Application of Algae in the marine ecological
environment restoration
Abstract: With the tremendous increase in the development and productivity of human activities, the marine ecological environment occured a series of problems, such as ocean acidification, marine pollution and other issues. Algae through a series of physiological and biochemical reactions that can palliation the marine environment emerging issues, also riched the diversity of seaweed marine environment. it can provide habitat and food for the marine life. The application of seaweed in the marine ecosystem restoration was described in this paper.
Keywords: marine environment ；algae；photosynthesis；ocean acidification ；Biological Diversity
1前言
隨著第二次工業(yè)革命的爆發(fā)，人類的活動逐漸增加，我們的生態(tài)環(huán)境受到極大地破壞，大量化石燃料的燃燒導致大氣中CO2濃度持續(xù)升高，溫室效應日益嚴重，同時也導致了海洋的酸化。作為生產(chǎn)者的綠色植物對環(huán)境起著調(diào)控作用，對環(huán)境的修復有一定的積極作用。海洋的生態(tài)環(huán)境污染問題正變得日益嚴重，同樣大型海藻在海洋生態(tài)環(huán)境的自我修復中也起著重要作用。我們都知道綠色植物主要通過光合作用來進行CO2的固定，從而降低CO2的濃度，同時也為人類等其他消費者提供能源與有機物質(zhì)。近年來，海洋生態(tài)環(huán)境正面臨新的挑戰(zhàn)，海洋生態(tài)環(huán)境是海洋生物生存和發(fā)展的基本條件，生態(tài)環(huán)境的任何改變都有可能導致生態(tài)系統(tǒng)和生物資源的變化，海水的有機統(tǒng)一性及其流動交換等物理、化學、生物、地質(zhì)的有機聯(lián)系，使海洋的整體性和組成要素之間密切相關(guān)，任何海域某一要素的變化（包括自然的和人為的），都不可能僅僅局限在產(chǎn)生的具體地點上，都有可能對鄰近海域或者其他要素產(chǎn)生直接或者間接的影響和作用。生物依賴于環(huán)境，環(huán)境影響生物的生存和繁衍。當外界環(huán)境變化量超過生物群落的忍受限度，就要直接影響生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，從而造成生態(tài)系統(tǒng)的破壞。
海洋生態(tài)平衡的打破，一般來自兩方面的原因：一是自然本身的變化，如自然災害。二是來自人類的活動，一類是不合理的、超強度的開發(fā)利用海洋生物資源，例如近海區(qū)域的酷漁濫捕，使海洋漁業(yè)資源嚴重衰退；另一類是海洋環(huán)境空間不適當?shù)乩?，致使海域污染的發(fā)生和生態(tài)環(huán)境的惡化，例如對沿海濕地的圍墾必然改變海岸形態(tài)，降低海岸線的曲折度，危及紅樹林等生物資源，造成對海洋生態(tài)環(huán)境的破壞[1]。海洋生物多樣性的減少，是人類生存條件和生存環(huán)境惡化的一個信號，這一趨勢目前還在加速發(fā)展的過程中，其影響固然直接危及當代人的利益，但更為主要的是對后代人未來持續(xù)發(fā)展的積累性后果。因此，只有加強海洋生態(tài)環(huán)境的保護，才能真正實現(xiàn)海洋資源的可持續(xù)利用。本文就海藻的生理特性闡述了其對海洋生態(tài)環(huán)境的修復作用，并簡要介紹海藻在海洋生態(tài)環(huán)境中的地位。
