海洋重金属污染及其对海藻的毒害作用

宋美霖

（海南热带海洋学院，海南 三亚 572022）

中国海洋水域总面积约为300万平方公里，是一个大型的海洋资源大国。据悉，早在20世纪90年代，海洋资源的综合开发就被国家列入中国海洋发展规划战略[1]，同时，国家在海洋资源、海洋保护和海洋管理等方面逐步加大了人力物力的投入。但从目前来看，海洋的重金属污染状况仍较为严重，所以海洋生物（主要是浮游生物中藻类等）不得不面临严峻的考验。

1 重金属污染的基本概念以及来源

1.1 概念

在《环境科学大辞典》中明确指出，重金属即密度大于5 g/cm3或者4 g/cm3的金属，诸如铜、铁、汞、镉等。因此，重金属污染是指由重金属或者其化合物造成的环境污染。

1.2 来源

海洋重金属的产生途径主要是自然来源和人为来源。自然来源主要是由自然活动引起的，例如海底的火山爆发、岩石层的风化和自然界的降雨等。这些自然活动的发生，在某种程度上都携带了一些重金属进入海洋。

人为来源则是指由一系列的人为活动，如矿物燃料燃烧、工业废水和生活污水的排放，以及重金属农药化肥在土壤里流失等引起的海洋重金属污染。其中，人为来源又可分为直接人为来源和间接人为来源。例如，部分工业废水的重金属含量过高，许多生产企业未经过合格处理就直接排入海洋，这就是人为活动直接造成的海洋重金属污染；而在工业生产过程中，由于矿物燃料燃烧产生的废气被排放到大气当中，这些携带重金属的气体经水的自然循环（降雨、渗透等）流入海洋，这就是人为活动间接地导致海洋重金属污染。因此，与自然重金属的污染相比，人类活动导致的重金属污染占比更重。

2 海洋重金属污染现状

面对海洋重金属污染的状况，我国学者纷纷对此展开专项调研，依次在渤海（辽河口、渤海湾、辽东湾）、黄海（胶州湾、大连湾）、东海（长江口）、南海（珠江口、湛江湾）等海域都进行了重金属污染情况的检测。根据调查结果显示，目前海洋重金属的污染状况十分严峻。以南海为例，曾在2016年南海区海洋环境状况公报指出，其9条主要河流（珠江、深圳河、东江、榕江等）重金属污染物入海量共计3 244 t，其中，铜476 t、铅178 t、锌2 548 t、镉35 t、汞7 t。此外，重金属停留时间很长，并可以沿着食物链转移和富集，因而对生物影响颇大。以里海为例，2000年四月中旬以来，其哈萨克斯坦水域就有多达8 000头海豹因为长期受汞、镉的污染而死亡。

3 海藻对重金属的吸收机制

3.1 海藻的重要作用

海藻不仅可以参与海洋的初级生产，同时还能在海洋的生态系统中起着非常重要的作用。海藻能够利用阳光进行光合作用，从而为海洋生物提供氧气。经过大量的研究表明，藻类可以作为一种非常好的重金属吸附材料，其能够有效地去除含量较低或用传统方法难以去除的重金属。因此，藻类对于各类有害重金属的有效吸附作用具有非常好的发展前景[2]。

3.2 海藻对重金属的吸附机理

藻类细胞壁分为内外两层。外层主要是由Cellulose（纤维素）、Pectic substance（果胶质）和Polygalactose sulfate（聚半乳糖硫酸酯）等多层微纤丝组成的多孔结构；其内层的主要成分是纤维素。因此藻类细胞壁表面褶皱较多，所以表面积也较大。

由于藻类细胞自身的结构和生理特征，当它遭受重金属毒害时会撑起一道防御屏障—外排作用（Extrinsic action）。其作用机制如下：藻细胞壁上的蛋白质、磷脂和多糖等多聚复合体供予大量官能团，例如氨基、羧基、醛基、羟基等。这些官能团能够合理有序地排列在藻细胞壁上，并与重金属结合成有机金属化合物，以此对有毒的金属离子进行拦截，阻止其进入藻类细胞内部[3]。

3.2.2 藻类细胞内金属与蛋白（或多肽）结合

大量研究表明，在高浓度重金属废水中，部分藻类能够正常生存，是因为这些藻类对于进入胞内的金属离子具有一定抗性。其主要原因是由谷胱甘肽（GSH）、金属硫蛋白（MT）等大分子物质所为。以谷胱甘肽（GSH）为例，其巯基可以与重金属直接结合，同时GSH又是合成PCs的底物。

