海水養殖污染與生態修復策略

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海水養殖是指利用天然海水進行魚、蝦、貝、藻等經濟海產品的養殖活動。海水養殖根據養殖方式的不同，可以分為網箱養殖、池塘養殖、筏式養殖、吊籠養殖和底播養殖等。隨著海產品需求的增加以及近海漁業資源的衰竭，海水養殖規模不斷擴大，海水養殖已成為獲取海產品的重要方式。海水養殖過程中需要投入大量的餌料及治療性藥物以促進魚類等快速成長。由于海水養殖生態系統結構較為簡單，生態效率低下，這些輸入的物質和能量無法被充分地循環利用，給養殖海域生態環境健康造成了較大的影響［1］。海水養殖過程中產生的污染物質主要有營養鹽、有機質、重金屬及抗生素等藥物。這些污染物質主要通過殘餌、排泄物、化學藥物等形式排入養殖海域中。有研究表明，海水養殖污染不僅降低了養殖海域生態環境質量，還威脅著養殖生物質量與食用安全。海水養殖已是我國近岸海域重要污染源之一，并成為制約我國海水養殖業可持續發展的重要因素［2］。開展養殖海域生態修復，科學、合理、有效地治理海水養殖污染已迫在眉睫。

1海水養殖污染物類型及生態影響

1．1有機質及營養鹽污染。海水養殖中產生的有機質污染與營養鹽污染具有較為密切的關系，且在需要大量投餌的網箱養殖、池塘魚蝦養殖中較為常見。在網箱養殖和池塘養殖中，漁民通常采取提高投餌率的方式來獲得更高的收益，但是魚類等養殖生物僅攝食部分餌料，導致大量未能有效利用的殘餌和魚類糞便等有機質在養殖區沉積物中大量累積，使養殖海域懸浮顆粒物的沉降通量顯著增加，海域底質環境發生改變，海水水質質量下降。研究發現，每養殖1t魚，將向海洋中輸入9104．57kg的懸浮固體、843．20kg的顆粒有機物、235．40kg生化需氧量、36．41kg氨氮、4．95kg亞硝態氮、6．73kg硝態氮、2．57kg正磷酸鹽磷［3］。這些懸浮顆粒物和營養鹽的輸入直接導致了網箱養殖區沉積物及水體中有機質和營養鹽含量的快速升高。有研究發現，海水網箱養殖區沉積物有機碳含量顯著高于對照區，超一類海洋沉積物質量標準約90．9％［4］。蔣增杰等［5］進一步對養殖區有機質的來源進行了分析，發現網箱養殖區養殖源有機質平均比例為56．88％，其中，網箱正下方比例可高達87．88％。Yokoyama等［6］研究則發現，網箱養殖區沉積物中養殖源有機質的比例為40．7％，其中殘餌為28．8％，魚類糞便為11．9％。可見，海水網箱養殖過程中產生的有機質輸入對養殖底質環境造成了嚴重的有機污染。由于潮流影響以及野生魚類覓食擾動，網箱養殖過程中產生的有機質還容易被帶到周邊海域，影響周邊海域沉積物的理化性質，其擴散范圍可達300～500m［5－6］。這些網箱養殖源有機質的輸入不僅會改變養殖海域水體化學因子的垂直分布特征，其在降解過程中還將持續釋放溶解性有機質、氮、磷等化合物，導致養殖海域周邊水體有機負荷增加，加速養殖海域富營養化［7－9］。有機質降解需要消耗大量的溶解氧，將使養殖底質環境長時間處于厭氧還原狀態，滋生有害病原體，引起硫化物含量升高，對海洋生物生長、繁殖產生影響。由于有機質的降解是一個較為緩慢的過程，導致養殖活動對水環境的影響具有一定的累積性和滯后性，也使得當外源營養鹽輸入得到控制時，由于養殖海域沉積物中有機質的降解釋放大量氮、磷等元素，使水質在較長時期內仍處于富營養化狀態，出現漁場老化現象［10－11］。此外，還有研究指出，高密度的海水養殖源有機質和營養鹽輸入為海洋赤潮發生提供了物質基礎，是部分海域赤潮發生的誘因［12］。1．2重金屬污染。我國海水養殖海域水體和沉積物中普遍存在著較為嚴重的重金屬污染。Liang等［13］調查了珠江三角洲6個海水養殖區沉積物的重金屬污染情況，發現養殖區的Cu、Zn、Cr、Pb含量顯著高于非養殖區。