錢 偉,馮建祥,寧存鑫,朱小山*,王秋麗,蔡中華

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近海污染的生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

錢 偉1,2,馮建祥3,寧存鑫1,4,朱小山1,2*,王秋麗5,蔡中華1

(1.清華大學(xué)深圳研究生院,海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)部,廣東 深圳 518055；2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084；3.中山大學(xué),生命科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510275；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院,土木與環(huán)境工程學(xué)院,廣東 深圳 518055；5.遼寧省環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)中心,遼寧 沈陽 110161)

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,近岸海域污染已成為世界性難題,嚴(yán)重影響近海海洋生態(tài)系統(tǒng).如何對受損海洋生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)成為當(dāng)前海洋環(huán)境科學(xué)的熱點(diǎn)問題.本文結(jié)合國內(nèi)外的研究進(jìn)展,扼要闡述了海洋生態(tài)修復(fù)的基本原理;并按生態(tài)系統(tǒng)不同營養(yǎng)級——生產(chǎn)者(植物)、消費(fèi)者(動物)和分解者(微生物)梳理了當(dāng)前主要的近海污染生態(tài)修復(fù)技術(shù)及其研究現(xiàn)狀;分析其在修復(fù)實(shí)踐中可能存在的問題并提出進(jìn)一步的研究方向.本文可為控制海洋污染,保護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng),開展海洋生態(tài)修復(fù)理論與實(shí)踐研究,以及制定海洋生態(tài)保護(hù)政策提供有益的參考.

海洋污染；海洋生態(tài)；生態(tài)修復(fù)；海洋資源；生物修復(fù)

作為連接陸地與海洋的過渡地帶,近海海洋生態(tài)系統(tǒng)受海陸共同作用,蘊(yùn)藏著豐富的自然資源,孕育了多種多樣的生態(tài)系統(tǒng),包括河口、海灣、濱海濕地、紅樹林、海草(藻)床、珊瑚礁等.但同時(shí),近岸海域也是脆弱的生態(tài)敏感區(qū),在人類活動與全球變化的影響下承受巨大的壓力.2002~ 2005年完成的國際千年生態(tài)評估計(jì)劃報(bào)告指出[1],由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)資源的過度開發(fā),目前全球超過60%的海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在退化.全球超過35%的紅樹林、超過20%的珊瑚礁被破壞,而另有20%的珊瑚礁在退化;部分地區(qū)海岸帶濕地?fù)p失超過30%.非洲北部,北美洲的美國,南美洲的巴西、哥倫比亞、秘魯?shù)?亞洲的日本,歐洲的挪威、芬蘭、丹麥、瑞典、德國、法國、意大利、希臘、前蘇聯(lián)等國家地區(qū)近海水體確認(rèn)有富營養(yǎng)化問題[2],全世界三分之一的海岸生態(tài)系統(tǒng)處于嚴(yán)重退化危險(xiǎn)之下[3].我國的近海海洋生態(tài)狀況也非常嚴(yán)峻.20世紀(jì)50年代以來,由于圍海造地、圍海養(yǎng)殖、填灘造陸、港口建設(shè)等,我國已喪失大量海灣面積;天然紅樹林面積減少約73%;珊瑚礁減少80%.根據(jù)2016年中國海洋環(huán)境狀況公報(bào)統(tǒng)計(jì),我國近岸海域污染嚴(yán)重,遼東灣、長江口、杭州灣、珠江口的近岸區(qū)域出現(xiàn)重度富營養(yǎng)化現(xiàn)象.面積在100km2以上的海灣中,有16個海灣海水水質(zhì)劣于第四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[4].近海海洋作為人類寶貴的空間資源、賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,海洋污染與生境破壞都將導(dǎo)致生物多樣性喪失以及生態(tài)失衡,嚴(yán)重制約了其生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮.為了合理利用和有效保護(hù)近海生態(tài)系統(tǒng),必須在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)兼顧生態(tài)保護(hù)與修復(fù).本文結(jié)合目前的生態(tài)修復(fù)理論,針對近海污染問題,梳理近年來熱點(diǎn)討論的生態(tài)修復(fù)技術(shù),總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)潛在問題,以期為相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和政府決策部門提供參考.

1 海洋生態(tài)修復(fù)概念

生態(tài)修復(fù)是指停止對生態(tài)系統(tǒng)的人為干擾,減輕生態(tài)壓力,依靠生態(tài)系統(tǒng)的自我平衡能力使其向有序的方向進(jìn)行演化,并逐步恢復(fù)到一定功能水平的過程;或者利用生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)能力,輔以人工措施,使受損生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復(fù)或向良性循環(huán)方向發(fā)展的過程[5].當(dāng)前,生態(tài)修復(fù)的主要研究內(nèi)容涵蓋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能以及系統(tǒng)內(nèi)各組分的相互作用機(jī)制與生態(tài)學(xué)過程,主要關(guān)注系統(tǒng)的穩(wěn)定性、多樣性、抗逆性、生產(chǎn)力與可持續(xù)性、先鋒群落與頂級群落的發(fā)生、發(fā)展機(jī)理與群落演替規(guī)律,尋找不同干擾條件下生態(tài)系統(tǒng)的受損過程及其響應(yīng)機(jī)制,建立生態(tài)系統(tǒng)退化的診斷及其評價(jià)指標(biāo)體系,對生態(tài)系統(tǒng)退化過程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測、模擬、預(yù)警及預(yù)測等[3].事實(shí)上,一個完整的生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)工程中,生態(tài)系統(tǒng)的各個組分必然要原位歷經(jīng)自然的生態(tài)過程[3],涉及的生態(tài)學(xué)原理包括有限制因子原理、能量流動原理、種群密度制約及分布格局原理、生態(tài)適應(yīng)性理論、生態(tài)位原理、演替原理、生物入侵理論、生物多樣性原理、功能群構(gòu)建原理等[6].在生態(tài)修復(fù)實(shí)踐中,基于干擾與演替原理、功能構(gòu)建原理來制定合理的修復(fù)方案,并對其可行性進(jìn)行論證,以盡可能保證修復(fù)行為或目標(biāo)系統(tǒng)向預(yù)期方向發(fā)展是常見的措施[3,7].

