海洋环境对生物的影响

【专家解说】：海洋生物与海洋污染 王明俊 (国家海洋局第三海洋研究所，厦门) 摘要 本文对海洋生物与海洋污染之间的相互作用与影响作了较详尽的论述，其中包 括污染物的海洋生物学过程、海洋生物对污染物分布和归宿的作用以及污染物对海 洋生物的影响等。此外，作者还就知何保护海洋环境阐明了自己的观点。 海洋对人类现代经济的发展和满足人们的福利需要方面正在起着越来越大的作用，近年 来在世界范围内兴起的海洋开发热潮也日益高涨。与此同时也带来了海洋环境的污染问题， 因此，开发海洋就必须保护海洋，开展海洋生物与海洋污染物之间相互作用和影响的调查与 研究成为一项重要的基础工作，其成果不仅能为海洋开发和海洋环境保护提供科学依据，而 且可为其未来作出有效的预报服务。本文就海洋生物和污染物之间的相互作用与影响作一概 述，为海洋环境质量评价提供参考。 一、污染物的海洋生物学过程 海洋生物对污染物的首要作用是摄取，包括吸附和吸收两种情况。吸附是物质结合于体 表细胞壁的过程，既有可逆的物理吸附，也有可逆性较小的化学吸附。吸收则是污染物穿过 体表(通过鳃、消化道的壁)进入体内，主动或被动地转移(经血液、血淋巴的循环)到其 它组织和器官的作用。 生物通过被动机制吸附并结合于细胞表面的金属量，比通过代谢或依靠能量作用所吸收 的金属量少得多。吸附污染物的多少，与生物体的体积和表面积的比例有关，个体小的生物 如浮游植物比表面较大、代谢率高、吸附量也多，而且在较短时间内(从几分钟到几小时) 即可达到平衡，浮游动物的平衡时间也较短(从几分钟到几小时)。一般每单位时间内污染 物的穿透量是表面吸附量的函数。生物的生理状况、生活周期、摄饵习性和种群密度等对吸 附作用会产生显著影响。如活的比死的刚毛藻能更有效地吸附甲基汞、生物种群密度大吸附 量就相对的少。水的pH值、硬度、温度、盐度、水中通气情况、生长调节物质、有机物、 本文于1987年10月30日收到，修改稿于1988年2月11日收到。3期王明俊:海洋生物与海洋环境质量I 乌 悬浮颗粒和腐植质等环境因素对摄取亦有很大影响。例如，河口区的pH值从7.3增至8.6 时，几种大型藻对二Zn的摄取率增高。因为在酸性条件下，金属以自由离子形态存在，对 藻类的毒性较大;在碱性pH值时，某些金属倾向于形成不溶性的盐类或氧化物、氢氧化物 等沉淀下来，对藻类的毒性降低。而且在通常条件下被鳌合、络合的重金属，其离子的活度 降低因而比其游离离子的毒性小得多。在一定范围内，海洋生物对金属和放射性核素的摄取 与温度呈正相关而与盐度呈负相关。如鲍氏织线藻对‘，c。和“‘Mn的吸收，分别在25和36℃ 时达最大值，温度再升高时则吸收减少。这可能是由于增加温度时呼吸作用增强相对减轻了 重金属毒性的原因。增加盐度会导致吸附的重金属和溶解阳离子之间的竞争作用，后者可部 分地取代重金属因而呈现负的相关性。另外，水中各种污染物的浓度、化学形态和化学价、 污染物之间的协同或拮抗作用以及污染物在环境中停留的时间等，也会影响生物对污染物的 摄取。例如，环境中有高浓度的铜时，栅列藻能增加对镍的吸收，有DDT时，硬石药 对.“zn的吸收减少。通常，这种吸收率是接触速率的函数。在污染物的浓度恒定时，一定 时期内，生物吸收污染物的量随时间延长而增多，一般遵循弗罗因德利希等温吸附线的关 系。 