海水养殖污染与生态修复策略

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海水养殖是指利用天然海水进行鱼、虾、贝、藻等经济海产品的养殖活动。海水养殖根据养殖方式的不同，可以分为网箱养殖、池塘养殖、筏式养殖、吊笼养殖和底播养殖等。随着海产品需求的增加以及近海渔业资源的衰竭，海水养殖规模不断扩大，海水养殖已成为获取海产品的重要方式。海水养殖过程中需要投入大量的饵料及治疗性药物以促进鱼类等快速成长。由于海水养殖生态系统结构较为简单，生态效率低下，这些输入的物质和能量无法被充分地循环利用，给养殖海域生态环境健康造成了较大的影响［1］。海水养殖过程中产生的污染物质主要有营养盐、有机质、重金属及抗生素等药物。这些污染物质主要通过残饵、排泄物、化学药物等形式排入养殖海域中。有研究表明，海水养殖污染不仅降低了养殖海域生态环境质量，还威胁着养殖生物质量与食用安全。海水养殖已是我国近岸海域重要污染源之一，并成为制约我国海水养殖业可持续发展的重要因素［2］。开展养殖海域生态修复，科学、合理、有效地治理海水养殖污染已迫在眉睫。

1海水养殖污染物类型及生态影响

1．1有机质及营养盐污染。海水养殖中产生的有机质污染与营养盐污染具有较为密切的关系，且在需要大量投饵的网箱养殖、池塘鱼虾养殖中较为常见。在网箱养殖和池塘养殖中，渔民通常采取提高投饵率的方式来获得更高的收益，但是鱼类等养殖生物仅摄食部分饵料，导致大量未能有效利用的残饵和鱼类粪便等有机质在养殖区沉积物中大量累积，使养殖海域悬浮颗粒物的沉降通量显著增加，海域底质环境发生改变，海水水质质量下降。研究发现，每养殖1t鱼，将向海洋中输入9104．57kg的悬浮固体、843．20kg的颗粒有机物、235．40kg生化需氧量、36．41kg氨氮、4．95kg亚硝态氮、6．73kg硝态氮、2．57kg正磷酸盐磷［3］。这些悬浮颗粒物和营养盐的输入直接导致了网箱养殖区沉积物及水体中有机质和营养盐含量的快速升高。有研究发现，海水网箱养殖区沉积物有机碳含量显著高于对照区，超一类海洋沉积物质量标准约90．9％［4］。蒋增杰等［5］进一步对养殖区有机质的来源进行了分析，发现网箱养殖区养殖源有机质平均比例为56．88％，其中，网箱正下方比例可高达87．88％。Yokoyama等［6］研究则发现，网箱养殖区沉积物中养殖源有机质的比例为40．7％，其中残饵为28．8％，鱼类粪便为11．9％。可见，海水网箱养殖过程中产生的有机质输入对养殖底质环境造成了严重的有机污染。由于潮流影响以及野生鱼类觅食扰动，网箱养殖过程中产生的有机质还容易被带到周边海域，影响周边海域沉积物的理化性质，其扩散范围可达300～500m［5－6］。这些网箱养殖源有机质的输入不仅会改变养殖海域水体化学因子的垂直分布特征，其在降解过程中还将持续释放溶解性有机质、氮、磷等化合物，导致养殖海域周边水体有机负荷增加，加速养殖海域富营养化［7－9］。有机质降解需要消耗大量的溶解氧，将使养殖底质环境长时间处于厌氧还原状态，滋生有害病原体，引起硫化物含量升高，对海洋生物生长、繁殖产生影响。由于有机质的降解是一个较为缓慢的过程，导致养殖活动对水环境的影响具有一定的累积性和滞后性，也使得当外源营养盐输入得到控制时，由于养殖海域沉积物中有机质的降解释放大量氮、磷等元素，使水质在较长时期内仍处于富营养化状态，出现渔场老化现象［10－11］。此外，还有研究指出，高密度的海水养殖源有机质和营养盐输入为海洋赤潮发生提供了物质基础，是部分海域赤潮发生的诱因［12］。1．2重金属污染。我国海水养殖海域水体和沉积物中普遍存在着较为严重的重金属污染。Liang等［13］调查了珠江三角洲6个海水养殖区沉积物的重金属污染情况，发现养殖区的Cu、Zn、Cr、Pb含量显著高于非养殖区。