關(guān)于海洋生態(tài)修復(fù),目前國內(nèi)外尚無清晰統(tǒng)一的概念.一般來講,海洋生態(tài)修復(fù)的總體目標(biāo)是:在停止或減少人為干擾基礎(chǔ)上,采用適當(dāng)?shù)纳?、生態(tài)及工程技術(shù),逐步恢復(fù)退化或受損海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,最終達(dá)到海洋生態(tài)系統(tǒng)的自我持續(xù)狀態(tài)[8-9].在具體的海洋污染生態(tài)修復(fù)實(shí)踐中,采用的生態(tài)修復(fù)技術(shù)包括物理、化學(xué)、生物等多個方面,其中生物技術(shù)應(yīng)用較多,包括微生物、植物和動物修復(fù)技術(shù)[8].

2 近海海洋生物修復(fù)技術(shù)

2.1 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)技術(shù)是指利用微生物或微生物菌群來降解環(huán)境中的有機(jī)物或有毒有害物質(zhì),使之減量化甚至無害化,從而使環(huán)境質(zhì)量得到改善,生態(tài)得到恢復(fù)或修復(fù)的技術(shù).微生物修復(fù)已成功應(yīng)用于土壤、地下水和河流的污染治理,在近海海洋污染修復(fù)方面,也已經(jīng)取得令人矚目的成果,對包括有機(jī)污染物(如石油類、農(nóng)藥、揮發(fā)酚等)和重金屬等污染物的治理方面開展了大量的研究.

2.1.1 海洋有機(jī)物污染的微生物修復(fù) 石油、農(nóng)藥以及持久性有機(jī)物污染(POPs)已成為國內(nèi)外主要的海洋有機(jī)物污染問題[10].隨著海洋溢油事件的不斷發(fā)生,特別是重大海洋油污染事件的爆發(fā),使海洋石油污染受到高度關(guān)注.石油的組分包括鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴以及非烴類化合物.微生物主要通過脫氫作用、羥化作用、過氧化作用等,在酶促系統(tǒng)共同作用下完成自身的代謝功能,同時(shí)通過不同的途徑分解轉(zhuǎn)化這些烷烴、芳香烴以及中間產(chǎn)物如烯烴等,最終使石油污染無害化[11-12].在實(shí)際環(huán)境中,能夠降解石油類污染物的微生物大量存在,但是土著微生物對石油類污染物的自然降解效率很低.通過人為添加活性物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)以及接種高效降解菌株等手段可以促進(jìn)微生物對石油的降解[13].添加表面活性劑擴(kuò)大油類的彌散面積,可以增強(qiáng)細(xì)菌、真菌對石油烴的吸收和降解[14].微生物實(shí)際上在生長過程中自身也會產(chǎn)生表面活性劑如糖脂、脂肽、多糖脂和中性類脂衍生物等代謝產(chǎn)物,增加石油組分的可溶性,進(jìn)一步擴(kuò)大石油降解率[15].例如王冬梅[16]以石油烴降解微生物菌劑和銅綠假單胞菌株A6為對象,發(fā)現(xiàn)鼠李糖脂可提高菌劑細(xì)胞的表面疏水性和石油降解效果,對石油中的正二十三烷和正三十三烷的降解率分別較對照提高了21.5%和33.7%.此外,添加營養(yǎng)物質(zhì)可以保證微生物的最大增長速率,從而取得良好的修復(fù)效果[17].例如,添加親油性肥料作為微生物強(qiáng)化劑,已成功應(yīng)用于修復(fù)受溢油污染的海岸.但針對不同類型的污染物,其添加的最適營養(yǎng)物不盡相同[18].在以色列海灘的一項(xiàng)現(xiàn)場試驗(yàn)表明,聚脲醛樹脂(F-1)和以此為氮源的石油降解菌活性菌劑,增強(qiáng)了細(xì)菌對不能利用F-1的土著微生物的競爭優(yōu)勢,成功地提高了石油烴的生物降解效果[19].另外,接種高效降解菌群可能是增強(qiáng)重油微生物降解的一個有效途徑[20].不同類型微生物對碳源的利用目標(biāo)和方式有所不同,經(jīng)優(yōu)化組合可選出石油降解優(yōu)勢菌群.寧卓等[21]優(yōu)選出由細(xì)菌、酵母菌和霉菌組成的高效菌群,不僅能有效降解超重油,而且對重質(zhì)原油和輕質(zhì)原油表現(xiàn)出更好的降解能力,降解率分別為56.93%、65.66%、82.69%.但微生物降解菌劑限于其生物特性,往往存在穩(wěn)定性差、菌體易流失、反應(yīng)啟動速度慢、優(yōu)勢菌種濃度低、與土著競爭處于弱勢且易被原生動物捕食等問題.近年來研究發(fā)現(xiàn),采用載體進(jìn)行固定化是提高微生物降解菌劑有效性和穩(wěn)定性的重要方向.經(jīng)載體固定化后,不僅可提高接種微生物的數(shù)量和活性,也提高了微生物細(xì)胞的穩(wěn)定性和降解效率.例如2010年“7·16”大連海洋溢油事件發(fā)生后的近海環(huán)境修復(fù)中,將降解石油的活性菌種負(fù)載在沸石載體上,促其形成生物膜,加速了石油凈化,10個月后的油污平均去除率達(dá)到58.14%[22].另外,以蝦加工廢料中的幾丁質(zhì)、殼聚糖鱗片或貝殼等海洋特有材料為載體,對外源菌群固定化后,菌群存活率和降解活性大大提高,烴類去除率達(dá)到75%左右,對風(fēng)化溢油修復(fù)效果顯著[23-24].盡管,微生物修復(fù)石油污染的研究取得了豐碩成果,但是需要指出,海上溢油往往具有突發(fā)性,并且石油的組分復(fù)雜,含有多種難降解物質(zhì),其中甚至包括一些對于微生物生長有害的毒性物質(zhì),限制微生物對石油的降解,因此有關(guān)微生物降解石油的時(shí)效性、穩(wěn)定性和耐受性仍有待深入研究.

