海洋污染和赤潮现象

第十二章海洋污染和赤潮现象,学习目的掌握海洋污染的特点、污染物质迁移、转化过程、海洋的自净机理和环境容量概念.了解海洋污染的个体、种群和群落的生物学效应以及海洋污染的生物监测方法。了解赤潮现象概念及其危害、赤潮发生的原因和基本过程以及赤潮预报的理化、生物学依据，同时明确预防赤潮的基本对策。,第一节海洋污染概述,一、海洋污染和污染物质的迁移与转化（一）海洋污染的定义及其特点海洋污染的定义：由于人类活动，直接或间接地把物质或能量引入海洋环境，造成或可能造成损害海洋生物资源、危害人类健康、妨碍海洋活动（包括渔业）、损坏海水和海洋环境质量等的有害影响，称为海洋污染（marinepollution）。,海洋污染的特点,1污染源广：人类活动所产生的污染物质多种多样，所有这些污染物质除直接排放入海外，还可通过江河径流、大气扩散和雨雪沉降而进入海洋，所以有人称海洋是陆上一切污染物的“垃圾桶”。2持续性强、危害大：海洋是最低的区域，只能接受来自大气和陆地的污染物质，很难再从海洋转移出去。一些不能溶解和不易分解的物质（如重金属和有机氯农药）会长期在海洋中蓄积着，由海洋生物的摄取而进入生物体内，并通过海洋生物的富集作用使得生物体内的污染物质含量比在海水中的浓度大得多。海洋生物还能把一些毒性本来不大的无机物转化为毒性很强的有机物（如无机汞被转化为甲基汞），污染物质还可以通过食物链传递和放大，对人类造成潜在威胁。3扩散范围广：浩瀚的海洋是一个互相连通的整体，进入海水的污染物在海流的携带下，可从一个海区迁移到另一个海区，从沿岸、河口迁移到大洋。4防治困难：1、2、3，加上海洋污染有很长的积累过程，不易被及时发现，一旦形成污染，需要耗费巨资、经过长期治理才能消除。在治理过程中，必须牵涉到工业布局、资源开发等具体问题，增加海洋污染防治的复杂性。,海洋污染物质按其来源、性质和毒性，有多种分类方法。通常按污染物质来源分为以下几类：1.石油及其产品（包括原油和从原油分馏出的许多产品）2重金属：主要有汞、镉、铜、铅、锌和银等金属元素。3农药：包括含汞、铜、砷、铅等重金属农药、有机磷农药、有机氯农药。它们主要来源于森林、农田而随水流迁移入海。4有机废物和生活污水：成分复杂的污染物，包括来自造纸、食品、印染等工业生产的纤维素、木质素、果胶、糖类、脂类、生活污水、生物残骸以及围垦养殖区排放废水中的有机物质和营养盐类。它们的显著特点是不会在生物体内积累，而是消耗大量溶解氧和导致海区富营养化，甚至产生赤潮。此外，生活污水中还含有寄生虫和致病菌。5放射性物质：来源于核武器爆炸、核工业和核动力船舰的排污。放射性核素种类繁多，其中以239Pu、90Sr和137Cs的排放量较大。6热污染：主要来源于各种工业的冷却水。热污染导致局部海区水温上升、溶解氧含量下降，影响海洋生物的正常新陈代谢，甚至使动植物群落发生变化。随着原子能发电和常规发电的迅速增长，热污染可能成为沿岸海域的一种重要污染源，导致群落结构的变化。,（二）海洋污染物质分类,迁移的定义：污染物入海后参与物理、化学和生物过程而产生空间位置的移动，或由一种地球化学相（如海水、沉积物、大气、生物体）向另一种地球相转移的现象称为污染物的迁移。转化的定义：污染物由一种存在形态向另一种形态转变则称为污染物的转化。,（三）海洋污染物的迁移与转化,迁移和转化的过程,1物理过程：输送、蒸发、沉降、扩散、海流运输、重力沉降等2化学过程：氧化、还原、水解、络合等3生物过程：经海洋生物的吸收、代谢、排泄和通过海洋食物链的传递，以及尸体分解、碎屑沉降与生物在运动过程中对污染物的搬运（四）海洋的自净能力和环境容量1海洋自净能力环境自净（environmentalself-purification）定义：是指环境受到污染后，在物理、化学和生物作用下逐渐消除污染物达到自然净化的过程。（1）物理净化：通过稀释、吸附、沉淀或气化等作用而实现的自然净化，其中海流的输送和稀释扩散是快速净化的重要途径。（2）化学净化：包括氧化还原、化合分解、交换和络合等化学反应实现的自然净化。（3）生物净化：通过生物类群的代谢作用（同化作用和异化作用）使环境中污染物质的数量减少、浓度下降，毒性减轻甚至消失的过程。,2环境容量,环境容量（environmentalcapacity）定义：是在人类生存和自然生态不致受害的前提下，某一环境所能容纳的污染物的最大负荷量。