韩现芹等［14］调查了天津汉沽海水养殖区重金属含量分布特征，发现超标重金属以Zn、Cu、Ni为主，分别超出三类、二类和一类海水水质标准。Wu等［15］则调查了漳江口蛤、螃蟹、对虾等池塘养殖对周边红树林湿地沉积物生态环境的影响，发现池塘养殖尾水的排放明显提高了周边红树林湿地沉积物中Cu、Cr、Cd、Pb等重金属的含量，增加了周边海洋生态系统的重金属污染风险指数。海水养殖过程中随饲料添加、有机肥使用和药剂投放等输入的重金属元素是导致海水养殖环境重金属超标的重要原因之一。由于我国渔用配合饲料只对无机砷、Pb、Hg、Cd及Cr提出了安全限量要求，而未对Cu、Zn等动物机体所必需的微量元素作出限量要求，因此造成了这些重金属元素随饲料过量的输入到海水养殖环境中［16］。梁炽琼等［17］研究发现，我国水产配合饲料生产中存在重金属污染问题，多数重金属指标未能符合相关标准限量要求。在池塘养殖中以畜禽粪尿为主的有机肥投放也是重金属的重要输入源。猪粪有机肥中Cu、Zn含量最高可分别达到1742．1mg／kg和2286．8mg／kg［18］。在池塘养殖过程中，有些养殖户还会使用含Cu和As的化合物对养殖品种进行消毒，造成重金属元素在水体及池塘底质环境中累积，并会随养殖尾水排放到周边海域中［19］。过量的重金属输入对海洋生物具有毒害作用，会影响海洋生物的生长和发育，甚至引起死亡［20］。由于重金属不可降解，海洋生物摄取的重金属将在食物链中传递，并层层富集，最终将对食用海产品的人群身体健康产生威胁［21］。此外，输入养殖海域的重金属元素还会在生物地球化学的作用下与其他物质结合，形成毒性更大的污染物质，例如甲基汞等，对水产品食用安全造成更大的威胁。1．3抗生素污染。海水养殖过程中产生的抗生素污染主要来源于饲料添加剂、鱼类粪便以及药物直接投放［22］。抗生素在海水养殖中主要用于疾病防治和促进养殖动物生长。由于缺乏指导和相关法律法规的约束，我国海水养殖中普遍存在抗生素滥用的现象。按其作用机理、化学结构和活性普，常用抗生素可以分为磺胺类、喹诺酮类、大环内酯类、氯霉素类、四环素类、β内酰胺类、氨基糖甙类和多肽类［23］。李云莉［24］调查了我国沿海11个养殖水域沉积物的抗生素污染现状，包括鱼、虾、蟹、贝、刺参等海洋动物养殖，研究结果表明，我国沿海养殖区沉积物中具有较高的抗生素含量，总体上看以四环素污染最为严重，其次为磺胺类抗生素，最后为喹诺酮类抗生素。梁惜梅等［25］调查了珠江口鱼、虾、蟹养殖区抗生素污染特征，发现水体和沉积物中主要以喹诺酮类抗生素残留为主，其次为四环素类抗生素和大环内酯类抗生素，但磺胺类抗生素未检出。说明不同养殖区域间抗生素污染有较大差异。而且在同样的养殖模式下，随着养殖时间的增加，环境中累积的抗生素总量将逐渐增加［25－26］。张瑞玲［23］通过对海水养殖环境中抗生素的来源进行分析，发现在对虾养殖中，仅有0．29％～0．33％的抗生素来源于饲料，其余绝大部分源自抗生素类药品的大量投放。此外，在这些抗生素中，约56．81％～62．17％将随养殖尾水排入大海，约35．88％～40．97％将在池塘养殖底质环境中沉积，约2％进入虾体。由此可见，海水养殖中输入的抗生素仅有少部分进入生物体和食物链中，绝大部分在水体和沉积环境中累积。海水养殖已经成为海洋抗生素污染的重要来源。有研究表明，部分抗生素对藻类、鱼类等海洋生物具有较为强烈的毒性，长期暴露会使海洋生物慢性中毒，并导致畸形或死亡［27］。抗生素还将诱导海洋环境中的细菌产生抗性基因，增强细菌的耐药性。这些耐药基因将随细菌或病原菌传递到海洋生物或人体内，产生健康风险［28］。此外，残留在水产品体内的抗生素也将最终进入人体，影响人体免疫系统，对人体健康产生威胁［29］。