韓現芹等［14］調查了天津漢沽海水養殖區重金屬含量分布特征，發現超標重金屬以Zn、Cu、Ni為主，分別超出三類、二類和一類海水水質標準。Wu等［15］則調查了漳江口蛤、螃蟹、對蝦等池塘養殖對周邊紅樹林濕地沉積物生態環境的影響，發現池塘養殖尾水的排放明顯提高了周邊紅樹林濕地沉積物中Cu、Cr、Cd、Pb等重金屬的含量，增加了周邊海洋生態系統的重金屬污染風險指數。海水養殖過程中隨飼料添加、有機肥使用和藥劑投放等輸入的重金屬元素是導致海水養殖環境重金屬超標的重要原因之一。由于我國漁用配合飼料只對無機砷、Pb、Hg、Cd及Cr提出了安全限量要求，而未對Cu、Zn等動物機體所必需的微量元素作出限量要求，因此造成了這些重金屬元素隨飼料過量的輸入到海水養殖環境中［16］。梁熾瓊等［17］研究發現，我國水產配合飼料生產中存在重金屬污染問題，多數重金屬指標未能符合相關標準限量要求。在池塘養殖中以畜禽糞尿為主的有機肥投放也是重金屬的重要輸入源。豬糞有機肥中Cu、Zn含量最高可分別達到1742．1mg／kg和2286．8mg／kg［18］。在池塘養殖過程中，有些養殖戶還會使用含Cu和As的化合物對養殖品種進行消毒，造成重金屬元素在水體及池塘底質環境中累積，并會隨養殖尾水排放到周邊海域中［19］。過量的重金屬輸入對海洋生物具有毒害作用，會影響海洋生物的生長和發育，甚至引起死亡［20］。由于重金屬不可降解，海洋生物攝取的重金屬將在食物鏈中傳遞，并層層富集，最終將對食用海產品的人群身體健康產生威脅［21］。此外，輸入養殖海域的重金屬元素還會在生物地球化學的作用下與其他物質結合，形成毒性更大的污染物質，例如甲基汞等，對水產品食用安全造成更大的威脅。1．3抗生素污染。海水養殖過程中產生的抗生素污染主要來源于飼料添加劑、魚類糞便以及藥物直接投放［22］。抗生素在海水養殖中主要用于疾病防治和促進養殖動物生長。由于缺乏指導和相關法律法規的約束，我國海水養殖中普遍存在抗生素濫用的現象。按其作用機理、化學結構和活性普，常用抗生素可以分為磺胺類、喹諾酮類、大環內酯類、氯霉素類、四環素類、β內酰胺類、氨基糖甙類和多肽類［23］。李云莉［24］調查了我國沿海11個養殖水域沉積物的抗生素污染現狀，包括魚、蝦、蟹、貝、刺參等海洋動物養殖，研究結果表明，我國沿海養殖區沉積物中具有較高的抗生素含量，總體上看以四環素污染最為嚴重，其次為磺胺類抗生素，最后為喹諾酮類抗生素。梁惜梅等［25］調查了珠江口魚、蝦、蟹養殖區抗生素污染特征，發現水體和沉積物中主要以喹諾酮類抗生素殘留為主，其次為四環素類抗生素和大環內酯類抗生素，但磺胺類抗生素未檢出。說明不同養殖區域間抗生素污染有較大差異。而且在同樣的養殖模式下，隨著養殖時間的增加，環境中累積的抗生素總量將逐漸增加［25－26］。張瑞玲［23］通過對海水養殖環境中抗生素的來源進行分析，發現在對蝦養殖中，僅有0．29％～0．33％的抗生素來源于飼料，其余絕大部分源自抗生素類藥品的大量投放。此外，在這些抗生素中，約56．81％～62．17％將隨養殖尾水排入大海，約35．88％～40．97％將在池塘養殖底質環境中沉積，約2％進入蝦體。由此可見，海水養殖中輸入的抗生素僅有少部分進入生物體和食物鏈中，絕大部分在水體和沉積環境中累積。海水養殖已經成為海洋抗生素污染的重要來源。有研究表明，部分抗生素對藻類、魚類等海洋生物具有較為強烈的毒性，長期暴露會使海洋生物慢性中毒，并導致畸形或死亡［27］。抗生素還將誘導海洋環境中的細菌產生抗性基因，增強細菌的耐藥性。這些耐藥基因將隨細菌或病原菌傳遞到海洋生物或人體內，產生健康風險［28］。此外，殘留在水產品體內的抗生素也將最終進入人體，影響人體免疫系統，對人體健康產生威脅［29］。