沿海内湾进行鱼虾人工养殖将要考虑环境容量。决定环境容量的大小的因素：环境空间的大小、环境要素的特征（如内湾的潮流和其他水交换条件）、污染物本身的物理和化学性质。（1）绝对容量（2）年容量,绝对容量,绝对容量（WQ）由规定的环境标准值（WS，如各种水质标准）和环境背景值（B）所决定：WQWSB（以浓度单位表示）或WQM（WSB）（以重量单位表示，M为某环境介质的重量）,年容量,年容量（WA）:是某一环境在污染物的积累浓度不超过环境标准规定的最大容许值的情况下，每年所能容纳的某污染物的最大负荷量。如果某污染物的输入量为A（单位负荷量），一年后被净化的量为A，则该污染物在这一环境中的年净化率K（A/A)100%。年容量与绝对容量的关系为:WAKWQWQ:绝对容量,（一）海洋污染的生物学效应1个体生物的生物学效应（1）生物浓缩与生物积累：生物能从环境中吸收某些元素或难分解的化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度，这种现象称为生物浓缩（bio-concentration）或称生物富集（bio-enrichment）。生物都有从周围环境中蓄积某些元素或难分解的化合物（如重金属、有机农药和放射性物质），并随生物的生长发育，浓缩系数不断增加，这种现象称为“生物积累”（bio-accumulation）。（2）急性中毒与慢性中毒：高浓度或剧毒性污染可引起海洋生物个体的直接中毒致死。污染物质对生物的生理、生化影响，主要是改变细胞的化学组成、抑制酶的活性，影响渗透压的调节和正常的代谢功能，从而影响生物体的生长、生殖和行为。,二、海洋污染的生物学效应和生物监测,2种群群落的生态效应,受污染的海域其生物群落的组成和结构会相应产生改变。通常是某些耐污生物种类的个体数量会猛增起来，而对污染敏感的种类个体数会大量减少甚至消失，结果导致群落物种多样性指数明显下降。例如，有机污染较严重的水域，小头虫数量明显增多“生物放大”（bio-magnification）：海洋生物对污染物质有很强的富集能力，这些污染物在有机体内的浓度随着食物链营养级而逐步增大，这种现象称为“生物放大”（bio-magnification）,（二）海洋污染的生物监测,什么是海洋污染的生物监测？即利用海洋生物个体、种群或群落对海洋环境污染或变化所产生的反应，阐明环境污染状况，从生物学角度为环境质量的监测和评价提供依据。监测手段主要有：1利用指示生物进行监测有些污染物质在海水中的含量甚微而不易检出，因此可以利用生物与水质污染的关系以及生物富集某些污染物质的特殊性间接监测水质。污染指示生物（indicatororganism）是指对环境中的污染物质产生各种反应或信息而被用来监测和评价环境质量的现状和变化的生物。生物可以用作污染指标？1对污染物质有敏感反应的生物：用海胆的受精卵判断海水中某些重金属污染的程度。利用牡蛎高度富集海水中的有机氯农药（如滴滴涕）2耐污染的生物：多毛类的小头虫（Capitellacapitata）。一些浮游生物在有机污染（富营养化）条件下暴发性繁殖而引起海水变色的现象，因此可以把发生赤潮的范围及频率看成是环境污染程度的一个指标。3与污染物质一起进入海洋的生物：,2利用生物群落结构的变化进行监测,原理：当环境受污染时，生物群落的种类组成会发生变化，应用群落中生物种类多样性指数的变化来评价环境的质量。污染区域的划分：（1）严重污染区：所有的底栖动物都不能生存，为无生物区；（2）污染区：底栖动物种类很少，但耐污染的种类增加；（3）轻度污染区：底栖动物群落发生变化，对污染敏感的种类开始消失；（4）非污染区：底栖动物群落组成正常，没有受到污染的影响。,（三）毒性试验和残毒测定,1.急性毒性试验：测定高浓度污染物在短时间（一般不超过几天）内对海洋生物所产生的急性作用。在试验中使受试生物半数死亡的毒物浓度称为半数致死浓度（medianlethalconcentration），用LC50表示，并在其前标明生物暴露在毒物环境中的时间，如24小时LC50、48小时LC50和96小时LC50等半数效应浓度（EC50），它表示在一定暴露时间内，使半数受试动物产生某一效应（如丧失平衡、发育异常或畸形等）的毒物浓度。2.慢性毒性效应：低浓度污染物对海洋生物生活周期的毒性效应。