海水网箱养殖对沉积环境的影响分析.doc

海水网箱养殖对沉积环境的影响分析摘要：海水网箱养殖系统是一种高密度、高投饵的非自然人工养殖生态系统，其投入的饵料，输出的废物及代谢物对沉积环境产生了一系列直接或间接的影响。主要污染影响因素包括有机质、化学制剂和营养盐等直接影响因素；溶解氧、硫化物、底质厚度增加等间接影响因素。进入沉积物中的污染物质在生物、化学和物理作用下会重新进入水体造成二次污染，有些污染物还会通过食物链富集到海洋水产品体内，进而威胁人类健康。本文对近期以上几个方面国内外的研究进行了综述，阐述了上述几个方面研究的海洋学意义及社会效益，并对研究的重点问题作了展望。关键词：海水网箱养殖；沉积环境；影响因素近年来，随着海洋渔业资源的枯竭和社会对海洋水产品需求的日益增长，海水网箱养殖业在世界沿海国家尤其在我国和东南亚地区迅速发展。由于在有限的海岸地区中非自然的高养殖密度而对环境造成了一定的影响，除了海湾周围人为陆源性因素的污染日益加重外，湾内养殖的自身污染也有加重的趋势1。地中海沿岸过去20多年关于水产养殖产生的污染问题，对沉积环境的研究报道比对水体的要多2。沉积物是各种海洋污染物汇总，随着海水养殖自身污染的加剧，网箱水底及周围沉积物中的有机质、氮、磷、重金属、硫化物等的含量逐渐增加3,不但直接危害底栖生物的生存环境和养殖产品质量，而且沉积下来的污染物在一定的条件下，会再次进入水体造成二次污染，对海水养殖生产的可持续发展埋下了隐患，甚至可能诱发赤潮；进入沉积物的抗菌素等化学制剂，及重金属会通过食物链在生物体内积累，最终传至人体，给人的健康构成威胁，这些趋势引起了越来越多的海水养殖专家和海洋环境专家们的重视。有关海水网箱养殖自身污染对沉积作用方面的研究在我国起步较晚，主要集中在生物性沉积方面。本文综合了近些年国内外该领域部分较新的研究成果，着重对目前海水网箱养殖沉积环境影响中的几个突出问题进行了阐述，以为近岸海水养殖的可持续发展提供科学参考依据4-5。1.海水养殖对沉积环境的直接影响因素1.1有机质在海水养殖尤其是高密度网箱水产养殖过程中，大多数环境影响都起源于有机物质的过度排放。残饵、养殖生物的排泄物、死亡有机体的残骸分解物等不断的在沉积物中积累，并导致其物理、化学、生物特性的改变。夏季残饵和排泄物的累积量更大，一方面是由于市场需求量增加，另一方面是由于高温下鱼类的代谢速度增加6。据估计，有机废物在养殖点附近水体中以3kg/m2的速率沉降，每年在底部的沉积速率可达10kg/m27。尽管海底沉积物中有机物和营养盐的浓度很高，但每年仅有10%的有机物分解8，有机质降解后释放到水体中的C、N、P等主要化合物还会使养殖水体的有机负荷增加，加剧水体富营养化，为病原菌的滋生繁殖提供条件，造成病害频发，水生动物大量死亡。沉积物中的有机物在微生物的作用下经矿化作用和再悬浮作用，又可重新进入水体进行物质循环。这说明养殖活动对环境的影响具有一定的积累性和滞后性，即使在水产品收获以后，养殖对底质环境的影响仍然存在，并进而影响养殖水体中无机营养盐的浓度和分布9。有机质可能通过内源负荷的循环促进营养物质的再生，从而构成富营养化过程的初始驱动因素10。大量研究表明水产养殖区正下方的沉积物中含有机质的量较高，随着与养殖地点距离的增大，有机质浓度降低1.5.11。沉积物间隙水中磷浓度受到沉积物有机质输入的影响12。1.2化学制剂许多化学物质被用于水产养殖中，包括人工饵料中的添加剂，如添加免疫制剂增加鱼类对流行疾病的抵抗能力；加入类胡萝卜素，如角黄素和虾青素来改善肉体的颜色。消毒剂，治疗物和兽医药品也被用于水产养殖中，如化学治疗剂，麻醉剂，激素和防污剂等11。