平方公里的米氏凯藻赤潮，造成舟山地区养殖业直接经济损失超过2000万元；2007年中国海洋环境质量公报指出因赤潮造成的直接经济损失逾600万元。另外还有些赤潮生物能产生毒素，经贝类或鱼类摄食累积后危害食用者的健康和生命。调查表明麻痹性贝毒和腹泻性贝毒这两类主要的藻毒素污染普遍存在于我国沿海，近年来随着有害赤潮发生范围的不断扩大，能够形成赤潮的有害藻种类数也在不断增加，甲藻等有害种类已成为我国赤潮的主要原因种。这些现象充分表明了我国赤潮问题的严重性和复杂性5，预示着我国赤潮高发区的海洋生态环境已经受到了严重的干扰，生态系统的正常结构和功能已经或正在被改变，而且生态环境一旦失衡恶化，将很难在短期内恢复。1.2赤潮发生的机理根据国内外大量监测资料的分析与研究结果，表明赤潮发生必须要求特定的环境条件，其发生主要与水体大气环境及生物环境等有密切关系。张水浸等6认为赤潮发生的主要环境条件可归纳为物理、化学、气象、水文等环境条件。具体可包括：（1）海域水体的富营养化——这是赤潮发生的水体物质基础和首要条件。国内外的赤潮研究均把营养盐的变化对赤潮生物生长影响规律作为基本研究内容7。研究表明，河口海域营养盐的大量输入不仅能够引起浮游植物生物量的急剧增加，还可能导致浮游植物群落结构的变化。但需要注意的是，富营养化水体并不意味着一定发生赤潮。如深圳湾，几乎每年的N、P等浓度均超过富营养化阈值，但却很少发生赤潮；（2）合适的海流作用与天气形势；（3）适宜的水温与盐度；（4）海水养殖的自身污染；（5）海域中存在赤潮生物种源；（6）国际交流促成赤潮传播；（7）水动力状况变化；（8）其它因素——如铁参与了藻类叶绿素合成、电子传递和氮素同化等过程。低浓度铁限制赤潮藻类的生长8。由于开放海域中溶解铁浓度很低，使其成为除氮、磷以外限制海洋初级生产力的重要因素9。目前已知的还有维生素B1、B2，微量重金属锰，动物组织和酪肮分解物、酵母及其消化浸出物、脱氧核糖核酸、植物荷尔蒙等。1.3赤潮的危害赤潮主要发生在近海水域，面积可达几百至上万平方公里，由表及里波及的海水厚度约为3m。赤潮形成后，对海洋生态系统的破坏难以估量，对人类健康，水体利用同样具有严重的威胁。具体表现为：（1）影响生态环境：赤潮会导致水体溶解氧下降、透明度降低、水质恶化、鱼贝及其他水生生物大量死亡，严重破坏海洋生态环境。（2）危害人类健康：海水中某些藻类可释放出剧毒物质，通过食物链损害人体健康甚至致人死亡。例如铜绿微囊藻可释放一种能够引起人们消化道炎症的水溶性环式多肽毒素；硅藻属可产生贝毒，目前已发现的贝毒包括麻痹性贝毒(PSP)、腹泻性贝毒(DSP)、神经性贝毒(NSP)、记忆缺失性贝毒(ASP)、西加鱼毒(CFP)等，其中麻痹性贝毒是一种很强的神经毒，对人的致死量为（0.54-0.90）10，毒性比古柯碱毒10万倍11，比眼镜蛇毒素还毒80倍12，严重危害人类健康。1983年发生在菲律宾Magueda湾的有毒赤潮，超过700人中毒，并导致21人死亡，造成当地社会恐慌。据报道，贻贝、扇贝属于毒素累积较快的贝，贻贝可以在两周内排出体内所含的毒素，而扇贝体内的毒素可以保留几个月至数年。