2海水養殖污染生態修復對策措施

水產養殖污染可以通過物理、化學及生物的修復方法進行處理。物理修復主要通過投放一些多孔環境礦物材料，如活性炭、爐渣等，使營養鹽、重金屬、抗生素等吸附在這些材料表面，以減少水體中污染物的含量［30］。物理修復方法簡單、易操作，但容易引起二次污染。化學修復主要通過向水體中投放氫氧化物、碳酸化物等，使重金屬離子鈍化沉淀，降低其生物有效性，也可向水體中投放氧化劑，使有機質、抗生素等污染物氧化降解［30－31］。化學修復方法簡單，但是受環境條件影響較大，而且投入的化學物質本身存在污染問題。生物修復主要利用植物、藻類、微生物等對污染物質的吸收與降解作用，達到降低營養鹽、重金屬、抗生素等污染物含量的目的。生物修復處理費用低、凈化效果好，對生態環境影響相對較小，而且還有助于恢復受損海洋生境［32－33］。由于海水養殖環境的特殊性，單純的物理和化學的修復法對養殖水域環境影響較大，且較難以實現，因此，適宜采取以生物修復為基礎的生態修復措施。目前，海水養殖可采用的生態修復技術主要有生態浮床修復、大型藻類修復和人工濕地修復。2．1生態浮床修復技術。生態浮床修復技術利用無土栽培的原理，通過在需要修復的養殖水域構建植物生存空間，以達到利用植物吸附、吸收為主的凈化污染物的目的。生態浮床主要由植物、栽培基質、浮床框架和固定設施構成。因其美觀而且經濟、高效，通常用于治理農村生活污水和城市河道，生態效益明顯。近年來，也逐步開始應用到海水養殖污染治理中。生態浮床主要用于凈化水體中的營養物質，對重金屬和抗生素凈化也具有一定的效果。其作用機理主要為植物對污染物質的吸收以及植物根際微生物的生化作用［34］。生態浮床的凈化效果與植物的種類具有較大關系，某些植物對特定重金屬還具有高效的富集作用。研究發現，海馬齒、堿蓬、北美海蓬子等生態浮床對海水養殖污染具有較好的凈化效果，可以明顯降低水體中有機質、營養鹽及重金屬含量，改善養殖水體和沉積環境，促進水生生物生長，恢復養殖海域生態系統結構［35］。也有研究發現，海馬齒生態浮床可以有效降低海水中懸浮顆粒物濃度［36］。生態浮床修復技術主要用于原位修復養殖海域生態環境質量。2．2大型藻類修復技術。大型藻類修復技術是指利用大型藻類的生長過程對污染物質進行吸收和轉移，以削減水體中污染物含量。大型藻類修復技術操作簡單，對營養鹽具有較好地去除效果，對重金屬元素也有一定的吸收能力。利用經濟價值較高的大型藻類，例如生產瓊膠的優良原料江蘺等進行生態修復，還可以帶來較為可觀的經濟效益。在海水養殖修復中，常用的大型藻類有海帶、龍須菜、江蘺、紫菜、孔石莼、卡帕藻、紅皮藻等［37］。有研究表明，每養殖1t的海帶、江蘺和紫菜可分別去水體中約2．2kg、2．5kg、6．2kg的氮元素和0．3kg、0．03kg、0．6kg的磷元素［38］。大型藻類修復技術主要用于原位修復養殖海域環境質量。目前，較為廣泛應用的還有魚、蝦、貝類與大型藻類共同養殖的綜合生態養殖模式［39］。在該模式中，魚、蝦、貝等養殖過程中過量輸入的有機質、營養鹽及重金屬元素為藻類的快速生長提供了條件，提高了藻類的生長效率和產量，為養殖戶提高了經濟效益，而藻類大量生長繁殖的同時，降低了養殖污染的負面影響，使養殖生態系統維持在穩定狀態，增加養殖的可持續性。2．3人工濕地修復技術。人工濕地修復是指利用植物吸收、基質吸附及微生物生長代謝的綜合作用，達到去除水體中的有機質、營養鹽、重金屬、抗生素等污染物的目的。人工濕地一般可分為表面流人工濕地和潛流人工濕地，在海水養殖中通常用于處理養殖外排水。海水養殖人工濕地修復中常用的植物有堿蓬、蘆葦、秋茄、互花米草等［34］。人工濕地對水體中的污染物質具有較好的去除效果。劉佳等［40］研究表明，蘆葦人工濕地可以去除海水養殖外排水中50％以上的總氮、抗生素恩諾沙星和磺胺甲噁唑。王加鵬［41］研究表明，蘆葦和互花米草人工濕地可以去除海水養殖外排水中90％以上的懸浮顆粒物、氨氮以及渾濁度。人工濕地技術也可用于原位修復灘涂海水養殖污染。但因植物對生境具有一定的需求，原位修復通常以紅樹林濕地修復為主。紅樹林濕地是眾多海洋生物棲息與繁殖的場所，構建紅樹林綜合養殖系統可以有效降低灘涂海水養殖水體污染，減少水產病害發生，并促進魚類生長［42－43］。馮建祥等［44］評價了紅樹林種植－養殖耦合系統的生態環境狀況，研究發現紅樹林原位修復可顯著降低養殖區營養鹽和重金屬含量，可有效改善修復濕地的環境質量，但也存在一定的問題，例如，紅樹林的長勢和健康狀況不如自然林。