2.海洋生態(tài)環(huán)境面臨的現(xiàn)狀
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人類不斷將大量未經(jīng)處理的生活污水、工業(yè)廢水以及農(nóng)田廢水等排入海洋，使得海水積累了過量的營養(yǎng)物質(zhì)，造成海域的富營養(yǎng)化，最近幾年沿海海水養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展，過度投放餌料和養(yǎng)殖對象排泄物的大量排出，都使得海水中積累了太多的營養(yǎng)物質(zhì)，也使近海水體富營養(yǎng)化[2]。海水富營養(yǎng)化是赤潮發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)和首要條件。由于大量生活污水和工業(yè)廢水排入海中，使營養(yǎng)物質(zhì)在水體富集，水中大量碳氮磷等營養(yǎng)鹽積累，赤潮生物大量繁殖。
近幾年頻繁爆發(fā)的赤潮對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了很大的危害，不僅影響海洋景觀，還對近海海水養(yǎng)殖業(yè)造成巨大的負面影響。如何控制海水富營養(yǎng)化，防止赤潮發(fā)生是目前科學家研究的熱點。
大量化石燃料的燃燒，造成大氣中CO2濃度不斷升高，溫室效應日益加重，同時也對海洋酸化造成很大影響，全球暖化也使得海洋厄爾尼諾事件與其他氣候事件（如極端溫度事件等）的發(fā)生頻率域強度增加[3]。海洋酸化及伴隨的海水化學環(huán)境的變化對海洋生態(tài)系有著深遠的影響[4]。海洋酸化過高CO2濃度，導致pH下降，引起光合生物生理調(diào)節(jié)機制變化（如營養(yǎng)代謝、降低固碳量、細胞膜氧化還原與膜蛋白活性降低、強光下電子傳遞速率表現(xiàn)出較高的光抑制等）。研究表明海洋酸化在一定程度上會促進一些藻類光合速率增加。海洋酸化究竟會導致藻類固碳量增加還是減少, 取決于酸化與CO2 濃度升高效應的平衡[5]。
當前，國際上關(guān)于海洋酸化的生態(tài)學效應研究集中在鈣化固碳和光合固碳兩個方面: 珊瑚、翼足目、有孔蟲、貝類等鈣化生物首先對海洋酸化導致的 CO2－3濃度與碳酸鈣飽和度降低的環(huán)境響應[6]; 其次，海水CO2濃度的上升可能使浮游植物、大型海藻和高等海洋植物等初級生產(chǎn)者的光合產(chǎn)量提高。文獻報道海洋鈣化藻類( 如大型的仙掌藻類、珊瑚藻類和浮游的顆石藻類) 能同時進行鈣化作用和光合作用，其對海洋酸化的響應并不一致，至今仍存在爭議[7]。
此外，海水中的重金屬污染問題也越來越嚴重，一些研究者發(fā)現(xiàn)重金屬已由近海逐漸向外海擴散，甚至在南北兩極都檢測到了重金屬的存在。這說明水體重金屬污染已成為一個全球性的問題[8]。
3．海藻修復作用機理
海藻主要包括大型海藻（如紫菜、海帶等）和微型藻類（浮游植物）。海藻不僅能修復海洋環(huán)境污染問題，還可以為海洋生物提供棲息地與食物，為海洋環(huán)境生態(tài)多樣性提供保障。楊宇峰等[9]提出利用大型海藻對富營養(yǎng)化海域進行生物修復構(gòu)想以來,大型海藻對赤潮生態(tài)調(diào)控研究已經(jīng)成為目前國內(nèi)赤潮防治研究的熱點。海藻主要通過光合作用對海洋環(huán)境進行修復，通過光合碳固定吸收海水中的C、N、P等營養(yǎng)元素，從而達到減輕海洋污染的問題。生物修復是指利用自然界某些生物對污染物的吸收、降解和轉(zhuǎn)移等作用，達到減少或最終消除環(huán)境的污染，使受損生態(tài)系統(tǒng)得以恢復的過程[10]，分為微生物降解修復和植物修復。微生物修復是指利用一些細菌對污染物質(zhì)進行發(fā)酵處理，將污染物質(zhì)代謝除去。但它們在代謝過程中可能會產(chǎn)生一些有毒物質(zhì)，安全性較低。現(xiàn)在人們普遍接受的是植物修復。海洋生態(tài)環(huán)境的修復主要是指海藻的修復作用。