污染物在海洋中的第二种重要的生物学过程是积累，它取决于生物对污染物的同化效 率、浓缩程度、急性或慢性污染作用等因素。例如，短期严重污染时，污染物的浓度较大， 从水中浓缩是积累的主要途径，这在低营养阶层的生物特别明显，如聚球藻对金属的积 累24小时就可达到平衡，并且其积累程度与溶解的金属浓度成比例。如果是长期轻度污染， 则摄饵是污染物进入生物体内的基本途径，特别是处于营养级顶端的海洋生物，污染物沿食 物链转移占绝对优势，如海鸟对DDT的积累等。 不同生物对污染物的浓缩程度不同，如贻贝和多毛类浓缩多氯联苯的系数分别为390和 3830。浓缩系数受脂肪含量的影响，而且一年中不同时期的浓缩系数也有很大差别。有的生 物浓缩污染物的系数很高，如挠足类、鱼类和裸鳃类软体动物浓缩磷的系数分别为2.4lX 106、2.66xlo6和6x10吕。同是软体动物，扇贝、牡蚜和贻贝浓缩镐的系数各为2.26火10。、 3.18xl。‘和1.0x106。因此测定生物的污染物含量，可作为评价海洋环境质量和海产品卫生 质量的重要依据。污染物在体内的平衡因生物而异，受多种因素影响，是个不断变化的动态 过程。至于生物放大(如甲基汞)一般存在于有食物链关系的生物中，但也有污染物在食物 链中逐级减少的情况，例如砷在藻类、螺和绘鱼中的含量分别为119.1、39.1和1.13群2，/9。 污染物在海洋中第三种重要的生物学过程是向体内各器官的转移分布。由子生物内环境 的特点及代谢的变化，各种污染物在体内的分布并不一样。例如，对脂类有较强亲和力的有 机氯，主要贮存于脂肪组织中，铜和汞主要与蛋白质的琉基结合，锌和锡主要与亚胺哇结 合，钻的结合则与氨基酸有关，这些物质在软组织中较多，钙和铭主要积累在海洋动物的骨 骼或介壳中。污染物在体内的分布变化，反映了生物对污染物的代谢和转移情况，可用作评 价环境污染变化的依据。例如，当汞主要分布在鱼的肝和肾中时，表明水体正在受到汞的污 染，若发现肌肉中汞的含量较高时，表示水体中汞的污染已减轻，鱼在不断地把汞排出体 外。污染物在体内各器官的分布，还因生物种类不同而异。例如，铅在加州海狮、紫贻贝、 巨鳌虾和沙蚕中分别分布于骨骼、肾、鳃和表皮中，这种情况对水产品的加工利用具有参考 价值。止竺一一一一竺一生竺堕一生兰‘一一一一一一)卷 污染物在海洋中第四种重要的生物学过程是排解 。 海洋生物以颗粒态或可溶态形式排解 污染物的作用受污染物的性质及其在体内的结合形式、排解途径、生活周期和生物种类与环 境因素等影响。例如，吸附于浮游植物细胞壁外的金属几乎是瞬时解吸的， 金属排解就很慢 。 虹娃鱼排泄汞的速度受温度影响，15℃时为4℃时的2倍 结合在细胞内的 。 排解的主要方 、 海洋哺乳动物的乳汁分泌、鱼类等的粘液分泌、甲 壳动物的蜕皮和生物体内各种酶系对污染物的解毒和微生物对污染物的降解等。例如，螃蟹 每次脱壳可平均带走原有总锌量的61解。除此之外，生物在生长繁殖时，因细胞分裂身体增 二、海洋生物对污染物分布和归宿的作用 海洋生物对污染物分布和归宿的反馈作用，包括生物之间、生物和水与碎屑(含溶解性 有机物)之间的物质交换及一定水平或垂直距离上的载带。生物对污染物转移与解毒的机理 本质上决定于能量，但有时这种过程可因纯粹物理的或化学的过程而促进或加强，如股流扩 散、潮汐交换、海流运动或溶解、络合、沉降等，从而使生物学过程转移和搬运污染物的速 度与物理的或化学的作用速度不相上下，构成了海洋中的一个快速运转系统。 (一)生物运动对污染物的转移 生物主动或被动地水平运动，可把污染物载带到很远的地方，有的长达数千公里，如鱼 类的徊游、海鸟的迁徙或人类对海洋生物的捕捞等。这种搬运对半衰期长的污染物很重要， 估计以这种方式搬运的生物量每年可达6 . 0xlo7t。被污染的浮游生物在海区可漂移一定的 距离，马尾藻和水母还能远距离地载带污染物 。 海洋生物的垂直游动，可从每天的数米(浮 游植物的沉降速度)到达千米的深度(深海鱼类的徊游) 运4000一5000m，底栖动物的幼体也能垂直弥散污染物。 ，通过不同的食物链甚至可向下搬 游泳力强的生物如乌贼，既能远距 离游动，又能垂直下游到很深的水域，这类生物转移污染物的潜力也不能忽视。 (二)食物链传递对污染物的转移 食物链传递是污染物转移的一种重要方式，海洋生物经滤食或捕食摄饵的逐级作用，可 将污染物高度地浓缩于最高食性层次的生物中。如大家熟知的例子，美国长岛河口区水中 DDT的浓度为。.Oo005mg/L，浮游生物的含量为0.04mg/kg，经食物链了个营养级的递 增，到最高食性层次鸥鸟时的含量达75.5mg/kg，相当于水中浓度的151万倍。一些食腐的 和深海悬浮索饵的动物、深海底栖鱼类和底栖动物的幼体，都能把污染物载带到上层水域或 转移到较高层次的食物链，因此对污染物的再分布起了重要作用。 (三)生物沉积对污染物的转移 生物沉积作用对污染物的转移也有很大的影响。摄食粪粒和沉积碎屑的底栖动物，可将 浓缩了的各种污染物经排粪、蜕皮、产卵、分泌粘液和足丝分泌等排出体外。另外，生源性 颗粒、细胞或碎屑的溶解渗出和尸体的自溶作用等释放的污染物，通过沉积作用也能转移到 很深的水域，从而促进了污染物在底栖边界层的生物地球化学循环。沉降中的生源性颗粒和 碎屑，还能把多种污染物不断地释放到各水层中，进一步扩大污染的范围。上述诸因素的重 要性决定于生源性颗粒和碎屑的产生率、沉降率和污染物的浓度等。3期王明俊:海洋生物与海洋环境质量I (四)微生物降解对污染物的转移 海洋生物转移污染物的又一重要方式，是通过水域中特别是沉积物中微生物的降解使污 染物的毒性降低、污染程度减弱变成无毒或消失的自净作用，加速了这些物质在环境中的再 循环和再矿化，这是因为微生物具有高效的分解有机物或转化重金属化合物的酶系。例如， 沉积物中的微生物是促使汞甲基化的主要原因;氧化菌能造成硫化氢的还原环境，从而影响 了沉积物缔合元素的迁移和分布。微生物在需氧条件下可降解氯化烃类如艾氏剂、狄氏剂和 异狄氏剂。许多细菌、酵母和霉菌能降解石油烃类。另外，沉积颗粒上的微生物群体，有可 能充当污染物的载体而进入以颗粒物为饵料的生物(滤食性动物)及摄食它们的动物所组成 的食物链中，因此起了参与食物链传递转移污染物的作用。而在这些动物的粪便中同样含有 载带污染物的大量微生物，通过动物的排粪，可以又进一步稀释和转移污染物。 三、污染物对海洋生物的影响 、 海洋中的污染物，主要分为悬浮固态的营养物和天然有机物，包括氨和其它的天然需氧 物质及热排放物，它们大量地通过生态系天然循环，容易降解;其次是生物性污染物(包括 细菌和病毒)，它们在环境中具有中等的稳定性，第三类是重金属，它们以比天然系统高得 多的浓度出现，对降解非常稳定;第四类是毒性化学物质，包括许多合成有机物和放射性物 质，它们能损害遗传功能，使生物致病、致癌、致畸，具有潜在的危险。