與降解石油不同,海洋土著微生物可以有效降解農(nóng)藥和POPs.一些海洋微生物具有特殊的代謝途徑,可將農(nóng)藥和POPs作為代謝底物,加以利用、降解.例如,微生物sp.(命名為PF32)能以甲基對硫磷為唯一碳源[25],對高濃度甲基對硫磷(100mg/L)的降解率超過99%.臘樣芽胞桿菌()能高效降解海水中的甲胺磷,在受甲胺磷污染的海水養(yǎng)殖區(qū)修復(fù)中起重要作用[26].鄭天凌等[27]從沿岸海域分離了38株有機(jī)磷農(nóng)藥的耐藥菌,其中兩株菌對甲胺磷農(nóng)藥具有明顯的降解作用,在10d內(nèi)對甲胺磷的降解率均超過53%.假交替單胞菌(sp.)能高效降解氯氰菊酯和溴氰菊酯,其降解效率分別為75.6%和90.9%,可用于海水養(yǎng)殖環(huán)境中擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留污染的生物修復(fù)[28].細(xì)菌(),幾乎能僅以硝基酚作為代謝底物進(jìn)行生命活動,可耐受濃度高達(dá)1.8mmol/L的硝基酚脅迫,并可將其完全降解[29].能以硝基芳烴為氮源,并在其誘導(dǎo)下產(chǎn)生亞硝酸還原酶、加氧酶和硝基還原酶,從而將包括硝基苯和硝基甲苯在內(nèi)的多種污染物快速降解[30-31].微生物也對新型的POPs有著一定的降解作用.例如,PAHs作為一種新型的POPs污染物,以其在環(huán)境中半衰期較長和致癌、致畸、致突變的性質(zhì)而受到人們的重視.微生物聯(lián)合修復(fù)PAHs是一種重要的生物修復(fù)方法,它通過多種微生物共存的生物群體,在其生長過程中降解PAHs(圖1),同時(shí)依靠各種微生物之間相互共生增殖及協(xié)同代謝作用進(jìn)一步降解環(huán)境中的PAHs,并能激活其它具有凈化功能的微生物,從而形成復(fù)雜而穩(wěn)定的微生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)[32].目前,大量具有有機(jī)物降解能力的海洋土著微生物已被篩選出來,這些微生物雖屬不同的門類,但都具有相同的有機(jī)污染物去除能力,為利用微生物修復(fù)技術(shù)治理海洋有機(jī)物污染帶來曙光[33].

圖1 微生物對多環(huán)芳烴(PAHs)的降解途徑

2.1.2 重金屬污染的微生物修復(fù) 微生物對重金屬污染的修復(fù)機(jī)理研究目前還不透徹,大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段,且大多針對土壤污染修復(fù),海洋重金屬污染修復(fù)研究相對較少.總的來說主要集中在海洋細(xì)菌對重金屬的吸附性、耐受性及活化與轉(zhuǎn)化方面[34].

