Application of Algae in the marine ecological
environment restoration
Abstract: With the tremendous increase in the development and productivity of human activities, the marine ecological environment occured a series of problems, such as ocean acidification, marine pollution and other issues. Algae through a series of physiological and biochemical reactions that can palliation the marine environment emerging issues, also riched the diversity of seaweed marine environment. it can provide habitat and food for the marine life. The application of seaweed in the marine ecosystem restoration was described in this paper.
Keywords: marine environment ；algae；photosynthesis；ocean acidification ；Biological Diversity
1前言
随着第二次工业革命的爆发，人类的活动逐渐增加，我们的生态环境受到极大地破坏，大量化石燃料的燃烧导致大气中CO2浓度持续升高，温室效应日益严重，同时也导致了海洋的酸化。作为生产者的绿色植物对环境起着调控作用，对环境的修复有一定的积极作用。海洋的生态环境污染问题正变得日益严重，同样大型海藻在海洋生态环境的自我修复中也起着重要作用。我们都知道绿色植物主要通过光合作用来进行CO2的固定，从而降低CO2的浓度，同时也为人类等其他消费者提供能源与有机物质。近年来，海洋生态环境正面临新的挑战，海洋生态环境是海洋生物生存和发展的基本条件，生态环境的任何改变都有可能导致生态系统和生物资源的变化，海水的有机统一性及其流动交换等物理、化学、生物、地质的有机联系，使海洋的整体性和组成要素之间密切相关，任何海域某一要素的变化（包括自然的和人为的），都不可能仅仅局限在产生的具体地点上，都有可能对邻近海域或者其他要素产生直接或者间接的影响和作用。生物依赖于环境，环境影响生物的生存和繁衍。当外界环境变化量超过生物群落的忍受限度，就要直接影响生态系统的良性循环，从而造成生态系统的破坏。
海洋生态平衡的打破，一般来自两方面的原因：一是自然本身的变化，如自然灾害。二是来自人类的活动，一类是不合理的、超强度的开发利用海洋生物资源，例如近海区域的酷渔滥捕，使海洋渔业资源严重衰退；另一类是海洋环境空间不适当地利用，致使海域污染的发生和生态环境的恶化，例如对沿海湿地的围垦必然改变海岸形态，降低海岸线的曲折度，危及红树林等生物资源，造成对海洋生态环境的破坏[1]。海洋生物多样性的减少，是人类生存条件和生存环境恶化的一个信号，这一趋势目前还在加速发展的过程中，其影响固然直接危及当代人的利益，但更为主要的是对后代人未来持续发展的积累性后果。因此，只有加强海洋生态环境的保护，才能真正实现海洋资源的可持续利用。本文就海藻的生理特性阐述了其对海洋生态环境的修复作用，并简要介绍海藻在海洋生态环境中的地位。
2.海洋生态环境面临的现状
随着经济的发展，人类不断将大量未经处理的生活污水、工业废水以及农田废水等排入海洋，使得海水积累了过量的营养物质，造成海域的富营养化，最近几年沿海海水养殖业迅猛发展，过度投放饵料和养殖对象排泄物的大量排出，都使得海水中积累了太多的营养物质，也使近海水体富营养化[2]。海水富营养化是赤潮发生的物质基础和首要条件。由于大量生活污水和工业废水排入海中，使营养物质在水体富集，水中大量碳氮磷等营养盐积累，赤潮生物大量繁殖。
近几年频繁爆发的赤潮对海洋生态环境产生了很大的危害，不仅影响海洋景观，还对近海海水养殖业造成巨大的负面影响。如何控制海水富营养化，防止赤潮发生是目前科学家研究的热点。