3結論與展望

隨著海產品需求的增加，我國海水養殖規模不斷擴大，海水養殖污染已成為不可忽視的環境問題。海水養殖污染不僅會導致海產品質量降低、產量減少，還會對周邊海域生態環境產生影響，對海域生態安全構成威脅。海水養殖過程中產生的主要污染物為有機質、營養鹽、重金屬、抗生素等。有機質和營養鹽主要來源于飼料的投放和魚類糞便。重金屬和抗生素主要來源于飼料添加劑以及藥物的直接投放。有機質和營養鹽的過量輸入會使養殖海域長期處于富營養化狀態，甚至引發赤潮。重金屬和抗生素對海洋生物具有毒害作用，會影響海洋生物的生長發育，甚至導致畸形或死亡。單純的物理化學修復方法在海水養殖水體修復中制約較大，還容易產生二次污染問題，適宜采用生態修復的方法對養殖污染海域進行原位或異位修復。生態修復處理費用較低、凈化效果較好，對生態環境影響相對較小，而且還有助于恢復受損的海洋生態環境。海水養殖污染常用生態修復方法有生態浮床修復、大型藻類修復和人工濕地修復。這類生態修復以植物和藻類凈化、吸收為主，對水體中有機質、營養鹽凈化效果較好，對重金屬和抗生素凈化也具有一定的作用。利用生態修復的方法治理海水養殖污染還存在尚需進一步解決的問題：鹽生植物或藻類的生長受季節限制，而且各生長期對水體中污染物的吸收、凈化效果具有較大差異；鹽生植物和藻類生長受鹽度、溫度及水文等條件影響，需根據各區域實際情況進行篩選，以保證凈化效果。在未來的研究中，應加強海水養殖污染源頭治理，改進粗放的養殖模式，制訂科學合理的飼料和藥劑投喂方案，減少養殖源污染物進入養殖水體和周邊海域中。此外，還應加快海水綜合養殖的理論方法研究，培育合適的經濟藻類或鹽生植物，在減少養殖海域污染的同時，增加養殖戶的經濟效益。

作者:呂兌安 程杰 莫微 譚勇華 孫麗 廖一波 單位:自然資源部第二海洋研究所