目前，我国对于这些化学物质的用量还没有出台统一的标准，养殖户和防病专家在养殖期间都是自己确定的13，因此，存在着严重的药物滥用现象。研究数据表明：养殖的鱼类对药物中抗生素的吸收只占20%-30%,也就是说实际上大约70%-80%的抗生素进入了环境14。这些化学药物可直接入海，也可通过饲料损失和排粪等途径间接入海，直接影响养殖水域的微生态环境，如抗生素的使用虽然能够提高鱼类对病原体的抵抗力，但同时也导致海底沉积物中细菌种群的抗药性增加，产生耐药菌株，长期使用会出现药效减弱或完全无效的现象15。耐药菌株的增加能在不同的生态系统中互相影响，耐药菌株或基因也可能由动物转移进入人体16。在对越南湄公河三角洲养殖区分离到的革兰氏阴性菌的抗生素的耐药性的研究中发现，三个养殖区抗生素的多重耐药性的发生频率达到了65.5%，90%，78%17,而且动物身体组织内的这些生物活性物质的代谢周期比较长，水产品中残留的药物会通过食物链最终将有一部分进入人体，危害人体健康18。在水产养殖中经常使用的磺胺类、四环素类、喹诺酮类和某些氨基糖甙类抗生素很容易引起变态反应，在临床上，轻者表现为有瘙痒的荨麻疹、恶心呕吐、腹痛腹泻，重者表现为血压剧烈下降，迅速引起过敏性休克，甚至死亡。以往在水产上常用的硝基呋喃类药物（如呋喃唑酮、呋喃西林）,近来的研究认为，长期使用除了会对肝、肾造成损伤外，同时具有致癌作用和致畸、致突变效应。抗生素在抑制或杀灭病原微生物的同时，可能会抑制这些有益微生物，使水生动物体内外的微生态平衡被打破，导致微生态环境恶化或消化吸收障碍而引起新的疾病19。1.3营养盐近年来，随着养殖产业规模的不断扩大，养殖方式由半集约化向高度集约化的发展，养殖水体的富营养化问题逐渐显露并日益突出。在世界的某些地区如：日本，太平洋东南部，富营养化已经被看作是养殖业影响环境的主要形式，成为人们首要关注的问题20。在用人工配合饵料养殖生产中，在饲料中添加的营养物质大部分会被流失到养殖水体中去。在网箱养殖区内，由于投饵不当，大量产生沉降颗粒物质。短期内，它们均可释放无机氮，无机磷21，这些污染颗粒以及鱼类排泄物、残饵等有机物的沉积，造成了明显较高的氮、磷和有机物负荷22。富含高浓度的营养盐在一定条件下，能向上覆水扩散各种形态的N、P营养盐，这种扩散现象与氧化还原环境密切相关23。尽管沉积物污染问题在高密度水产养殖中很早就被人们注意到了24-28，但网箱养殖对营养盐的浓度循环及与氧气的关系的研究却很少29、30。沉积物的有机物污染和水体的富营养化的自然修复主要靠水相和沉积物中微生物的矿化和硝化、反硝化等分解作用31。虽然就目前的海水养殖而言，开阔的养殖海域不易发生富营养化，但在半封闭的海湾，养殖水体与外海的水交换受到限制，集约化、高密度的养殖向水体输入的废物大大超过了水体的自净能力，这些过量的营养物质的存在是环境恶化的根源20.32-33。在一般的静水水体中，底泥接纳了大量的污染物，大大缓解了富营养化进程，在一定程度上说，沉积物是污染汇总34。沉积物有机质具有热不稳定性，其中包含的氮、磷和微量元素将随分解过程而释放，是导致水体富营养化的一个重要因子35。2.海水网箱养殖对沉积环境的间接影响因素2.1溶解氧很多研究发现，养鱼网箱附近富含C、N、P的沉积物中存在着缺氧、无氧状态区。当有机质的沉积速率大于营养物质的同化速率时，有机质在分解时会消耗大量的氧，造成缺氧环境7，这样的缺氧环境会影响底栖生物群落结构变化，降低底栖生物多样性36。主要成分分析（PrincipalComponentAnalysis，PCA）可用来研究所有地点的化学数据来区别正常的、缺氧的和无氧的沉积环境11。有机物质在沉积物中的堆积促使底栖生物和分解有机物质的微生物群落的迅速增长，导致沉积层中的耗氧大大增加37。