3.1 微藻修復海水生態(tài)環(huán)境的機理
微藻廣泛分布于海洋、湖泊中，屬于低等水生生物,微藻種類繁多，它含有葉綠素A可以進行光合作用的一類光能自養(yǎng)生物。它們將簡單的無機物合成有機物，在此過程中，不僅利用光能，而且還能消耗污水中大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，起到凈化污水的作用。貢獻較大的主要有小球藻、螺旋藻等微藻。
微藻也可以通過吸收與吸附作用去除氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，它們能利用水中溶解的CO2、HCO3-和CO32 –進行光合作用，使廢水pH升高，這樣會導致水中氨態(tài)氮揮發(fā)和正磷酸鹽沉淀[11]。同時也可以減輕海洋酸化，微藻消化吸收無機氮磷轉(zhuǎn)化成生物量的能力可以有效的進行氮磷化合物解毒。
微藻不僅能降低海水中的氮磷等營養(yǎng)元素，還可以去除污水中的重金屬離子，如汞、錳、鉻等具有生物毒性的金屬。Fourest 等[12]認為吸附的基本機理是金屬陽離子與藻細胞功能基之間的表面絡合作用, 而藻細胞中藻酸鹽所含羥基、氨基、羧基等在吸附中起重要作用。還有文獻報道在細胞和金屬離子接觸時, 金屬離子與細胞壁或膜發(fā)生作用。
微藻不僅可以吸附水中的重金屬離子，有的還可以回收海水中的金屬，有的還可以處理有機物及放射性廢水。利用微藻修復被污染的海水具有十分廣闊的發(fā)展空間。魚腥藻是一種修復重金屬污染效果很好的微藻，它具有生長快、固氮能力強、抗侵染、對重金屬離子吸附能力強, 適用于處理由重金屬離子引起的工業(yè)污水[13]。
3.2大型海藻修復作用機理
大型海藻是指生長于潮間帶及潮間帶以下的海藻，分為紅藻、綠藻、褐藻3大門類。它們是近岸海域重要的初級生產(chǎn)者，在生物鏈中扮演著非常重要的角色。大型海藻具有很高的初級生產(chǎn)力,在不到海洋總面積1%的沿岸帶構(gòu)成海洋總初級生產(chǎn)力的10%[14]。大型海藻在近岸碳循環(huán)中起著重要作用。
大型海藻如紫菜海帶等對海洋環(huán)境修復具有重要的作用，主要通過進行光合作用，大量吸收C、N、P等生源要素，降低海水富營養(yǎng)化程度，同時可以提高海藻的光合產(chǎn)量。大型海藻在生長過程中,在光合作用吸收利用海水中無機碳的同時,大量的吸收海水中大量的N、P等生源要素。因此,大型海藻可以作為海洋環(huán)境中對N、P等污染物質(zhì)非常有效的生物過濾器,作為富營養(yǎng)化海域生物修復的有效途徑(如,楊宇峰和費修梗,2003;毛玉澤等,2005;湯坤賢等,2005)[15]。
通過光合碳固定途徑吸收大量C02，可以有效減緩溫室效應，減輕海洋酸化。大量研究表明，海洋酸化對海洋生物及其棲息地環(huán)境的可能影響因素包括：影響生物殼體的鈣化速度、營養(yǎng)鹽的變化、浮游生物的多樣性和瘋長，改變生物壽命，減小生物環(huán)境容忍度及生物群落結(jié)構(gòu)的變化等[16]。因此利用大型藻類減輕海洋酸化是一個有效的途徑。同時大型海藻可以提高光合產(chǎn)量，為海洋生物及人類提高食物，可以解決糧食短缺問題。荷蘭瓦格寧根大學的研究人員最新研究發(fā)現(xiàn),大規(guī)模栽培石莼(海萵苣)可幫助減輕海洋的酸化,并解決全球食物供給問題。
4.海藻在修復海洋生態(tài)環(huán)境中的應用
大型海藻可以利用光合碳固定作用將海水中的C、N、P等營養(yǎng)元素吸收，從而減輕海水富營養(yǎng)化引起的赤潮等危害。人工栽培大型海藻具有生長快，易繁殖，易收獲等優(yōu)點。當收獲海藻時，可以將C、N、P等營養(yǎng)元素從海洋轉(zhuǎn)移到陸地上，一般是養(yǎng)殖經(jīng)濟海藻，海藻通過從海洋環(huán)境中不斷吸收氮和磷，當生長到一定大小，可以被人們很容易地從海區(qū)收獲到陸地，這種收獲本身就是把大量吸收和儲存在海藻中的氮和磷從海洋中除去。這種除氮和磷的方式必須存在兩大前提：其一是該種海藻具有較高經(jīng)濟價值，而且經(jīng)濟價值越高越容易被栽培和收獲。其二該種海藻可大規(guī)模栽培生產(chǎn)且收割方便。海洋微藻也能從海洋中吸收氮和磷，但由于其個體小難以收獲，因此難以充當現(xiàn)代海洋生態(tài)修復者，只能作為生態(tài)平衡成分之一[17]。