试验的常规指标常用受试动物的生长率、生物的生理、生化和行为反应。3残毒测试：很多污染物质（如重金属、有机农药和放射性物质）能在生物体内残留和积累，这些物质在生物体内的含量常为周围水中的几千倍甚至几万倍。所以，通过对生物体的毒物含量测试，可以作为评估水体污染状况的一个指标。,第二节赤潮现象,一、赤潮和赤潮生物1赤潮的定义所谓赤潮（redtide）是海洋中某些微小的浮游生物在一定条件下暴发性增殖面引起海水变色的一种有害的生态异常现象。日本学者安达六郎（1973）根据各海区赤潮的实例统计，提出以不同生物体长的赤潮生物密度作为判断赤潮的标准（表12.1）。,2赤潮生物类别全世界已记录的赤潮生物有300种左右（可能个别存在同种异名），隶属于10个门类。我国海域分布的约有127种，隶属于8个门类（国外已报道的10个门类中的细菌和绿藻赤潮生物尚未在我国发现）。其中在我国沿海发生赤潮的赤潮生物有30多种，主要是甲藻类（15种），其次是硅藻类（7种）和蓝藻类（4种）（张水浸等1994）。,赤潮引起海水变色可因形成赤潮的生物种类不同而呈现出不同的颜色。红色赤潮：夜光藻（Noctilucascientillens）、红海束毛藻（Trichodesmiumerythracum）、中缢虫、红硫菌等黄色、茶色或茶褐色赤潮：裸甲藻绿色赤潮：绿色鞭毛藻类土黄、黄褐或灰褐色赤潮：硅藻类赤潮是各种色潮的统称单相型赤潮和双相型赤潮发生赤潮时赤潮生物只有一个种占绝对优势的称为单相型赤潮发生赤潮时有两种共存的赤潮生物占优势，就称为双相型赤潮,3赤潮生物的生长与分裂速度(lgNt-lgN0)/t/lg2上式为生长速度，以每天分裂次数表示，N0和Nt分别为单位水体中藻类细胞的起始数量和经过t天后的细胞数量（cell/L）。,4赤潮生物的垂直移动和聚集（1）垂直移动一般认为，白天移动到表层可有效地进行光合作用，当表层营养盐被大量消耗后通过垂直移动到较深处，可有效地摄取营养物质。（2）聚集很多赤潮生物具有聚集习性，在发生赤潮的海区，人们常见到赤潮常呈带状、片状或斑状分布，就是这种聚集的结果。生物性聚集和物理性聚集生物性聚集是一种主动聚集，主要依靠赤潮生物的运动性和趋性来实现。物理性聚集是风、流、浪等环境因素产生的一种被动性聚集。,（1）赤潮生物大量繁殖，覆盖海面或附着在鱼、贝类的鳃上，造成呼吸困难甚至死亡；（2）赤潮生物在生长繁殖的代谢过程和死亡细胞被微生物分解的过程中大量消耗海水中的溶解氧，使海水严重缺氧，鱼、贝类等海洋动物因缺氧而窒息死亡；（3）有些赤潮生物体内及其代谢产物含有生物毒素，引起鱼、贝中毒或死亡。如链状膝沟藻（Gonyaulaxcatenella）产生的石房蛤毒素就是一种剧毒的神经毒素；（4）居民通过摄食中毒的鱼、贝类而产生中毒。目前已知的赤潮毒素有麻痹性贝毒、神经性贝毒和泻痢性贝毒等三大类。,5赤潮的危害,（一）赤潮发生的原因1富营养化富营养化（eutrophication）是指生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、内湾，引起藻类大量繁殖、水体溶解氧量下降、水质恶化的现象。2促进赤潮生物生长的有机物维生素B1、B12和维生素H（特别是B12）是最主要的生长促进物质，其他有机物质包括DNA、嘌呤、嘧啶、植物激素以及其他一些有机物质分解产物，也会促进赤潮生物增殖。,二、赤潮发生的原因和基本过程,3微量金属元素诱发和促进赤潮发生的因素赤潮生物所需的微量金属元素中比较重要的有铁（Fe）、锰（Mn）、镁（Mg）、铜（Cu）、钼（Mo）、铬（Co）等。其中，Fe是藻类细胞色素（铁卟啉）和许多酶的组成成分，Mg也是叶绿素的构成元素，Co对能合成维生素B12的蓝藻有增殖促进作用。Fe和Mn最为重要。近年来的研究表明，非金属元素硒（Se）也有促进赤潮发生的作用。4温度和盐度：赤潮的发生往往与该海区的温、盐变化状况有密切关系。从我国发生赤潮的现场温、盐记录来看，除了微型原甲藻明显适应于低盐和束毛藻明显适应于高盐外，多数赤潮发生时的水温较高（2328），盐度则较低（S2328）南方海区的赤潮多发生在春、夏之交，而北方海区的赤潮多见于7-10月，都与水温升高以及因雨季而引起的海区盐度降低相符合。应当指出，由于发生赤潮的原因是多方面的、综合的，目前尚未完全了解清楚，需要今后继续进行更深入的现场调查研究和实验生态