2海水养殖污染生态修复对策措施

水产养殖污染可以通过物理、化学及生物的修复方法进行处理。物理修复主要通过投放一些多孔环境矿物材料，如活性炭、炉渣等，使营养盐、重金属、抗生素等吸附在这些材料表面，以减少水体中污染物的含量［30］。物理修复方法简单、易操作，但容易引起二次污染。化学修复主要通过向水体中投放氢氧化物、碳酸化物等，使重金属离子钝化沉淀，降低其生物有效性，也可向水体中投放氧化剂，使有机质、抗生素等污染物氧化降解［30－31］。化学修复方法简单，但是受环境条件影响较大，而且投入的化学物质本身存在污染问题。生物修复主要利用植物、藻类、微生物等对污染物质的吸收与降解作用，达到降低营养盐、重金属、抗生素等污染物含量的目的。生物修复处理费用低、净化效果好，对生态环境影响相对较小，而且还有助于恢复受损海洋生境［32－33］。由于海水养殖环境的特殊性，单纯的物理和化学的修复法对养殖水域环境影响较大，且较难以实现，因此，适宜采取以生物修复为基础的生态修复措施。目前，海水养殖可采用的生态修复技术主要有生态浮床修复、大型藻类修复和人工湿地修复。2．1生态浮床修复技术。生态浮床修复技术利用无土栽培的原理，通过在需要修复的养殖水域构建植物生存空间，以达到利用植物吸附、吸收为主的净化污染物的目的。生态浮床主要由植物、栽培基质、浮床框架和固定设施构成。因其美观而且经济、高效，通常用于治理农村生活污水和城市河道，生态效益明显。近年来，也逐步开始应用到海水养殖污染治理中。生态浮床主要用于净化水体中的营养物质，对重金属和抗生素净化也具有一定的效果。其作用机理主要为植物对污染物质的吸收以及植物根际微生物的生化作用［34］。生态浮床的净化效果与植物的种类具有较大关系，某些植物对特定重金属还具有高效的富集作用。研究发现，海马齿、碱蓬、北美海蓬子等生态浮床对海水养殖污染具有较好的净化效果，可以明显降低水体中有机质、营养盐及重金属含量，改善养殖水体和沉积环境，促进水生生物生长，恢复养殖海域生态系统结构［35］。也有研究发现，海马齿生态浮床可以有效降低海水中悬浮颗粒物浓度［36］。生态浮床修复技术主要用于原位修复养殖海域生态环境质量。2．2大型藻类修复技术。大型藻类修复技术是指利用大型藻类的生长过程对污染物质进行吸收和转移，以削减水体中污染物含量。大型藻类修复技术操作简单，对营养盐具有较好地去除效果，对重金属元素也有一定的吸收能力。利用经济价值较高的大型藻类，例如生产琼胶的优良原料江蓠等进行生态修复，还可以带来较为可观的经济效益。在海水养殖修复中，常用的大型藻类有海带、龙须菜、江蓠、紫菜、孔石莼、卡帕藻、红皮藻等［37］。有研究表明，每养殖1t的海带、江蓠和紫菜可分别去水体中约2．2kg、2．5kg、6．2kg的氮元素和0．3kg、0．03kg、0．6kg的磷元素［38］。大型藻类修复技术主要用于原位修复养殖海域环境质量。目前，较为广泛应用的还有鱼、虾、贝类与大型藻类共同养殖的综合生态养殖模式［39］。在该模式中，鱼、虾、贝等养殖过程中过量输入的有机质、营养盐及重金属元素为藻类的快速生长提供了条件，提高了藻类的生长效率和产量，为养殖户提高了经济效益，而藻类大量生长繁殖的同时，降低了养殖污染的负面影响，使养殖生态系统维持在稳定状态，增加养殖的可持续性。2．3人工湿地修复技术。人工湿地修复是指利用植物吸收、基质吸附及微生物生长代谢的综合作用，达到去除水体中的有机质、营养盐、重金属、抗生素等污染物的目的。人工湿地一般可分为表面流人工湿地和潜流人工湿地，在海水养殖中通常用于处理养殖外排水。海水养殖人工湿地修复中常用的植物有碱蓬、芦苇、秋茄、互花米草等［34］。人工湿地对水体中的污染物质具有较好的去除效果。刘佳等［40］研究表明，芦苇人工湿地可以去除海水养殖外排水中50％以上的总氮、抗生素恩诺沙星和磺胺甲噁唑。王加鹏［41］研究表明，芦苇和互花米草人工湿地可以去除海水养殖外排水中90％以上的悬浮颗粒物、氨氮以及浑浊度。人工湿地技术也可用于原位修复滩涂海水养殖污染。但因植物对生境具有一定的需求，原位修复通常以红树林湿地修复为主。红树林湿地是众多海洋生物栖息与繁殖的场所，构建红树林综合养殖系统可以有效降低滩涂海水养殖水体污染，减少水产病害发生，并促进鱼类生长［42－43］。冯建祥等［44］评价了红树林种植－养殖耦合系统的生态环境状况，研究发现红树林原位修复可显著降低养殖区营养盐和重金属含量，可有效改善修复湿地的环境质量，但也存在一定的问题，例如，红树林的长势和健康状况不如自然林。