微生物對重金屬的吸附及其吸附機(jī)理,包括細(xì)胞外吸附、細(xì)胞表面吸附和細(xì)胞內(nèi)累積等已有較為清晰的論述[35].細(xì)胞外吸附是指微生物通過分泌胞外聚合物(EPS)絡(luò)合或沉淀重金屬離子.細(xì)胞表面吸附則是指帶正電的重金屬離子通過與細(xì)胞表面特別是細(xì)胞外膜、細(xì)胞壁帶負(fù)電組分(如羧基、磷酸根、羥基、巰基和氨基等)相互作用而被吸附到細(xì)胞表面.胞內(nèi)累積是指進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的重金屬離子被微生物通過區(qū)域化作用將其固定于代謝不活躍的區(qū)域(如液泡),或與細(xì)胞內(nèi)的熱穩(wěn)定蛋白(如金屬硫蛋白MT)、絡(luò)合素以及多肽結(jié)合轉(zhuǎn)變成為低毒形式并形成沉淀而被固定.與陸地環(huán)境不同,海洋環(huán)境的流動性迫使海洋細(xì)菌必須具備粘附結(jié)構(gòu)或分泌粘性EPS(如多糖等)以保證一個相對穩(wěn)定的生境,而多糖與重金屬具有高親和性,顯示海洋細(xì)菌在重金屬的吸附去除方面具有更為廣闊的應(yīng)用前景.Umezawa[36]系統(tǒng)研究了167株海洋細(xì)菌,發(fā)現(xiàn)均能產(chǎn)生EPS.Zotti等[37]證實(shí)來自意大利利古里亞海24個重金屬污染沉積物樣品的曲霉屬和青霉菌屬細(xì)菌均對重金屬產(chǎn)生積累.Abd-Elnaby等[38]進(jìn)一步研究了3種從埃及地中海分離的嗜冷桿菌對重金屬的吸附性能,發(fā)現(xiàn)它們可以不同程度地吸附Pb2+、Cu2+和Cd2+,其中Pb2+比其他兩種金屬離子更容易被吸附,在最佳培養(yǎng)條件下可達(dá)到91.47mg Pb2+/g新鮮細(xì)胞.除了單純的吸附作用以外,一些菌群還可通過“吸附-解吸附-再吸附”的方式循環(huán)富集環(huán)境中的重金屬如Zn、Cd、Hg,而且富集能力隨著重金屬含量的增加而提高[39].這些細(xì)菌的吸附作用實(shí)際上是可誘導(dǎo)的代謝依賴型過程:即在重金屬的脅迫下,微生物啟動了多條新的能量代謝反應(yīng)(乳糖、α甲基-D甘露糖苷、葡萄糖-1磷酸)以加快交換吸附和細(xì)胞增殖,而這兩條途徑正是從細(xì)菌個體和微生物群體兩個層次上提高了對金屬的吸附富集能力[10].

海洋細(xì)菌對重金屬的耐受性近年來開始受到重視.Joo等[40]在研究硫酸鹽還原菌對重金屬污染水體的生物修復(fù)作用時(shí),發(fā)現(xiàn)硫酸鹽還原菌可以有效去除海洋環(huán)境中的Cd、Ni和Cr3種重金屬離子,在濃度為1.0′10-4mg/L時(shí),Cd、Ni和Cr的有效去除率分別達(dá)99.9、98.3和74.2%.從海綿中分離出的蠟樣芽胞桿菌菌株P(guān)j1(strain Pj1),則對氯化汞、甲基汞、以及氯化鎘和硝酸鉛表現(xiàn)出良好的耐受性,顯示出應(yīng)用于水體汞、鎘和鉛污染處理的潛力[41].細(xì)菌對重金屬的耐受性與其抗性基因的表達(dá)有關(guān).例如,Jung等[42]發(fā)現(xiàn)了芽孢桿菌在重金屬脅迫下抗性相關(guān)基因CadC的表達(dá),并研究了包括重金屬外排泵和解毒酶相關(guān)的基因組序列,提出利用重金屬敏感基因開發(fā)重金屬特異生物傳感器的設(shè)想.

海洋細(xì)菌對重金屬的活化與轉(zhuǎn)化研究仍較少.目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn),海洋細(xì)菌對重金屬的轉(zhuǎn)化,包括氧化、還原、甲基化、脫甲基化等作用,能最終使有毒重金屬離子轉(zhuǎn)化為無毒物質(zhì)或沉淀,降低重金屬的危害[43].

簡而言之,篩選和利用微生物治理海洋污染已成為海洋生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的熱點(diǎn).但隨著研究的深入,科學(xué)家亦發(fā)現(xiàn)一些微生物添加劑在現(xiàn)場應(yīng)用中并未能發(fā)揮預(yù)期的效果[44].可能的原因與污染物濃度以及微生物自生生長有關(guān):污染物濃度過低則不能維持目標(biāo)微生物的生長,高濃度時(shí)會對微生物具有滅殺作用,也不利于微生物降解修復(fù)[45];或微生物的生長受到自然環(huán)境中的其他物質(zhì)以及捕食者的抑制;也可能是微生物利用了自然環(huán)境中的其它物質(zhì)而不是污染物,或微生物受到某種阻礙未能接觸到污染物,從而無法起到降解作用[46].另外值得注意的是,污染物的降解往往是多個物種共同作用下的結(jié)果,因此物種之間的交互關(guān)系研究可能是探究微生物降解污染物成功的關(guān)鍵[11,47-48].已有研究發(fā)現(xiàn),不同菌種的組合使用,可以獲取比單種微生物更好的效果.例如,胡凌燕等將6株細(xì)菌和1株真菌混合串聯(lián)降解石油,最終的石油降解率可以提高到75.9[49].寧卓等[21]優(yōu)選出由細(xì)菌、酵母菌和霉菌組成的高效菌群,對原油的降解率最高可達(dá)82.69%.張銳等[50]采用復(fù)合微生物菌劑修復(fù)深圳灣污染水體,總氮降低了52.1%,總磷降低了57.6%,明顯優(yōu)于單一菌劑的凈化作用[50].未來的研究應(yīng)不局限于單個高效降解菌株或單一菌群的篩選,還應(yīng)考慮多種細(xì)菌甚至是細(xì)菌與更高等生物的組合作用.另一方面,許多學(xué)者致力于優(yōu)化降解條件和探索微生物的其它降解途徑,取得了不少成果. Athanasios等[51]研究了供氧情況對微生物降解敵草隆的影響,發(fā)現(xiàn)需氧狀態(tài)下微生物對敵草隆的降解率接近60%,而厭氧條件下可達(dá)95%.Kan等[52]的研究發(fā)現(xiàn),以磷灰石和幾丁質(zhì)作為添加改良劑都可以提高微生物的生長速率,并誘導(dǎo)相關(guān)細(xì)菌種群產(chǎn)生硫化物、鐵還原劑、磷增溶劑等,這些都可以明顯提高海洋沉積物中Cu、Cr、Zn等重金屬的減少和固定,顯示出了對海洋沉積物重金屬污染進(jìn)行原位修復(fù)的巨大潛力.表1總結(jié)了海洋環(huán)境中修復(fù)重金屬污染的部分微生物種類[48].但需要指出,海洋污染物的種類繁多,成分復(fù)雜,不同的微生物對不同類型的污染物修復(fù)或降解機(jī)制不同,最適應(yīng)用條件也不同[18],將微生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)有效的應(yīng)用于實(shí)際污染治理當(dāng)中,依然面臨諸多的挑戰(zhàn).