大量化石燃料的燃烧，造成大气中CO2浓度不断升高，温室效应日益加重，同时也对海洋酸化造成很大影响，全球暖化也使得海洋厄尔尼诺事件与其他气候事件（如极端温度事件等）的发生频率域强度增加[3]。海洋酸化及伴随的海水化学环境的变化对海洋生态系有着深远的影响[4]。海洋酸化过高CO2浓度，导致pH下降，引起光合生物生理调节机制变化（如营养代谢、降低固碳量、细胞膜氧化还原与膜蛋白活性降低、强光下电子传递速率表现出较高的光抑制等）。研究表明海洋酸化在一定程度上会促进一些藻类光合速率增加。海洋酸化究竟会导致藻类固碳量增加还是减少, 取决于酸化与CO2 浓度升高效应的平衡[5]。
当前，国际上关于海洋酸化的生态学效应研究集中在钙化固碳和光合固碳两个方面: 珊瑚、翼足目、有孔虫、贝类等钙化生物首先对海洋酸化导致的 CO2－3浓度与碳酸钙饱和度降低的环境响应[6]; 其次，海水CO2浓度的上升可能使浮游植物、大型海藻和高等海洋植物等初级生产者的光合产量提高。文献报道海洋钙化藻类( 如大型的仙掌藻类、珊瑚藻类和浮游的颗石藻类) 能同时进行钙化作用和光合作用，其对海洋酸化的响应并不一致，至今仍存在争议[7]。
此外，海水中的重金属污染问题也越来越严重，一些研究者发现重金属已由近海逐渐向外海扩散，甚至在南北两极都检测到了重金属的存在。这说明水体重金属污染已成为一个全球性的问题[8]。
3．海藻修复作用机理
海藻主要包括大型海藻（如紫菜、海带等）和微型藻类（浮游植物）。海藻不仅能修复海洋环境污染问题，还可以为海洋生物提供栖息地与食物，为海洋环境生态多样性提供保障。杨宇峰等[9]提出利用大型海藻对富营养化海域进行生物修复构想以来,大型海藻对赤潮生态调控研究已经成为目前国内赤潮防治研究的热点。海藻主要通过光合作用对海洋环境进行修复，通过光合碳固定吸收海水中的C、N、P等营养元素，从而达到减轻海洋污染的问题。生物修复是指利用自然界某些生物对污染物的吸收、降解和转移等作用，达到减少或最终消除环境的污染，使受损生态系统得以恢复的过程[10]，分为微生物降解修复和植物修复。微生物修复是指利用一些细菌对污染物质进行发酵处理，将污染物质代谢除去。但它们在代谢过程中可能会产生一些有毒物质，安全性较低。现在人们普遍接受的是植物修复。海洋生态环境的修复主要是指海藻的修复作用。
3.1 微藻修复海水生态环境的机理
微藻广泛分布于海洋、湖泊中，属于低等水生生物,微藻种类繁多，它含有叶绿素A可以进行光合作用的一类光能自养生物。它们将简单的无机物合成有机物，在此过程中，不仅利用光能，而且还能消耗污水中大量的氮、磷等营养物质，起到净化污水的作用。贡献较大的主要有小球藻、螺旋藻等微藻。
微藻也可以通过吸收与吸附作用去除氮磷等营养物质，它们能利用水中溶解的CO2、HCO3-和CO32 –进行光合作用，使废水pH升高，这样会导致水中氨态氮挥发和正磷酸盐沉淀[11]。同时也可以减轻海洋酸化，微藻消化吸收无机氮磷转化成生物量的能力可以有效的进行氮磷化合物解毒。
微藻不仅能降低海水中的氮磷等营养元素，还可以去除污水中的重金属离子，如汞、锰、铬等具有生物毒性的金属。Fourest 等[12]认为吸附的基本机理是金属阳离子与藻细胞功能基之间的表面络合作用, 而藻细胞中藻酸盐所含羟基、氨基、羧基等在吸附中起重要作用。还有文献报道在细胞和金属离子接触时, 金属离子与细胞壁或膜发生作用。
微藻不仅可以吸附水中的重金属离子，有的还可以回收海水中的金属，有的还可以处理有机物及放射性废水。利用微藻修复被污染的海水具有十分广阔的发展空间。鱼腥藻是一种修复重金属污染效果很好的微藻，它具有生长快、固氮能力强、抗侵染、对重金属离子吸附能力强, 适用于处理由重金属离子引起的工业污水[13]。
3.2大型海藻修复作用机理
大型海藻是指生长于潮间带及潮间带以下的海藻，分为红藻、绿藻、褐藻3大门类。它们是近岸海域重要的初级生产者，在生物链中扮演着非常重要的角色。大型海藻具有很高的初级生产力,在不到海洋总面积1%的沿岸带构成海洋总初级生产力的10%[14]。大型海藻在近岸碳循环中起着重要作用。
大型海藻如紫菜海带等对海洋环境修复具有重要的作用，主要通过进行光合作用，大量吸收C、N、P等生源要素，降低海水富营养化程度，同时可以提高海藻的光合产量。大型海藻在生长过程中,在光合作用吸收利用海水中无机碳的同时,大量的吸收海水中大量的N、P等生源要素。因此,大型海藻可以作为海洋环境中对N、P等污染物质非常有效的生物过滤器,作为富营养化海域生物修复的有效途径(如,杨宇峰和费修梗,2003;毛玉泽等,2005;汤坤贤等,2005)[15]。