（3）影响水体的利用：被赤潮污染的水体由于缺氧而产生硫化氢、甲烷和氨等有毒有害气体以及水藻产生的某些有毒的物质，更增加了制水过程中的技术难度，既影响制水厂的出水率，同时也加大了制水成本费用。（4）造成严重的经济损失：赤潮一方面对部分产业的发展具有破坏作用，特别是对养殖业、渔业和旅游业等海洋产业的发展具有较强的负面影响；另一方面由于破坏海洋生态结构，降低了经济发展的环境要素支撑能力，也会造成严重的经济损失。赤潮问题所造成的危害较大，最大限度的降低赤潮灾害的发生频率，是目前世界和都面临的一个紧迫和严峻的问题。2防治研究现状和进展早在40多年前，由于美国近海富营养化，赤潮多次爆发，为了治理赤潮，美国先后用CuSO4等4700种化学药剂杀灭海洋赤潮生物，但只有少量药剂有效，而且有效的药剂也存在使用量过大和对非赤潮生物有负面影响等问题。随着世界各国海洋经济的迅速发展，赤潮在某些海域频繁发生，带来的危害也越来越严重，这已引起各滨海国家的重视。治理赤潮的难点在于海浪运动会改变药剂浓度分布，如何解决在极短的时间内，保持药剂浓度在能杀灭赤潮生物的阈值内，又不对非赤潮生物有任何伤害，也不存在药剂本身的二次污染，这是亟待解决的关键技术问题。为此，国际上对治理赤潮的方法提出如下5项标准：(1)在药剂低浓度条件下杀灭赤潮生物；(2)药剂能自身分解成无害物质，无残留物，同时又能分解赤潮生物分泌的毒素及其遗体产生的H2S、NH3、CH4等有害物质；(3)杀灭赤潮生物时间要短，在海浪冲击稀释药剂浓度过程中能迅速杀灭赤潮生物；(4)成本低廉；(5)易操作。即消除赤潮的最好方法是既要杀死赤潮生物，又对其它生物无害，又要不危害海洋环境，且价格低廉使用方便。目前，国内外不少学者仍进行了大量药剂杀灭方法和凝聚(絮凝)方法治理赤潮的研究工作13，例如使用CuSO4杀菌赤潮生物和粘土絮凝等方法的效果实验研究14。治理赤潮的方法主要有：2.1物理方法物理法就是在赤潮治理中，利用某些设备、器材在水体中设置特定的安全隔离区，分离赤潮水体中的赤潮生物或利用机械装置灭杀、驱散赤潮生物的方法，这种方法是利用物理手段依据赤潮的生长和活动特性来减少赤潮对养殖区的影响。目前国内外消除赤潮常用的物理方法有:围隔栅法、气幕法、增(充)氧法、网箱与台筏沉降法、网聚捕捞法、超声波法等。围隔栅法是用围隔栅将表层赤潮与养殖区隔开；气幕法和增(充)氧法是采用设在养殖海区周围海底的通气管向上放出大量气泡来隔离赤潮，同时也起到充氧作用；此外还有在赤潮密集区用吸水泵将赤潮水吸到船上处理，或用网具捕捞回收赤潮生物的方法以及用超声波杀死赤潮生物的方法。2.2化学方法化学方法具有见效快的特点，是采用最早、使用最多、发展最快的一种方法。包括以下几种：2.2.1利用化学药物直接杀灭法15硫酸铜、次氯酸钠、氯气、氧化氢、臭氧、过碳酸钠等可直接杀死藻类。硫酸铜在治理淡水浮游植物时很成功；尹平河研究的TB(载铜可溶性玻璃粉)杀藻率很高(浓度为3.5mg/L，即达96.2%)，没有或只有很低的铜离子残留16。2.2.2石灰消毒法即向海底撒布生石灰可以促进有机质的分解，改善底质微量元素状况，抑制氮磷的释放，灭菌消毒，可有效地抑制甲藻类生物的繁殖生长17。