污染物对海洋生物 的影响多种多样，其致毒的机制也比较复杂，这里仅从几个主要方面加以简介。 (一)污染对海洋生物生化代谢的影响 重金属能阻碍生物合成途径中的氧化过程，干扰或改变酶和DNA的结构与功能，或与 蛋白质的琉基、生物膜结合，阻碍或破坏物质交换过程，不仅影响生物对营养物质的吸收和 利用，也会影响对有毒物质的分解、转化和排出。例如，20mg/L的锡能完全抑制崎岖鱼腥 藻的固氮酶活性。1拼mol的钻可抑制佛氏绿枝藻的蛋白质和RNA的合成。油膜不仅阻碍海 水表面的气体交换和减弱阳光的射入，影响海洋生物需要的氧和浮游植物的光合作用，而且 其中的芳烃还会破坏藻类的叶绿素。海水中含0.1“g/L有机汞和低至。.。王拼g/L的狄氏剂，它 们都能抑制浮游植物的光合作用。值得指出的是某些海洋生物的肝微粒体氧化酶系对污染会 产生双重反应:一方面这个酶系的芳烃羚化酶被石油烃诱导后，酶活性显著增加，使鱼类代 谢苯并(。)龙等芳烃化合物的反应速度加快，排解污染物的能力增强，减轻了对生物的毒 害;另一方面，它又能活化某些化合物成为强毒性的致癌物或诱变剂，如贻贝肝胰腺的混合 功能氧化酶把环磷酞胺抗癌物转变为海洋生物的致癌物。 (二)污染对海洋生物生理行为的影响 ， 粘附在鱼鳃粘膜上的油可使鱼呼吸困难，失去生理平衡，甚至窒息而死。海洋生物可通 过吞水(如鱼类)或摄饵把石油留存在肠道内，从而使动物麻醉或使其细胞坏死。低沸点的 石油饱和烃，能干扰、麻痹和损害动物的运动与定位神经，于枢及化学感受器，破坏生物的趋 化性与化学通讯机能，改变水生生物的徊游路线，严重影响生物的索饵、聚群、求偶、产卵、避 敌等行为。如海水中原油浓度为0.2Tmg/L时，24h即能毒害黄道蟹触角的化学感受作用，一影 响其摄饵。.污染可增加动物的能量消耗，使耗氧量、摄饵量和排泄作用发生屏常，例52海洋环境科学7卷 如，0.1一50mg/L的狄氏剂就使招潮蟹难以适应环境。 (三)污染对海洋生物生长繁殖的影响 超过闭值的重金属使浮游植物的细胞分裂速率降低或膨胀破裂，改变色素体颜色。据调 查，海洋微表层中重金属的浓度比下层水要高1D一100倍，由于抑制了细菌的繁殖和浮游植 物的光合作用，降低了海洋基础生产力，进而减少了动物的饵料来源。0.06雌/L的甲基汞 能抑制小球藻的生长，60mg/L的无机铝能造成亚心形扁藻死亡。污染使藻类种的多样性大 为减少，阻止了优势种的形成。油浓度为10mg/L时，就会使幼鱼、幼虾的血液循环受阻，发 育异常。此外，由于资源开发和海洋工程建设不当，导致海流、盐度、底质和饵料浮游生物等 改变，破坏了海洋生物的养殖场、产卵场，对海洋水产业影响极大。如美国的墨西哥湾就因 此造成高盐度的海水入侵牡砺养殖场，破坏了半咸水的产卵场。又因牡砺幼虫被掠食和发生 病害，产量逐年下降，1972年的平均亩产仅为1945年的10形。因此，海洋污染给海洋生物资 源带来了无法估量的潜在危害。 (四)污染对海产品食用价值的影响 水中含油浓度为0.01mg/L时，海洋生物在24h即可沾上油味，通过鳃粘膜侵入体内， 再经血液循环迅速扩散到全身。海水中含油浓度为。.lmg/L时，鱼、贝类在2一3h内就发 臭，因此降低了食用价值，减少了海产品的销售量。