其次將大型海藻與魚蝦貝類混養(yǎng)（天然的污水處理廠），可以防止赤潮發(fā)生，降低海水富營養(yǎng)化程度，又減輕養(yǎng)殖動物病害，同時為人類提供豐富的海洋食品。其原因主要是：在海洋中放養(yǎng)生長的藻類，通過自身的光合作用消化海水飽含的碳、氮、磷、硫等物質(zhì)，而貝類在食用海水營養(yǎng)的同時吞食一些小藻，并不停地消耗溶解養(yǎng)分，因而維持了海洋生態(tài)環(huán)境。像江籬等海藻類可吸收海水中的有害元素，從而明顯改善水質(zhì)，解決海水富營養(yǎng)化問題，從而對防御自然災害——赤潮發(fā)生起到積極作用[18]。據(jù)專家研究介紹，其原因主要是：在海洋中放養(yǎng)生長的藻類，通過自身的光合作用消化海水中的碳、氮、磷、硫等物質(zhì)，而貝類在食用海水營養(yǎng)的同時吞食一些小藻，并不停地消耗溶解養(yǎng)分，因而維持了海洋生態(tài)環(huán)境的平衡。據(jù)介紹，汕頭市率先在國內(nèi)發(fā)展海藻與貝類混養(yǎng)實現(xiàn)一舉兩得，不僅可以推動海水養(yǎng)殖等海洋經(jīng)濟發(fā)展，提高養(yǎng)殖效益，而且對修復海洋生態(tài)、防止赤潮污染危害有著積極意義。有專家認為，汕頭市沿海1998年曾發(fā)生一次赤潮自1999年以來，赤潮沒有進犯汕頭地區(qū)海域，這與當?shù)匕l(fā)展海藻貝類混養(yǎng)消化海水污染有著莫大關(guān)系[19]。
在最近幾年，我國各省都在進行海藻栽培生態(tài)修復作用的研究，如在江蘇廣東等栽培區(qū)等進行的紫菜栽培。結(jié)果表明，在紫菜栽培期間內(nèi)，栽培區(qū)內(nèi)碳氮磷等營養(yǎng)鹽含量明顯降低，并且水質(zhì)有了大大的改善。在收獲紫菜之后，栽培區(qū)海水中的重金屬離子如錳鎘汞等的含量也都大大降低[20]。這表明人工繁殖海藻對海洋生態(tài)環(huán)境的修復作用效果顯著。
同時海藻也豐富了海洋生物多樣性，為海洋生物提供棲息地和餌料。許多浮游動物是以海藻作為餌料，少數(shù)貝類也是以海洋微藻為食。其次海洋中的海藻可以為水中的魚蝦貝類提供棲息地，保證物種多樣性。海藻在海洋植物群落中起著極其重要的作用[21]。
5.結(jié)語
海帶、紫菜、裙帶菜、龍須菜等大型經(jīng)濟海藻，在養(yǎng)殖生產(chǎn)與研究應用方面具有良好的基礎(chǔ)。我國大型海藻養(yǎng)殖總量為130多萬噸(1999年)，居世界首位[22]。其在生長過程中能吸收大量的氮、磷等基本富營養(yǎng)化物質(zhì)，并對多種二價金屬離子具有較強的選擇性吸收能力，就其本身就是一種良好的環(huán)境修復生物；同時其個體較大，便于采割收獲，可避免海洋環(huán)境的二次污染。
目前，限于其產(chǎn)業(yè)附加值低及地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃等多方面因素，其在海洋環(huán)境保護和污染治理工作中尚未得到應有的重視。如能在現(xiàn)有環(huán)境生物修復技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，培育基因工程海藻，進一步提高其對海洋重金屬離子的吸收能力，同時利用外源基因表達產(chǎn)物作為保健品和藥物開發(fā)[23]，提高藻類養(yǎng)殖生產(chǎn)的附加值，以實現(xiàn)環(huán)境修復和醫(yī)用開發(fā)的雙重作用，有望在海洋環(huán)境保護中發(fā)揮更大的作用。
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