沈 輝, 萬夕和, 何培民

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富營養(yǎng)化灘涂生物修復(fù)研究進(jìn)展

沈 輝1, 2, 萬夕和1, 何培民2

(1. 江蘇省海洋水產(chǎn)研究所, 江蘇南通226007; 2. 上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院, 上海 201306)

近年來, 隨著海水富營養(yǎng)化加劇, 灘涂沉積物多項(xiàng)重要理化參數(shù)也隨之惡化, 進(jìn)而導(dǎo)致灘涂底質(zhì)生境退化, 表現(xiàn)出較為明顯的富營養(yǎng)化趨勢。為改善和恢復(fù)灘涂沉積物的生態(tài)環(huán)境, 國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了較多的生物境修復(fù)探索研究工作。作者概述了灘涂富營養(yǎng)化的現(xiàn)狀及原因, 各種灘涂生物修復(fù)技術(shù)的原理、特點(diǎn)及其修復(fù)效果, 分析了各類生境修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí), 就灘涂生境修復(fù)技術(shù)在灘涂修復(fù)和海洋環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域今后的研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望。

灘涂; 富營養(yǎng)化; 生物修復(fù)

海洋沉積物作為海洋環(huán)境中氮、磷的重要源和匯, 對維持海洋生態(tài)平衡、修復(fù)失衡的海洋生態(tài)環(huán)境具有重要意義[1]。隨著陸源氮、磷與海水養(yǎng)殖廢水的排放, 水體中氮、磷濃度急劇的上升, 其營養(yǎng)鹽逐步富集至沉積物, 造成了水體及沉積物都出現(xiàn)了富營養(yǎng)化現(xiàn)象[2]。除陸源氮、磷的輸入外, 過高密度的懸浮性貝類增養(yǎng)殖也是引起灘涂底質(zhì)環(huán)境開始出現(xiàn)富營養(yǎng)化的原因之一[3]。由貝類介導(dǎo)的生物沉降雖然有利于有機(jī)物在底質(zhì)中沉積[4], 但高密度懸浮性貝類增養(yǎng)殖灘涂區(qū)域水體交換受到限制, 貝類所排出的糞便增加了底質(zhì)中溶氧的大量消耗, 在微生物的作用下, 會(huì)加速硫的還原、增強(qiáng)反硝化、刺激硝酸鹽還原為氨, 這一系列的過程對生態(tài)環(huán)境造成顯著影響, 進(jìn)而導(dǎo)致其他底棲生物數(shù)量和種類減少, 同時(shí)使整個(gè)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變[5-6]。

目前, 灘涂沉積物富營養(yǎng)化已逐漸引起國際社會(huì)的廣泛重視, 國內(nèi)外學(xué)者對沉積物富營養(yǎng)化生境修復(fù)進(jìn)行了一系列的探索研究, 作者就相關(guān)研究進(jìn)行了綜述并概述了灘涂富營養(yǎng)化的現(xiàn)狀及原因, 總結(jié)了海岸帶灘涂修復(fù)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢。

1 灘涂的富營養(yǎng)化現(xiàn)狀及原因

2013年《中國海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》[7]顯示, 海水中無機(jī)氮和活性磷酸鹽含量超標(biāo)導(dǎo)致了近岸局部海域的富營養(yǎng)化。2013年夏季, 呈富營養(yǎng)化狀態(tài)的海域面積約6.5×105km2, 其中重度、中度和輕度富營養(yǎng)化海域面積分別為18 000、16 810和29 980 km2, 重度富營養(yǎng)化海域主要集中在遼東灣、長江口、杭州灣、珠江口的近岸區(qū)域。“十一五”以來, 沿海主要入海氮磷污染物排放量總體均呈上升趨勢, 尤其是隨著沿海開發(fā)戰(zhàn)略的逐步落實(shí), 呈現(xiàn)較為明顯的上升態(tài)勢。以江蘇為例, “十五”末, 入海河流總氮(TN)排放量約為2.01×105t, 至“十一五”末已增至7.69×105t, 同比增長約284%[8]。

由于近岸水體中較高含量營養(yǎng)鹽的刺激, 浮游植物生產(chǎn)力和生產(chǎn)量增加, 水體中溶氧大量被消耗, 厭氧細(xì)菌迅速繁殖, 引起底層海水出現(xiàn)無氧和缺氧狀態(tài), 逐步演變成永久無氧區(qū), 生物多樣性出現(xiàn)大幅度下降, 導(dǎo)致灘涂底質(zhì)生境退化[9-12]。據(jù)2013年《中國海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》[7]顯示, 近岸典型海洋生態(tài)系統(tǒng)如河口、海灣、灘涂濕地、珊瑚礁、紅樹林和海草床等分別處于健康、亞健康和不健康狀態(tài)的海洋生態(tài)系統(tǒng)約占23%、67%和10%; 另外, 公報(bào)中還指出, 蘇北淺灘灘涂濕地生態(tài)系統(tǒng)呈亞健康狀態(tài), 其原因主要是由于蘇北淺灘濕地灘涂圍墾, 現(xiàn)有灘涂植被面積較上年減少近一半, 浮游植物密度和浮游動(dòng)物生物量高于正常范圍, 進(jìn)而導(dǎo)致了灘涂生態(tài)系統(tǒng)退化的現(xiàn)象。