在日本已有20多年撒布石灰改善水域底质的经验，日本水产厅研究部渔场保全课已编制成《石灰改善底质手册》。使用硫酸铜有以下缺点:(a)对非赤潮生物具有毒性，破坏近岸生态系统；(b)控制赤潮是暂时的；(c)成本高18。虽经不少专家努力研究，但Cu破坏近海生态系统和成本高的问题仍未得到彻底解决。2.2.3凝聚剂沉淀法主要是利用物质的胶体化学性质，使赤潮生物凝聚、沉淀后回收。由于赤潮生物具有昼浮夜沉趋光性质，治理时的凝聚过程主要在表层进行，所以表面活性剂和凝聚剂成为发展较快的赤潮治理剂。微生物絮凝剂是一种新型的絮凝剂，目前正处于研制阶段，尚未见用其治理赤潮的报道，但它具有其他絮凝剂无法比拟的优越性，具有高效、无毒、易于生物降解等独特的优点，在赤潮治理方面有着广阔的应用前景。2.2.4天然矿物絮凝法采用粘土矿物对赤潮生物的絮凝作用和矿物中铝离子对赤潮生物细胞的破坏作用来消除赤潮。王辅亚研究发现改性粘土可大大增加对赤潮生物的絮凝作用，且可以吸附水体中过剩的营养物质，如N、P、Fe、Mn等，破坏赤潮生物赖以生存、繁殖的物质基础19；最近有研究报道：改性粘土去除塔玛亚历山大藻时，能有效降低水体中藻细胞浓度及其所携带的PSP毒素。改性粘土可以作为赤潮治理的应急措施20。粘土矿物类消灭赤潮的方法具有原料来源丰富、成本低、无污染、吸附力强等优点。在赤潮发生时撒布粘土可使水中有机悬浮物凝集(尤其是蒙脱土的凝集作用最强)，沉淀后被复在底泥上，以减缓底层的耗氧和营养盐的溶出。据日本学者大须贺龟丸研究，用适量酸处理后的粘土可显著提高其去除效率，减少因撒布粘土而引起的淤渣。2.2.5羟基[·OH]治理方法21羟基自由基[·OH]可以使赤潮生物的氨基酸氧化分解，改变蛋白质的空间构象，导致蛋白质变性或酶失去活性，使赤潮生物死亡；另一方面，羟基攻击赤潮生物的生物膜，导致膜破裂，使细胞内含物外泄；羟基自由基又使溶酶体、微粒体上的多种酶活性降低或失活而致死。羟基自由基具有极强的杀灭赤潮生物的反应速度，同时羟基自由基又具有除臭、脱色的特性。羟基由海水和空气中的氧制成，经20min左右后又还原成水和氧气，所以该药剂是无毒、无残留物的理想药剂。一般来说，化学方法的时间效应比较快，但它不可避免地将造成环境的二次污染。特别是在给水处理中，发达国家已基本放弃了投加药剂法，避免对人体健康造成危害。可以说，这是一种权宜之策。2.3生物方法生物法对环境无二次污染，是最有发展前途的一种方法，也是目前研究最为热门的一种赤潮的治理方法22。2.3.1利用浮游动物的摄食抑制赤潮生物的增长自然海区中浮游动物的存在起了控制或延缓浮游植物水华或赤潮发生的作用23因此可以发展以浮游生物为主食的贝类等海洋生物，捕食或遏制赤潮生物的大量繁殖。比较各种控藻生物因子的环境适应力、繁殖能力、控藻效力、宿主范围、对宿主改变的适应能力以及不利环境下的抗逆性等多种因素，人们认为原生动物是一种很有实用前景的控藻因子24。沉降、病原性裂解和被浮游动物摄食是浮游植物消亡的主要方式，尤其是小型浮游动物（原生动物）的摄食在其中起重要作用。小型浮游动物因具有生长速率快，生物量大等特点，在一定条件下可以大量摄取浮游植物