表1 修復(fù)重金屬污染的微生物及吸附重金屬的種類

2.2 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)是一種以植物忍耐、分解或超量積累某些化學(xué)元素的生理功能為基礎(chǔ),利用植物來吸收、轉(zhuǎn)化、降解、固定、揮發(fā)和富集污染物的環(huán)境污染治理技術(shù)[54].植物修復(fù)技術(shù)具有有效、廉價(jià)、不易造成二次污染等優(yōu)點(diǎn),在處理污染物的同時(shí)還能增強(qiáng)海洋環(huán)境的景觀效果,逐漸在污染修復(fù)中受到青睞.目前,植物修復(fù)技術(shù)在河口、海灣和濕地鹽沼都取得了顯著的治理效果,對近海有機(jī)污染、重金屬污染、富營養(yǎng)化都有較強(qiáng)的凈化能力,但植物修復(fù)因?yàn)槭亲匀贿^程,一般比較緩慢,時(shí)間較長[54].

2.1.2 植物對有機(jī)污染的修復(fù) 植物對有機(jī)污染物的超量積累是其主要修復(fù)機(jī)制之一[10].例如,紅樹植物秋茄()對兩種多氯聯(lián)苯(PCB47、PCB155);水生浮萍(和)對殺真菌劑達(dá)滅芬(di-methomorph),均有較強(qiáng)的累積作用[10,55].其中,秋茄根部對PCBs 的生物富集系數(shù)為0.6～1.2,而栽種有秋茄的沉積物中PCBs 的殘留濃度下降了5.28%~15.46%.維管植物(例如空心蓮子草、天竺草、蘆葦、慈姑等)主要通過組織截留和富集的方式有效去除水體中的原油污染[56].除此以外,植物與其他生物的協(xié)同作用也是植物對有機(jī)物污染修復(fù)的重要方式.例如,濱海濕地的紅樹及其根部微生物所構(gòu)成的紅樹微生態(tài)系對石油、PAHs、PCBs和農(nóng)藥等有機(jī)物污染有著良好的修復(fù)潛力.與無紅樹微生態(tài)系相比,紅樹微生態(tài)系可更高效和更快速地降解柴油、甲胺磷和芘,并能對石油污染產(chǎn)生的PCBs和PAHs進(jìn)行高濃度富集[57-58].除紅樹植物外,已發(fā)現(xiàn)多種大型海藻有效降解石油污染物的能力與其附著的石油分解細(xì)菌對石油烴的轉(zhuǎn)化作用密不可分[59-60].Parrish等[61]指出,植物可以促進(jìn)微生物對污染物的轉(zhuǎn)化和降解,而微生物降解有機(jī)污染物或改變污染物的存在形態(tài)反過來減輕污染物對植物的毒害,提高植物的耐受性、促進(jìn)植物對污染物的吸收轉(zhuǎn)化.這種植物-微生物作用尤其對難降解有機(jī)污染物的去除具有重要意義.目前有關(guān)植物與其他生物的協(xié)同作用的研究仍較少,生物種類的搭配方式、協(xié)同作用機(jī)制、修復(fù)的效果以及具體的修復(fù)技術(shù)等仍需進(jìn)一步研究.在具體的修復(fù)技術(shù)方面,除了直接栽種修復(fù)植物以外,浮動床植物修復(fù)技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的一種海洋生態(tài)修復(fù)技術(shù).Huang等[62]通過浮動床植物修復(fù)工藝,展示了海馬齒()在海水有機(jī)污染修復(fù)中的應(yīng)用潛力.美國紐約市環(huán)保局將一系列互花米草浮墊應(yīng)用于牙買加海灣生態(tài)修復(fù).浮床上植物的根能從水表生長到水下,可為水生生物提供棲息地;其根部基質(zhì)和多孔結(jié)構(gòu)對水中污染物的吸附與降解是起高效修復(fù)作用的主要原因.

