大型海藻在海洋环境中的生态修复研究进展

宋 凯，郭远明，李子孟

(浙江省海洋水产研究所，浙江 舟山 316100)

1 大型海藻对氮、磷的去除作用

随着经济发展，海洋生态环境受到人为影响的情况日益加剧。水体富营养化作为海洋生态失调的指标之一，近年来愈加受到环境工作者的重视。水体富营养化直接导致了植物生长所需的氮磷等营养元素大量增加，为藻类暴发提供一定的营养基础，从而破坏原有水域的生态平衡，改变了生态系统的原由结构[1]，导致水体生态系统的功能退化。水体富营养化一旦发生，将会对水生动植物造成威胁，出现底栖动物窒息、鱼类死亡、海底植被减少的现象。与此同时，水体富营养化带来的经济损失和社会问题也不容忽视[2]。

目前来说，针对水体富营养化的解决策略主要有物理法，化学法和生物法。其中，生物处理法又主要分为以下几点：水生植物修复、微生物修复、有益藻类抑藻、噬藻体、湿地生态工程、水生动物操纵等[3]。大型海藻作为一类常见的水生植物，可通过光合作用的生长方式，吸收N、P，释放O2，进而有效地维持海洋生态系统的平衡。此外，在富营养化水体中，大型海藻还可通过吸收、利用N、P合成自身所需要的营养成分，间接实现将过剩的营养盐从海水中转移的作用研究表明，通过在养殖海区、富营养化海区等栽培大型海藻，诸如紫菜属(Porphyra)、石莼属(Ulva)、海带属(Laminaria)、江蓠属(Gracilaria)以及裙带菜属(Undaria)等，均能有效降低水体中的氮磷含量，对水体的富营养化起到抑制作用。沈淑芬等[4]发现，在3～5月，罗源湾养殖海区的海带，其养殖区的总无机氮(DIN)的吸收率分别可达25.48%、19.62%、44.65%，总无机磷(DIP)的吸收率分别为20.17%、32.00%、38.72%。吴益春等[5]通过调研舟山桃花岛碳汇渔业示范区发现，该示范区内海带对N、P的吸收分别达到2130kg/a、300kg/a。研究表明，海带对海水养殖区内N、P具有明显的吸收效果，而且对N的吸收量明显高于对P的吸收量。

Patrick[6]等人发现，大型海藻条斑紫菜(Porphyrayezoensis)和耐盐沉水植物川蔓藻(Ruppiamaritima)均对无机氮磷有较好的去除效果。当川蔓藻生物量达到4627 g Fw/m2时，水体中总氮(TN)和总磷(TP)的去除率分别可达74.6%和85.4%，在紫菜组织中，氮和磷的积累量也可分别高达61.3%和9.9%。该研究充分显示了大型海藻在控制海水富营养化、重建滨海湿地的巨大潜力。其他学者通过对海带、孔石莼、江蓠、紫菜、龙须菜等大型海藻的养殖实验发现，无论是大范围的海区推广试点实验，还是小范围的海区实验，亦或是围隔实验，大型海藻均对有效吸附氮磷，从而使海水的富营养化情况得到改善[7-10]。

2 大型海藻对赤潮的抑制作用

大型海藻除了可以净化水体环境之外，还可以与同海区同生态位的初级生产者产生竞争，从而在抑制某些赤潮微藻方面发挥作用。相较其他清洁生物，大型海藻可以通过遮光作用、营养竞争、化感作用三个方面来实现对赤潮藻大肆增殖、生长的抑制效果。

目前，国内外常见的有害赤潮藻有赤潮异弯藻(Heterosigmaakashiwo)、具齿原甲藻(Prorocentrumdentatum)、链状亚历山大藻(Alexandriumcatenella)、米氏凯伦藻(Kareniamikimotoi)、球形棕囊藻(Phaeocystisglobosa)、中助骨条藻(Skeletonemacostatum)和东海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)等。针对此，国内外的许多学者开展了大量的相关研究。张培玉等[11]通过将孔石莼与两种海洋微藻的胞外滤液交叉培养发现，孔石莼可通过分泌克生物质来有效抑制青岛大扁藻(Platymonas helgolandica)的生长。卢慧明[12]提取龙须菜的乙醇浸出液，发现该提取物能够显著抑制中肋骨条藻的生长，使该类赤潮藻生物量明显下降，为控制中肋骨条藻的暴发提供重要的理论支持。Nakai[13]等人则通过研究大型海藻的化感作用，发现大型海藻的海膜可以持续向环境中分泌一种化合物，而该化合物对蓝藻的生长具有抑制作用。刘婷婷等[14]发现，大型海藻龙须菜(Gracilarialemaneiformis)及其水溶性抽提液，可对旋链角毛藻(Chaetoceroscurvisetus)和椎状斯氏藻(Scrippsiellatrochoidea)这两种海洋赤潮藻的生长起抑制效应。张梦成[15]等通过研究大型海藻裂片石莼(Ulvafasciata)对锥状斯氏藻、中肋骨条藻、海洋原甲藻的生长抑制作用，发现裂片石莼的抑藻机制可能是通过损伤这三种微藻PSⅡ供体侧的放氧复合体，降低其光系统Ⅱ反应中心的活性后，阻碍了光系统Ⅱ受体侧的电子传递链，从而抑制了这三种赤潮藻的光合作用。

