全 文 ： 综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2006年增刊
海水养殖环境生物修复研究进展
吴益春 1 赵元凤 2, 3 吕景才 2, 3 付晚涛4 刘长发 2, 3
( 1大连水产学院生命科学与技术学院,大连 116023;
2大连水产学院海洋环境工程学院,大连 116023;
3农业部海洋水产增养殖学与生物技术重点开放实验室,大连 116023;
4中国科学院大连化学物理研究所海洋生物产品工程组,大连 116023)
摘 要: 着重分析了微生物,大型藻类及其他生物在海水养殖环境中的生物修复作用, 原理, 国内外最新研
究进展, 存在问题以及发展前景。
关键词: 生物修复 海水养殖 环境
Outlook for Bioremediation Researches on
M arine Aquacultural Environment
W uY ichun
1 Zhao Yuanfeng2, 3 L Jingca i2, 3 FuW antao4 L iu Chang fa2, 3
( 1Co llege of L ife Science and Techno logy, Dalian F isheries Un iver sity, Dalian 116023;
2C ollege of M ar ine Environm ental Eng ineering, Dalian F isheries University, Dalian 116023;
3K ey Laboratory of Mariculture and B iotechnology, M inistry of Agriculture, Dalian 116023;
4Dalian Institu te of Chem ical and Phy sics , Chinese A cadem y of Sciences , Dalian 116023)
Abstrac:t B iorem ed iation researches on m ar ine aquacultural env ironm ent we re analysed from three ang les including
m icroorg an ism, m acroa lg ae and o ther anim a ls. The content about b iorem ediation inc luded effec ts, princ ip les, latest advanta-
ges, ex isting problem s and developm ent.
Key words: B io remed iation M ar icu lture Env ironment
作者简介:吴益春 ( 1980-) ,男,江苏人,汉族,在读硕士研究生,从事环境生物技术研究,发表研究论文 10余篇
通讯作者: Te:l 13942814822, E-m a i:l wmq728@ 126. com
近年来,海洋水产养殖业作为海洋产业经济的
重要增长点得到了迅速发展, 但是, 由于受单纯经
济利益的驱动,在片面追求高产量和高效益的同时,
忽略了养殖水域的养殖容量,生态平衡和环境保护,
导致近岸水域污染程度日益增加, 诸如赤潮等的环
境灾害频繁发生,养殖业本身也因受到资源匮乏,环
境污染,产品质量、病害等困扰, 而难以持续高效快
速健康发展。因此, 研究海水养殖环境的生物修复
技术具有重要的理论和现实意义。
生物修复是指利用微生物、植物或其他生物自
身的功能消除污染物或改变污染物的存在形态而降
低其毒性,使退化的或破坏了的生态系统得以恢复
或重建。它与物理修复、化学修复相比较最大的特
点是在系统内不引入大量的外来物质,而仅靠作用
生物自身的能量而起作用;另一方面,在适宜的条件
下作用生物自行繁衍, 不需要或极少需要人为施加
能量,是一个自发过程。因此,对一个规模较大的封
闭或半封闭养殖体系, 生物修复发挥的作用会是巨
大的,也是经济实惠的。
1 微生物修复
1. 1 微生物修复原理
对于海洋污染的生物修复, 尤其是海水养殖区
环境的生物修复, 目前多尝试应用微生物技术。水