1983年福建泪州湾建立拆船厂后，排出 的大量油污使周围海水的含油量远远超过国家标准，甚至达百倍以上，养殖的海带、紫菜 因有强烈异味难以出售，使惠安县的水产养殖业受到很大的经济损失。目前我国沿海已建有 近300个拆船厂(点)，如不注意保护海洋环境和生物资源，将使沿海养殖业遭到更加严重 的破坏。海洋生物积累酚类也会产生不良气味。此外，牡砺因铜和锌的污染而呈绿色并有铜 绿味，食后引起腹泻，因而降低了商品价值。海水中铜和锌的浓度分别为0.D2一D.lmg/L和 0.1一0.4mg/L时，就足以使牡砺着绿色，这种牡砺肉铜和锌的含量比正常牡蝠高10到20倍， 而且铜和锌共同作用时有毒性增强的效应。 工业污水可使海带腐烂，动物的味蕾糜烂。高温及铜和锌污染的协同作用能造成蛙鱼致 死性的溃疡流行病。由于污染为细菌提供了丰富的养料或细菌增强了对海洋环境的适应，使 致病微生物大量繁殖;同时由于环境污染的应激作用，又使海洋生物降低了对病菌的抵抗 力，导致海洋生物感染细菌或病毒而患病。例如，1984年在北海南部和1985年在荷兰沿海捕 获的比目鱼分别有半数患病或40厂有肝癌。最近美国发现患癌的鱼类已近300种，赫德森河 中两龄的结鱼几乎100拓患肝癌，布莱克河的蛤鱼肝癌达80炙，迫使当局下令不准在河中垂 钓或游泳，禁止出售这些河所产的鱼类和饮用河水。 (五)污染造成大批海洋生物逃离或死亡 海洋污染不仅使海洋生物资源遭受各种危害或潜在的影响，而且给海洋水产业造成灾 难性的巨大损失。1962年夏，日本有明海因暴雨将施用于农田的五氯苯酚冲入海域，毒死贝 类几万吨，造成26亿日元的损失。1967年“托雷·卡尼翁”号油船事件，使英吉利海峡西岸4一 10万只海鸟死亡;同时海域中的鲜鱼鱼卵有50一90万被杀死，幼鱼也近于绝迹。1972年日 本漱户内海因霍氏眼虫(Hornell:’sSp)形成的大规模赤潮，死亡鲡鱼140。万尾，损失71亿 日元。19了3年8月，美国新英格兰沿岸暴发赤潮，一周内养殖场仅贝类就损失3400万美元。 1987年4月5日，广东茂名市发生一次氰化物泄漏事故，使梅江中下游水中氰化物合量3期王明俊:海洋生物与海洋环境质量I 达0.13一0.45mg/L，超过渔业用水标准的6一22倍，死亡淡水鱼26种50余吨，致使梅江及其 入海口附近海域严重污染，海水鱼、虾、贝、蟹类也大批死亡，损失难以估计。 应当指出，由于污染物的毒性不同和各种生物对毒物敏感性的差别，生物对污染的 耐性和受害程度也各异。例如雄壶对低pH的污水抵抗力很强，但对石油的抵抗力却很差。 海洋藻类对重金属的耐药性有很高的种类特异性，对一种金属的耐受力并不能自动地使其具 有对另一种金属的耐受力。当然也有多重耐受性和复合耐受性的例子。另外，受影响的生物 也会因适应而逐渐增强抗污染的能力，例如在有高铜浓度的河口区的墨角藻，比低铜浓度河 口区的墨角藻更能耐受铜的毒性。一般，游泳力强、年龄大的生物受害较轻，底栖动物如贝 类、蟹类和生物幼体受害较重。 综上所述，海洋生物和海洋污染物之间存在着错综复杂的关系，人类对其认识的深化和 掌握它们相互作用与影响的规律，是个不断地从必然王国到自由王国的探索过程。保护海洋 的核心问题是维持海洋生态系的平衡，目的是为了保护海洋生产力、保证海洋生物资源的永 续利用和保障人类的健康与福利。海洋污染生物学的理论和大最的污染实例，都充分说明了 把环境保护作为我国一项基本国策的科学性、必要性和和必然性及其深远的战略意义。