通过光合碳固定途径吸收大量C02，可以有效减缓温室效应，减轻海洋酸化。大量研究表明，海洋酸化对海洋生物及其栖息地环境的可能影响因素包括：影响生物壳体的钙化速度、营养盐的变化、浮游生物的多样性和疯长，改变生物寿命，减小生物环境容忍度及生物群落结构的变化等[16]。因此利用大型藻类减轻海洋酸化是一个有效的途径。同时大型海藻可以提高光合产量，为海洋生物及人类提高食物，可以解决粮食短缺问题。荷兰瓦格宁根大学的研究人员最新研究发现,大规模栽培石莼(海莴苣)可帮助减轻海洋的酸化,并解决全球食物供给问题。
4.海藻在修复海洋生态环境中的应用
大型海藻可以利用光合碳固定作用将海水中的C、N、P等营养元素吸收，从而减轻海水富营养化引起的赤潮等危害。人工栽培大型海藻具有生长快，易繁殖，易收获等优点。当收获海藻时，可以将C、N、P等营养元素从海洋转移到陆地上，一般是养殖经济海藻，海藻通过从海洋环境中不断吸收氮和磷，当生长到一定大小，可以被人们很容易地从海区收获到陆地，这种收获本身就是把大量吸收和储存在海藻中的氮和磷从海洋中除去。这种除氮和磷的方式必须存在两大前提：其一是该种海藻具有较高经济价值，而且经济价值越高越容易被栽培和收获。其二该种海藻可大规模栽培生产且收割方便。海洋微藻也能从海洋中吸收氮和磷，但由于其个体小难以收获，因此难以充当现代海洋生态修复者，只能作为生态平衡成分之一[17]。
其次将大型海藻与鱼虾贝类混养（天然的污水处理厂），可以防止赤潮发生，降低海水富营养化程度，又减轻养殖动物病害，同时为人类提供丰富的海洋食品。其原因主要是：在海洋中放养生长的藻类，通过自身的光合作用消化海水饱含的碳、氮、磷、硫等物质，而贝类在食用海水营养的同时吞食一些小藻，并不停地消耗溶解养分，因而维持了海洋生态环境。像江篱等海藻类可吸收海水中的有害元素，从而明显改善水质，解决海水富营养化问题，从而对防御自然灾害——赤潮发生起到积极作用[18]。据专家研究介绍，其原因主要是：在海洋中放养生长的藻类，通过自身的光合作用消化海水中的碳、氮、磷、硫等物质，而贝类在食用海水营养的同时吞食一些小藻，并不停地消耗溶解养分，因而维持了海洋生态环境的平衡。据介绍，汕头市率先在国内发展海藻与贝类混养实现一举两得，不仅可以推动海水养殖等海洋经济发展，提高养殖效益，而且对修复海洋生态、防止赤潮污染危害有着积极意义。有专家认为，汕头市沿海1998年曾发生一次赤潮自1999年以来，赤潮没有进犯汕头地区海域，这与当地发展海藻贝类混养消化海水污染有着莫大关系[19]。
在最近几年，我国各省都在进行海藻栽培生态修复作用的研究，如在江苏广东等栽培区等进行的紫菜栽培。结果表明，在紫菜栽培期间内，栽培区内碳氮磷等营养盐含量明显降低，并且水质有了大大的改善。在收获紫菜之后，栽培区海水中的重金属离子如锰镉汞等的含量也都大大降低[20]。这表明人工繁殖海藻对海洋生态环境的修复作用效果显著。
同时海藻也丰富了海洋生物多样性，为海洋生物提供栖息地和饵料。许多浮游动物是以海藻作为饵料，少数贝类也是以海洋微藻为食。其次海洋中的海藻可以为水中的鱼虾贝类提供栖息地，保证物种多样性。海藻在海洋植物群落中起着极其重要的作用[21]。
5.结语
海带、紫菜、裙带菜、龙须菜等大型经济海藻，在养殖生产与研究应用方面具有良好的基础。我国大型海藻养殖总量为130多万吨(1999年)，居世界首位[22]。其在生长过程中能吸收大量的氮、磷等基本富营养化物质，并对多种二价金属离子具有较强的选择性吸收能力，就其本身就是一种良好的环境修复生物；同时其个体较大，便于采割收获，可避免海洋环境的二次污染。
目前，限于其产业附加值低及地区经济发展规划等多方面因素，其在海洋环境保护和污染治理工作中尚未得到应有的重视。如能在现有环境生物修复技术研究的基础上，培育基因工程海藻，进一步提高其对海洋重金属离子的吸收能力，同时利用外源基因表达产物作为保健品和药物开发[23]，提高藻类养殖生产的附加值，以实现环境修复和医用开发的双重作用，有望在海洋环境保护中发挥更大的作用。
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