2.2硫化物总硫的含量是海底有机富集的又一新的环境指示剂。海洋沉积物中的硫可分为无机硫和有机硫两大类。无机硫的存在形态包括硫酸盐、硫化物和单质硫；有机硫主要是酯硫和碳键硫。硫酸盐是海水及沉积物（间隙水）中硫的主要存在形式，一般占总硫的99%以上38。养殖网箱下含有丰富的有机质，再加上缺氧的环境，加速了厌氧性硫酸盐还原菌的增殖，于是产生了硫化物的沉积。硫化物可与养殖生物血液中的血红蛋白结合产生硫血红蛋白，降低机体中血液的携氧能力。硫化物对养殖生物的鳃组织具有很强的刺激和腐蚀作用，可使组织产生凝血性坏死，引起生物呼吸困难窒息死亡。溢出的硫化氢是养殖环境的最主要污染物质之一，而酸挥发硫化物（AVS）决定了重金属的毒性39。杨庆宵等人（1999）的研究显示，温度越高，硫化物形成的速度越快，悬浮颗粒物会促进海水中硫化物的氧化速度40。另外，影响养殖环境中硫化物生成的其他条件因素还有海水pH值、氧化-还原电位（Eh）、海水盐度、有机质含量、底质COD污染程度、底质耗氧量等。硫化物含量的高低是衡量海洋底质环境优劣的一项重要指标。有研究表明，在沉积环境中硫化物含量与有机负荷量呈正相关，与生物量呈负相关，并对耗氧速率产生很大影响。2.3底质厚度增加研究表明，有着30多年发展历史的日本沿海网箱鱼业，现今也受到了来自底质有机污染的影响41,由于养殖管理不善，有的网箱养殖区大量残饵和排泄物等正以每年增加几十厘米的速度沉积于底部，使网箱底部底质环境恶化。尽管网箱下部沉积物代谢10倍于对照区42，由于分解速率低，导致养殖区的沉积物加厚，长期性的沉积造成养殖渔场“海底上升”，也使渔场与外界海域水交换量减少，养殖区富营养海水更难稀释43。3.展望综合国内外海水养殖污染现状，为了避免网箱养殖重蹈其覆辙，应加强对水产养殖沉积环境的研究。展望今后的研究方向，以下几个领域值得重视。3.1底部沉积环境的硝化与反硝化作用微生物作用下的硫酸盐还原作用，微生物的矿化和硝化、反硝化等分解作用是N循环中的关键过程，也是沉积物的有机物污染和富营养化的主要自然修复机制，可利用该过程中的微生物来降解底质中的有机物。3.2抗菌素和激素残留的影响大量未被吸收的抗菌素和激素虽能预防病害，获得高产量，但也促进了沉积物中耐药菌株的产生，进入海域后更直接影响了养殖水域的微生态环境。可通过开展养殖容量的研究来优化养殖结构，合理投放抗菌素和激素，建立较完善的养殖容量预测模型。3.3底栖生物群落的影响底栖生物群落对网箱养殖区底质环境的改变比其他化学特性更为敏感44，大型动物区系常被用作鱼类养殖场环境监测的一个敏感指标45,不同养殖位点的大型动物区系的丰富度与对照点的差别比较大46。底栖生物能较全面地反映养殖活动对环境的影响效应，要注重网箱区底栖生物环境空间的变化，同时开展时间尺度上的研究，这对于管理者制定网箱养殖场的轮养和休耕很有指导作用。3.4退化海水养殖区生物修复技术目前主要利用大型藻类、滤食性贝类和生物降解菌进行海水网箱养殖区的修复工作，如龙须菜可以吸收流经修复区的IN、IP,并提高流出修复区的海水的DO水平47，利用PAHs降解菌辅以其他技术手段如变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）探明在生物修复过程中微生物群落结构变化，监测降解菌的活性和含量来降解PAH污染物。但由于开放性海域网箱中的废物不易控制，仍需进一步深入。参考文献1 Porrello，S.，Tomassetti，P.，Manzueto，L.，Finoia，M. 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