中的异养微生物靠分解有机物作为碳源和能源而生
2006年增刊 吴益春等:海水养殖环境生物修复研究进展
活,有机物质可在微生物特别是细菌产生的各种酶
的作用下,经过好氧或厌氧过程,发生一系列化学反
应,被逐步降解, 最后转化成无机元素 (矿化 ) 而被
植物吸收利用。
1. 2 国内外研究进展
利用微生物降解原理处理海水养殖废水并进行
环境生物修复的研究报道迄今尚不多见, 国外主要
是在筛选环境微生物的基础上寻找功能基因,构建
超级工程菌以进行大尺度生态修复。我国目前在筛
选环境微生物的基础上启动了渤海典型海岸带生物
环境修复技术 ( 863 十五 计划 )。袁有宪
( 2000)
[ 1]等从虾池底质中分离、筛选出近 10株虾
池有机物降解菌。初步实验表明,在短时间内,可降
解虾池底部有机物 80%以上,显示出良好的应用前
景。王彦波 ( 2005) [ 2]采用高活性生物修复菌制剂,
对养殖中后期的南美白对虾池塘进行了改善水体质
量的试验,结果表明: 水体 COD和磷酸盐的含量分
别降低 31. 64% ~ 49. 71% 和 30. 58% ~ 62. 43% ,
养殖水体的富营养化状态明显改善。W esterman
等 [ 3]应用生物滤器进行水产养殖废水的处理都获
得某种程度的成功。高效复合微生物菌群 ( EM )
在生长过程中能迅速分解污水中的有机物, 抑制有
害微生物的生长繁殖, 激活水中具有净化功能的原
生动物和微生物,起到净化水质的作用。
1. 3 存在问题
对水中的污染物尚有良好的降解效果, 但对于
受污染的海洋沉积物, 微生物技术在原位生物修复
中还存在很大的局限性, 而且该技术能够使水体
COD含量降低, 但并未使营养元素总量减少, 而只
是将有机物变为无机物, 从而可能加速海水的富营
养化。
2 大型海藻生物修复
大型海藻可食用、作为饲料、工业原料和有机肥
料,是具有较高价值的商品。由于大型藻类与养殖
动物具有生态上的互补性,它们能吸收养殖动物释
放到水体中多余的营养盐,并转化为具有较高经济
价值的产品。这些营养物质通过被大型藻类吸收而
去除,同时大型藻类能固碳、产生氧气, 调节水体的
pH 值,从而达到对养殖环境的生物修复和生态调
控作用。
2. 1 大型藻类生物修复原理
大型海藻可以改善养殖环境, 机理如下:
( 1) 大型海藻在光合作用过程中可大量吸收养
殖动物排出的 C, N , P等营养盐元素。规模化栽
培海藻不仅可有效降 N, P等营养物的浓度, 而且
在水生态系统碳循环中具有重要作用。
( 2) 人工栽培海藻的生长速度快, 单位面积产
量很高, 且海藻产品容易收获。通过海藻吸收并固
定的 N和 P等营养物质由海洋转移到陆地, 可大大
降低养殖水域营养物质含量, 具有很好的环境效
益 [ 4]。
2. 2 大型藻类生物修复的研究进展
20世纪 70年代中期欧洲等国家就开始对大型
藻类处理海水养殖废水进行研究 [ 5~ 8]。 90年代以
来, 欧盟启动了有关富营养化和大型海藻的 EU-
MAC研究计划, 研究水域跨越波罗的海到地中海
的欧洲沿岸海区, 以研究海藻在海区富营养化过程
中的响应和作用 [ 9]。瑞典科学家 Max. Troell通过在
鱼类养殖区栽培江蓠, 利用鱼类养殖过程中产生的
废物作为海藻生长的营养源, 从而降低养殖水域中
N和 P的浓度, 同时提高了单位水体综合养殖的经
济效益。研究表明, 1ha的海区每年可生产江蓠 34t
(干重 ),通过江蓠的收获, 可去除 5% 溶解性无机
N和 27%溶解性无机 P[ 10]。
目前我国中科院海洋研究所、中国海洋大学、厦
门大学等单位也在积极开展这方面的研究, 周毅等
( 2005)
[ 11]报道了江蓠 ( G racilaria lemaneiform is )在
中国北方沿海鱼类养殖系统中的生物修复作用, 表
明江蓠在鱼类养殖区域生长良好,最高生长速度为
11. 03% /d。C, N, P平均含量占干重分别为 28. 9
1. 1% , 4. 17 0. 11%和 0. 33 0. 01%,对 N, P平均
吸收速率分别为 10. 64和 0. 38mo lg- 1干重 h- 1。
在鱼类养殖系统内养殖一公顷江蓠每年能收获超过
70吨鲜藻体, 生产 2. 5吨碳, 同时从海水中移出 0.