2.2.2 植物對無機(jī)污染的修復(fù) 植物對海洋環(huán)境中無機(jī)污染(主要包括海水和沉積物中的重金屬污染和富營養(yǎng)化等)的修復(fù)同樣以吸收和富集為主.例如海馬齒()對Cu、Zn、Cd3種重金屬離子聯(lián)合暴露下的生物富集系數(shù)(BCF)均大于10,呈現(xiàn)出很強(qiáng)的生物富集效應(yīng),并且其根部的重金屬耐受濃度高達(dá)1000mg/kg時(shí),也未出現(xiàn)明顯的生長抑制,證明海馬齒具有很強(qiáng)的海洋重金屬修復(fù)潛能[33].此外,堿蓬、大米草、互花米草、蘆葦和香蒲等都可以不同程度的富集和轉(zhuǎn)移濕地水體和土壤中的重金屬(Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、As、Hg)和營養(yǎng)鹽(TN、TP)[63-64].其中,堿蓬生長周期短,生物量較大,可及時(shí)收割處理,對于受Cu、Zn、Cd污染嚴(yán)重的濱海地區(qū),可優(yōu)先選擇堿蓬來進(jìn)行修復(fù)[65].已有報(bào)道發(fā)現(xiàn),堿蓬在鹽度和重金屬的雙重脅迫下依然可以在一個月內(nèi)去除超過75%的Cu、Zn和Cd.而對于Hg污染嚴(yán)重的海灘,可選擇種植大米草.大米草可以吸收有機(jī)汞,將有機(jī)汞部分轉(zhuǎn)化為無機(jī)汞而較多地積累在植株的地下部,在環(huán)境污染的植物修復(fù)方面有重要的利用價(jià)值[66].在Cu、Pb、Zn污染較嚴(yán)重的濕地或近岸,可以種植互米花草,通過收割富集重金屬的互米花草地上部分可有效降低其生長環(huán)境中水體或沉積物中的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)[67].

藻類吸收、富集重金屬的機(jī)理主要是將污染物吸附在細(xì)胞表面,或是與細(xì)胞內(nèi)配體結(jié)合,其中羥基是起主要作用的基團(tuán).已知很多藻類有較強(qiáng)的重金屬富集能力,具有很好的凈化海水重金屬污染的潛力(表2)[68].例如,Yu等[69]的研究證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[70]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%.

目前,已經(jīng)有大量研究證實(shí),在富營養(yǎng)化海區(qū)和養(yǎng)殖海區(qū)栽培大型海藻,可對富營養(yǎng)化水體具有顯著的修復(fù)效果.如表3所示,按照理論上大型海藻組織中氮、磷含量可推算出海藻轉(zhuǎn)移水體中氮、磷的能力[71].經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的大型海藻,如江蘺屬、紫菜屬、海帶屬等海藻可充當(dāng)海洋系統(tǒng)的修復(fù)者.大型海藻紫菜()和耐鹽沉水植物川蔓藻()均對無機(jī)氮磷有較高的去除率,當(dāng)川蔓藻生物量達(dá)到4627g Fw/m2時(shí),水體中TN和TP的去除率分別達(dá)到74.6%和85.4%;而紫菜組織中氮和磷的積累量分別可高達(dá)61.3%和9.9%,充分顯示了它們控制海域富營養(yǎng)化、重建濱海濕地的巨大潛力[72]. Sousa等[73]對葡萄牙Mondego、Tagus河口鹽沼濕地進(jìn)行了長期定位觀測,發(fā)現(xiàn)海岸米草()在形成地上(下)生產(chǎn)力的過程中對營養(yǎng)鹽保持著很高的同化率和周轉(zhuǎn)率,并且能通過沉降作用減輕水體富營養(yǎng)化.此外, Kwon等[74]發(fā)現(xiàn)部分底棲微藻如菱形藻屬(sp.)可以適應(yīng)高營養(yǎng)環(huán)境,且儲存吸收能力強(qiáng),有可能成為原位富營養(yǎng)化植物修復(fù)的適用物種.

表2 不同種類大型海藻對氮、磷的轉(zhuǎn)移能力

顯然,不同的植物物種對不同類型的污染物的清除能力不盡相同,在利用植物修復(fù)技術(shù)時(shí)需要因地制宜的篩選物種與最適條件.此外,還需要注意野外環(huán)境中許多干擾植物生長的脅迫因素,如溫度波動、化學(xué)沉降、天敵取食及病害等,都會對植物修復(fù)的效果產(chǎn)生負(fù)面影響;野外環(huán)境中污染物分布的異質(zhì)性、植物生存環(huán)境的異質(zhì)性也會影響植物的修復(fù)效率并對修復(fù)結(jié)果的評估造成誤差[75].如何應(yīng)對上述挑戰(zhàn),成為今后一段時(shí)期內(nèi)植物修復(fù)研究的重要方向.

表3 不同種類大型海藻對氮、磷的轉(zhuǎn)移能力

2.3 動物修復(fù)技術(shù)