3.2.3 藻类对重金属的其他适应机制

藻类除上述对重金属的吸附方式外，还有以下三种方式：①脯氨酸在藻类对抗重金属中，增强了细胞对重金属的耐性或解毒性能；②Hot protein（热敷蛋白）的协同作用，有助于清除各种因重金属而变性的蛋白质、提高藻类细胞对各种重金属的抗性和维持植株进行正常的新陈代谢活动；③细胞内多磷酸体（PPB）可以储存磷，并且还可以作为重金属的结合位点，富集多种重金属。

4 重金属对藻类的毒害作用

海藻对重金属的耐受程度与海藻种类、重金属种类以及重金属浓度息息相关。所以，海藻在可接受重金属浓度适宜的环境下才能进行良好生长。实验表明，一旦藻类无法对重金属产生有效的阻挡作用，那么其体内的酶系统便会受到影响，不能正常运行，由此会引起多种反应，诸如光合作用无法正常进行、细胞通透性增大以及细胞中的K+大量流失、植株生长停滞等。

4.1 铜（Cu）对海藻的毒害作用

海洋中的铜是藻类生长的基础元素，但铜的浓度稍高，藻类生长就会受到一定的影响。研究表明，铜主要通过增加植物体内活性氧的产量来影响植物光合作用，进而对植物产生毒害。其过程是活性氧会迅速氧化膜脂，造成类囊体片层结构破坏。因为铜是叶绿体和线粒体内电子传递链的重要组分，所以过量的铜反而会减少光合色素的含量，最后导致部分植物体内的酶失活。

Atmospheric-oceanic features associated with large-scale SST anomalies over the North Pacific in winter

4.2 镉（Cd）对海藻的毒害作用

海洋镉污染主要是来自于工业废水的排放，其中，以电镀废水排放最为严重。相关研究表明，Cd对部分酶活性没有影响。但糖海带经Cd处理后，对14C一蛋氨酸的吸收急剧减少，由此推断，Cd可以抑制蛋白质的合成。

5 重金属污染的防护与治理

面对海洋的重金属污染现状，应积极寻找合适的办法来应对和解决。

5.1 消减底泥重金属

底泥所含的重金属在一定温度条件下可能会通过释放进入水体，导致水体环境恶化。对于治理水体中的重金属有以下两种方法。

5.1.1 控制外源重金属元素的输入

相关企业应自觉按照国家标准对污水进行处理，达到排放标准后可在指定区域内进行排放。同时，国家应该加大污水排放检查力度，严抓乱排、漏排企业。以此来加强海洋环境的检测力度，把海洋重金属污染作为环境专项保护工作之一。

5.1.2 治理被严重污染的底泥

在治理被严重污染的底泥时，可通过调节水质的氧化特性来调节整个水体的酸碱度，防底泥重金属进入水体，造成二次污染；还可以通过人工种植生长周期短、对环境中重金属耐性强的植物来萃取底泥中的重金属，以此对水体环境进行长期的生态修复。

5.2 去除水中重金属离子的方法

5.2.1 传统处理方法

传统处理方法有Electrolytic process（电解法）、Adsorption method（吸附法）、Chemical precipitation（化学沉淀法）、Rising methods（上浮法）等。以上各种方法都存在适用的范围，例如，化学沉淀法主要被广泛应用于处理富含较高浓度重金属的废水。由于化学沉淀法受到沉淀剂和其他环境条件（包括温度、pH值等）的影响，故其处理后的水的浓度仍时常不符合规定要求，还需要及时进行深层次处理，避免造成二次污染。而电解方法主要是处理电镀废水，然而该方法并没有把水中的重金属离子的浓度减少得非常小。通过实验发现，除上述两种方法外，应用吸附法（使用吸附剂来去除重金属离子）处理重金属更高效，且价格也更低廉。

5.2.2 新兴处理技术——生物吸附法

在众多的吸附法中，生物处理吸附重金属的方法已成为目前一种新兴的处理技术。该方法使用的吸附材料来源广泛，并且具有吸附量高、消耗成本少、吸附速度快等诸多特点，具有极高的发展前景。因而，各高校及生物研究所可加强对基因工程的深入研究，筛选并驯服出具有较强吸附重金属能力的微生物，进一步为“环境保护和工业发展一同前行”提供更大的可能。

6 结语

近年来，环境污染问题越发严重，逐渐引起了全人类的密切关注，由此可见，生态环境与人类生存和社会发展密不可分。而海洋作为生态环境的一部分，也是极为重要的。因此，海水资源污染问题亟待解决。