3结论与展望

随着海产品需求的增加，我国海水养殖规模不断扩大，海水养殖污染已成为不可忽视的环境问题。海水养殖污染不仅会导致海产品质量降低、产量减少，还会对周边海域生态环境产生影响，对海域生态安全构成威胁。海水养殖过程中产生的主要污染物为有机质、营养盐、重金属、抗生素等。有机质和营养盐主要来源于饲料的投放和鱼类粪便。重金属和抗生素主要来源于饲料添加剂以及药物的直接投放。有机质和营养盐的过量输入会使养殖海域长期处于富营养化状态，甚至引发赤潮。重金属和抗生素对海洋生物具有毒害作用，会影响海洋生物的生长发育，甚至导致畸形或死亡。单纯的物理化学修复方法在海水养殖水体修复中制约较大，还容易产生二次污染问题，适宜采用生态修复的方法对养殖污染海域进行原位或异位修复。生态修复处理费用较低、净化效果较好，对生态环境影响相对较小，而且还有助于恢复受损的海洋生态环境。海水养殖污染常用生态修复方法有生态浮床修复、大型藻类修复和人工湿地修复。这类生态修复以植物和藻类净化、吸收为主，对水体中有机质、营养盐净化效果较好，对重金属和抗生素净化也具有一定的作用。利用生态修复的方法治理海水养殖污染还存在尚需进一步解决的问题：盐生植物或藻类的生长受季节限制，而且各生长期对水体中污染物的吸收、净化效果具有较大差异；盐生植物和藻类生长受盐度、温度及水文等条件影响，需根据各区域实际情况进行筛选，以保证净化效果。在未来的研究中，应加强海水养殖污染源头治理，改进粗放的养殖模式，制订科学合理的饲料和药剂投喂方案，减少养殖源污染物进入养殖水体和周边海域中。此外，还应加快海水综合养殖的理论方法研究，培育合适的经济藻类或盐生植物，在减少养殖海域污染的同时，增加养殖户的经济效益。

作者:吕兑安 程杰 莫微 谭勇华 孙丽 廖一波 单位:自然资源部第二海洋研究所