3 大型海藻在去除重金属中的应用

在复杂多样的水体污染物中，重金属因其稳定性高，难降解，易富集，威胁人体健康等特点，一直位列国内外环境学者的研究重点[16]。诸多研究表明，许多大型海藻有较强的重金属富集能力。目前，针对大型海藻去除重金属的研究多见于水环境污染处理领域，部分研究工作者利用海藻制成干粉作为吸附剂以吸附废水中重金属。冯咏梅等[17]利用海黍子干粉作为吸附剂，发现在最优实验条件下，海黍子对Ni2+的吸附量可达0.8283 mmol/g。邓莉萍[18]利用对进行过富营养化污水处理回收的刚毛藻干粉进行废水中重金属Cu，Pb，Cd的吸附，实验表明在25℃时，刚毛藻对Cu2+，Pb2+，Cd2+的最大吸附容量分别可达1.61 mmol/g、0.96 mmol/g和0.98 mmol/g，并且该吸附材料可以循环利用。魏海峰[19]通过孔石莼对Pb、Cu和Cd的吸收实验，发现孔石莼对Cu和Cd有着强吸收能力。朱明[20]等发现，浒苔对水体中重金属Pb具有较好的去除效果。当水体中存在多种重金属时，各类重金属同海藻的相互作用一定程度上会影响海藻对重金属的富集效果，王增焕[21]等发现，龙须菜对Cu和Cd有较强的富集能力，并且当这两种重金属共同存在时，其富集效果最好。杨秀丽[22]则在锌对海带铅的吸附影响的研究中，发现随着锌浓度的增加，海带对铅的富集呈现出先增加后降低的趋势。可见，大型海藻对混合重金属的富集能力与生理机制较之单一元素的富集更为复杂，需要进行更多的研究。

石莼(Ulvalactuca)对Cu和Ni的吸附能力分别是65.54 mg/g和21 mg/g。马尾藻属可对多种重金属有吸附优势(Sargassum)：马尾藻(S.fluitans)对Cu的吸附能力是74 mg/g，马尾藻(S.wightii)对Pb和Cd的吸附能力分别是290.52 mg/g和83.18 mg/g，马尾藻(S.vulgaris)对Ni的吸附能力可达58.69 mg/g。Yu等[23]也在研究中表明，马尾藻对深圳近海水域的重金属具有显著的富集作用，对水体中的Cu、Zn和Cr的去除率可分别达到38.8%、34.7%和44.9%。Ye等[24]发现红藻在适宜的pH值及生长条件下对污染水体中10mg/L的Cd和Pb的修复效率分别达到70%和90%。

4 大型海藻化感作用在环境修复中的应用

近年来，鉴于大型海藻化感作用在赤潮藻中的应用，其体内存在的脂类、酚类、萜类、多糖类、卤化物、含硫化合物等也被逐步应用于抗菌方面。罗先群等[25]发现江蓠藻和马尾藻的提取物对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、大肠埃希菌、藤黄微球菌、短小芽孢杆菌有抑制作用。党法斌等[26]对威海海域的角叉菜、海蒿子及鼠尾藻等藻体中的多酚化合物进行抑菌性试验，结果表明多酚化合物对海神弧菌、巴西弧菌、徐氏弧菌、查格斯氏弧菌、鳗弧菌、波氏弧菌及哈维氏弧菌均有着不同程度的抑制活性，且二者间的显著性与多酚来源和多酚含量密切相关。路克国[27]的研究表明，浒苔对鳗弧菌有显著抑制作用，该抑制作用还受到氮磷营养盐加入的影响。在10 g·L-1海藻的条件下，鳗弧菌以105～107cfu·mL-1接入2天后，无论是否添加外源氮磷，鳗弧菌密度降到10 cfu·mL-1以下，鳗弧菌去除率几乎达到100%。

郭奇等[28]通过平板生长抑制法对鼠尾藻(Sargassumthunbergiikuntze)多酚化合物的抑菌活性研究发现，在pH值3～4时，多酚对受试菌的抑菌活性最强。符家珠等[29]提取了海南羊栖菜和海带的水、乙醇和乙醚的提取物，分别进行了三者对金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的抑菌活性研究，结果发现海带提取物的抑菌活性较羊栖菜的好。徐年军等[30]利用山东青岛和威海海域的海藻所提取的海藻醇提物进行抑菌活性试验，发现鸭毛藻、松节藻、海黍子、酸藻、小黏膜藻这五种藻均对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有较好的抑菌活性。

尽管大型海藻可应用于生态修复领域的诸多方面，且针对部分海藻其研究趋近深化、全面化，但就复杂的海洋生态环境而言，许多藻类作用于环境污染物的机制尚不明确，相关研究仍需持续开展。