作為海洋生態(tài)系統(tǒng)中處于食物鏈上端的動物來說,它們在生態(tài)修復(fù)上所起的作用也越來越引起人們的重視,其中研究最多的是海洋底棲軟體動物[76].由于這些動物底棲生活,活動范圍相對固定,在污染物監(jiān)測和環(huán)境評估上具有重要潛力.大量研究證實(shí),底棲軟體動物對污染水體的低等藻類、有機(jī)碎屑、無機(jī)顆粒物具有較好的凈水效果,如貽貝、河蚌、牡蠣、螺螄等.近10a來,對底棲軟體動物在生態(tài)修復(fù)上的應(yīng)用主要集中于3類:凈水效果的研究、富集重金屬的研究、以及監(jiān)測水環(huán)境的研究[77].在凈水效果方面,主要是利用水生動物來凈化富營養(yǎng)化水體,即通過放養(yǎng)濾食性和噬藻體的魚類、浮游動物、底棲生物或其他生物來減少藻類等浮游植物對水體造成的危害.從群落水平上看,部分植食性浮游動物和濾食性動物能把富營養(yǎng)化水域的藻類生物量控制在極低的水平,從而限制浮游植物的過量增長,改良水質(zhì).例如Wu等[78]在富營養(yǎng)化鹽田灣研究了魚類與龍須菜及海帶的共培養(yǎng)比例,發(fā)現(xiàn)龍須菜為海帶產(chǎn)量的1.26倍時(shí),可以實(shí)現(xiàn)對水體N的富集，并通過魚類的攝食達(dá)到去營養(yǎng)化的目的.以色列的科研人員通過實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究證明,海螺能吸收水體里過量的P、S等營養(yǎng)元素,并吃掉部分腐敗型微小生物,利于水質(zhì)的保潔.弗吉尼亞灣的牡蠣可以每周將全灣的海水過濾一遍.貽貝能通過濾食,有效的去除上述污染物,凈化水體.泥蚶對Cu、Pb、Cd 3種重金屬離子均具有較高的累積能力,其對3種重金屬的生物富集系數(shù)分別為:210.16~1178.66、128.15~603.84和198.84~ 659.37[79].2011年,紐約市環(huán)保局在布魯克林的Fresh Creek為羅紋貽貝的生長建造了幾處人工基質(zhì),并定期對貽貝的生長、基質(zhì)狀況和水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測.其主要目標(biāo)是測試貽貝在去除污染物、凈化水質(zhì)方面的有效性,為進(jìn)一步利用貽貝來提高牙買加灣水質(zhì)提供實(shí)踐基礎(chǔ).富集重金屬的研究中,國內(nèi)學(xué)者馬藏允研究發(fā)現(xiàn),紫貽貝、魁蚶、褶牡蠣、菲律賓蛤以及刺海參對Cu、Zn、Pb等有較強(qiáng)的富集能力[80].其中菲律賓蛤?qū)n的富集能力最高,體內(nèi)Zn的含量是水體的400~800倍.此外,對于Hg污染嚴(yán)重的水域,則選擇養(yǎng)殖紫貽貝作為凈積累者,因?yàn)樽腺O貝對Hg的富集能力較高.而對于生物監(jiān)測的應(yīng)用,不少歐洲國家已將貽貝作為環(huán)境指示生物,啟動了“貽貝預(yù)警計(jì)劃”[81].