22吨氮和 0. 03吨磷。汤坤贤等 [ 12] ( 2005)利用菊
花心江蓠 (G racilaria lichenoides) 在网箱养殖区进行
生物修复实验,结果表明,菊花心江蓠能有效提高水
中的 DO浓度,同时降低水中的 IN、IP浓度,特别是
3种价态的 IN中,菊花心江蓠优先吸收铵氮, 这对
减轻网箱养殖区自身污染的影响更具实际意义。
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2006年增刊
2. 3 存在问题
尽管大型藻类作为生物过滤器的理论研究和实
践探索得到了迅速发展, 但仍然有很多问题亟待解
决。
( 1)封闭式循环和开放式大型海藻养殖系统中
重要生物和生化过程, 例如大型藻类在其新陈代谢
过程中向水中释放有机物 [ 13 ]。
( 2)影响大型藻生长和吸收营养盐能力的因
素。
( 3)基于大型藻类的综合养殖是否对作为食品
的大型藻类和养殖生物产生影响, 大型藻类的养殖
是否对主要养殖动物产生影响。
3 其他生物修复
其他生物修复体如滤食性动物和腐食性动物近
年来越来越得到人们的重视,这些动物利用它们的
摄食习性可以有效降低海水养殖对环境造成的负面
影响。
3. 1滤食性动物海绵是一种滤食性动物,可摄食各
种有机物颗粒, 包括海洋动物的残体。海绵没有专
营呼吸与排泄的细胞,可是当水流过体内时,大多数
细胞均可与水接触, 各自独立完成呼吸与排泄的机
能。它能在 24h内过滤上覆水 80%悬浮颗粒的能
力,尽管滤水率相对不高, 但它在养殖系统中对悬浮
颗粒表现出很高的截流率, M artina[ 14] ( 2003)研究了
海绵 (Chondrilla nucula)对养殖水体的生物修复作
用,结果表明:尽管在清滤实验中表现出低价值,海
绵却表现出能截流大量大肠杆菌的能力, 一平方米
的这种海绵能每小时过滤 14L的海水同时截流 7
10
10大肠杆菌。
珍珠贝是一种滤食性软体动物, 在滤水的过程
中它能迅速积累如重金属、营养盐、有机氯杀虫剂和
碳氢化合物等污染物。 S. G ifford[ 15] ( 2005)报道了
S tephens港口珍珠贝对养殖环境的修复作用, 结果
表明: 被收获的珍珠贝每吨大约从该港口移出大约
703g金属, 7452gN和 545gP, 根据贝的状态控制好
收获日期能去除大量的营养盐。该研究证实了珍珠
贝养殖可以被用来帮助去除沿海排放的污水同时能
生产出具有商业价值的商品。
3. 2 腐食性动物
刺参 (Apostichopus japonicus)是一种营底栖碎屑
食性的海洋生物,它主要以沉积物中的有机物为营
养,利用这一摄食习性, 可以很好地清除养殖系统的
颗粒自污染物, 达到生物修复的目的。国内袁秀
堂 [ 16]在实验室内模拟研究了刺参对筏式养殖系统
不同有机负荷沉积物中有机质和碳、氮的摄食率,吸
收率和清除效率。结果表明, 刺参对有机质的摄食
率随着沉积物中有机质含量的增高而增高; 刺参对
碳、氮的摄食率随着沉积物中碳、氮含量的升高而增
大;刺参对不同沉积物碳、氮的清除效率随着沉积物
中碳、氮含量的增加而升高。
多毛类 (Poly chaet)种数和个体数量在海洋底栖
动物中占第一位,在海洋生态系统食物链的能量流
动和物质循环中处于关键环节。它们是典型的沉积
食性底栖动物,可以很好地利用底质中的有机污染
物和一些重金属转化为自身的生产力,它们作为海
洋食物链中的一个分室既是生产单元,又能够净化
底质,使系统内部的废弃物再利用和循环,增加环境
生态效益,是海洋生态系统中原位生物修复的重要
生物种类。
以虾池为例, 如果沙蚕生物量为 200g ww
m
- 2
, 沙蚕每日所处理的沉积物总量可达 762. 6g
m
- 2
, 相当于 558. 9cm 3的沉积物。即在 3个月内,
沙蚕可以将虾池底质表层 5cm的沉积物整个翻新
一遍。沙蚕扰动对底泥中氮、磷释放起明显的促进
作用 [ 17]。日本报道了利用快速繁殖的多毛类小头
虫 (Cap tella SP )来消除养殖池底有机污染的研究
(堤裕昭等, 1993) [ 1]。
4 结语
近年来, 海水养殖水域富营养化已经成为制约
水产养殖业可持续发展的瓶颈。如何有效控制水体
富营养化过程,降低海水养殖对环境产生的负面影
响,是我们面临的一个非常现实的问题。目前,国内
外关于利用微生物,大型海藻和其他生物进行生物
修复技术已经有所进展,但还存在一些问题,未能大
面积推广应用。加强大型海藻等生物修复体与环境
相互关系的基础和应用技术研究, 合理设置养殖容
量、养殖方式、养殖种类, 使退化的养殖海域得以修
复, 将对我国海水养殖业的可持续发展产生深远影
响。
(下转第 146页 )
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