3 問題與展望

近海生態(tài)系統(tǒng)具有海洋與陸地雙重屬性,不僅具有極端重要性,而且具有極端脆弱性,容易受到人類活動的影響.對海洋受污染環(huán)境進(jìn)行治理,不僅需要考慮環(huán)境工程方案,包括控制污染物排放總量,截污減排,清淤疏浚等;還需要輔以生態(tài)修復(fù)手段使受損海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能得到逐步恢復(fù),并最終向良性循環(huán)方向發(fā)展.事實(shí)上,生態(tài)系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)和自我凈化能力,生態(tài)系統(tǒng)不同等級的生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者在物質(zhì)循環(huán)和能量流動中均發(fā)揮著重要作用,可以有效吸收、降解和轉(zhuǎn)化環(huán)境中的有害物質(zhì),實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù).基于上述原理,已經(jīng)開發(fā)或正在研究中的海洋生態(tài)修復(fù)方法充分利用了微生物、植物和動物等各種類型的海洋生物.美國牙買加海灣生態(tài)修復(fù)工程中,至少兩種海洋動物(牡蠣和羅紋貽貝)、兩種海洋植物(鰻草和海白菜)以及一個微生物和植物聚集而成的藻床系統(tǒng)獲得有效應(yīng)用.我國的近海污染生態(tài)修復(fù)近年來也取得長足的進(jìn)步.廣州南海水產(chǎn)所在大亞灣構(gòu)建并優(yōu)化了“魚-藻(龍須菜)”混養(yǎng),“魚-貝(太平洋牡蠣)”間養(yǎng)為主的多種修復(fù)技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的生態(tài)修復(fù)模式,并取得了較好的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益[82].除了針對污染去除與凈化水質(zhì),海洋生態(tài)修復(fù)還兼具生境恢復(fù)和資源養(yǎng)護(hù)的功能.美國在路易斯安娜薩賓自然保護(hù)區(qū)和德克薩斯海岸帶地區(qū),利用“梯狀濕地”技術(shù),在淺海區(qū)域修建緩坡狀濕地,濕地建好后在上面種植互花米草及其它濕地植被,緩解了德州近岸水產(chǎn)養(yǎng)殖導(dǎo)致的富營養(yǎng)化,同時(shí)起到生態(tài)護(hù)岸作用,還可為海洋生物提供棲息地[83].我國中科院海洋所在萊州灣、榮成灣和海州灣的污染修復(fù)中,利用海草(藻) +人工魚礁構(gòu)建技術(shù)顯著了提高了當(dāng)?shù)氐纳乘?修復(fù)5a后,萊州灣漁礁區(qū)域生物量增加到非礁區(qū)的1.45倍;榮成灣生物資源密度平均提高12倍;海州灣重要經(jīng)濟(jì)魚類聚集種類最高達(dá)7種[84].整體而言,海洋生態(tài)修復(fù)工作無論在理論還是工程實(shí)踐方面,已經(jīng)呈現(xiàn)欣欣向榮的景象.然而,考慮到,生態(tài)系統(tǒng)具有復(fù)雜的生物與環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系和交互功能,海洋生態(tài)修復(fù)工作或許還需要注意以下幾個方面:(1)海洋生態(tài)修復(fù)的監(jiān)測.生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測應(yīng)被列為海洋生態(tài)修復(fù)的重要組成部分,包括修復(fù)前監(jiān)測和修復(fù)后監(jiān)測.通過修復(fù)前監(jiān)測,可以了解生境和生物資源的受損程度,確定現(xiàn)存生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn),并有助于確定修復(fù)目標(biāo)和修復(fù)方式[85].修復(fù)后監(jiān)測是自修復(fù)計(jì)劃正式實(shí)施以后對修復(fù)的全過程進(jìn)行監(jiān)測.通過長期的系統(tǒng)監(jiān)測可以對比修復(fù)系統(tǒng)與自然系統(tǒng)的特點(diǎn),便于準(zhǔn)確確定退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的生態(tài)變動過程及變動方向[86].因此,制定生態(tài)監(jiān)測實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程對于復(fù)雜的生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目十分必要,如美國的加利福尼亞區(qū)域海帶修復(fù)計(jì)劃中制定了海帶恢復(fù)和監(jiān)測規(guī)程[88];美國牙買加海灣牡蠣礁和鰻草生態(tài)修復(fù)試點(diǎn)項(xiàng)目中都有明確的監(jiān)測計(jì)劃.(2)海洋生態(tài)修復(fù)后的評價(jià).在復(fù)雜的環(huán)境條件作用下,生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)和效果可能會偏離既定的修復(fù)軌道[87].實(shí)際上,生態(tài)修復(fù)本身是對生態(tài)系統(tǒng)的又一次干擾,很難保證所有修復(fù)行為均對目標(biāo)系統(tǒng)起到正效應(yīng)[7].以廣西為例,近幾年來進(jìn)行紅樹林恢復(fù)面積累計(jì)約3000hm2,但保存面積僅剩下約1000hm2.因此,對海洋生態(tài)修復(fù)效果進(jìn)行后評價(jià)十分必要.國外部分學(xué)者據(jù)此將海洋生態(tài)修復(fù)的過程細(xì)分為修復(fù)計(jì)劃準(zhǔn)備、健康狀況評估、修復(fù)計(jì)劃制定、修復(fù)行動實(shí)施、修復(fù)后評估和管理等5個階段[88].(3)海洋生態(tài)修復(fù)的管理.海洋生態(tài)修復(fù)的管理是海域管理的重要組成部分,不僅涉及對海洋生態(tài)系統(tǒng)在修復(fù)前后的全面了解,還包括對生態(tài)修復(fù)全程的監(jiān)測、評估與研究,應(yīng)從規(guī)劃開始,一直持續(xù)到修復(fù)效果達(dá)到預(yù)定目標(biāo).在海洋生態(tài)修復(fù)管理中,有關(guān)外來種的影響受到高度關(guān)注.以互花米草為例,其在污染修復(fù)、水質(zhì)凈化、保灘護(hù)岸、促淤造陸、景觀美化等方面的功能廣為人知,但互花米草對我國近海生態(tài)系統(tǒng)的破壞同樣毋容置疑,已被列為“入侵種”[89].美國于20世紀(jì)70年代從中國引進(jìn)亞洲鯉魚以改善河湖生態(tài),凈化水體.但近年來,亞洲鯉魚已在美國過度繁殖,危害當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境[90].因此在開展生態(tài)修復(fù)時(shí),應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行生態(tài)修復(fù)管理,本地種優(yōu)先,必須采用外來種的,應(yīng)先進(jìn)行外來物種風(fēng)險(xiǎn)評估,加強(qiáng)對其傳播途徑的控制,防止外來有害物種的入侵[91].總之,近海海洋生態(tài)修復(fù)應(yīng)遵循生態(tài)學(xué)基本原理,在分析生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能基礎(chǔ)上,通過篩選和優(yōu)化適合特定生態(tài)條件下的單一或不同生物組合,達(dá)到對環(huán)境的修復(fù)和生態(tài)調(diào)控作用,獲得經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的統(tǒng)一.

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Research progress of ecological restoration for coastal pollution.

QIAN Wei1,2, FENG Jian-xiang3, NING Cun-xin1,4, ZHU Xiao-shan1,2*, WANG Qiu-li5, CAI Zhong-hua1

(1.Division of Ocean Science and Technology, Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China；2.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China；3.School of Life Sciences, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China；4.School of Civil and Environmental Engineering, Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China；5.Liaoning Province Environmental Monitoring Experiment Center, Shenyang 110161, China)., 2018,38(5)：1855~1866

With the rapid development of economy and urbanization, coastal water pollution has become a worldwide issue, with adverse effects widely observed in coastal marine ecosystems. Restoring the marine ecosystems under contamination hence became a hotspot topic of marine environmental science, which has attracted significant attention from domestic and foreign experts. In this paper, based on recent progress, the principles of marine ecological restoration were briefly summarized. The methods based on marine organisms, including ecosystem producers (plants), consumers (animals) and decomposers (microbes), were found to play active roles in this field. Meanwhile, instances of restoration of marine ecology were introduced. These contents are useful for protection of marine ecosystem and development of relevant restoration policy.

marine pollution；marine ecology；ecological restoration；marine resource；bioremediation

X55

A

1000-6923(2018)05-1855-12

2017-09-22

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201305021-1);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41373089);國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(xiàng)(2017FY100703);深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(JCYJ20150331151536446, JCYJ20150529164918736,JCYJ20160531195354516)

* 責(zé)任作者, 副研究員, zhu.xiaoshan@sz.tsinghua.edu.cn

錢 偉(1992-),男,安徽池州人,清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系博士研究生,主要從事海洋生態(tài)環(huán)境毒理研究.