導(dǎo)致灘涂底質(zhì)生境退化的因素較為復(fù)雜, 但從本質(zhì)上分析, 主要由于灘涂底質(zhì)系統(tǒng)物質(zhì)和能量輸入與輸出不平衡所造成, 與其自凈能力弱、環(huán)境容量小、易形成物質(zhì)(氮、磷及衍生的有毒有害物質(zhì))積累關(guān)系最為密切。

2 富營養(yǎng)化生物修復(fù)研究進(jìn)展

2.1 生物修復(fù)

生物修復(fù)是指利用生物特別是微生物, 將存在于土壤、地下水和海洋等環(huán)境中的有毒、有害的污染物降解為二氧化碳和水, 或轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì), 從而使污染生物環(huán)境修復(fù)為正常生態(tài)環(huán)境的工程技術(shù)體系。生物修復(fù)的類型主要分為原位、易位及原位-易位聯(lián)合3種生物修復(fù)。在已報(bào)道的研究中主要以原位修復(fù)為主, 包括生物翻耕法、植物修復(fù)法、微生物修復(fù)、生物擾動(dòng)法等。如紅樹林濕地營造技術(shù)、濱海濕地污染物消減技術(shù)、大型海藻水質(zhì)凈化技術(shù)、海水生態(tài)浮床技術(shù)、利用貝類或多毛類修復(fù)灘涂和淺海環(huán)境的技術(shù)等一系列行之有效的海洋生物修復(fù)技術(shù)。

2.2 生物修復(fù)的研究進(jìn)展

2.2.1 植物修復(fù)

直接或間接地利用植物去除污染物的技術(shù)被稱為植物修復(fù), 主要通過3種機(jī)制去除環(huán)境中的有機(jī)污染物, 即直接吸收、刺激植物根區(qū)微生物活性及增強(qiáng)根區(qū)的礦化作用。

2.2.1.1 大型海藻修復(fù)

大型海藻因特殊的生理功能在研究高效去除氮、磷等污染物的富營養(yǎng)化防治技術(shù)中受到極大地推廣[13-14]。大量海藻作為水體營養(yǎng)鹽的過濾器, 優(yōu)先利用水體中的PO43–, NH4+和NO3–等無機(jī)鹽離子, 并吸收CO2, 產(chǎn)生O2, 對平衡水體生態(tài)環(huán)境具有積極的影響。大型藻的營養(yǎng)貯存機(jī)制與浮游植物相比, 更適合在營養(yǎng)鹽波動(dòng)的水體環(huán)境中生長[15]。人工栽培海藻易形成規(guī)模, 快速生長的同時(shí)能從周圍環(huán)境水體中大量吸收氮、磷及鉛、鎘、鋅等重金屬, 釋放出氧氣, 調(diào)節(jié)水體pH值, 并在水生生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用[16-17]。據(jù)研究報(bào)道, 江蘺()、紫菜()、海帶()及滸苔()等大型海藻都具有較強(qiáng)的營養(yǎng)鹽吸收能力, 每千克江蘺、紫菜、海帶及滸苔可利用氮鹽的能力分別為50~60 g、50~60 g、30~40 g及45 g[18-21]。

采用大型藻類處理封閉海水養(yǎng)殖系統(tǒng)的廢水始于20世紀(jì)70年代中期, 由于該方法可以有效減少環(huán)境對溶解態(tài)營養(yǎng)物質(zhì)的負(fù)荷量, 因此20世紀(jì)90年代歐盟率先啟動(dòng)了有關(guān)富營養(yǎng)化和大型海藻的EUMAC研究計(jì)劃, 對波羅的海到地中海歐洲沿岸海的海藻在海區(qū)富營養(yǎng)化過程中的響應(yīng)和作用進(jìn)行了研究與分析, 這些研究成果逐漸發(fā)展和完善了魚、蝦、貝類和大型海藻等多種生物混養(yǎng)的綜合養(yǎng)殖模式。在過去幾十年里, 中國一直具有大面積的經(jīng)濟(jì)海藻栽培, 在兼顧經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)又達(dá)到了平衡生態(tài)系統(tǒng)的作用[22]。近年來, 進(jìn)行了利用栽培海藻防治富營養(yǎng)化及赤潮暴發(fā)機(jī)制的研究。He等[19]對紫菜養(yǎng)殖期間水體中的氨氮、亞硝態(tài)氮及硝態(tài)氮的平均濃度進(jìn)行了監(jiān)測, 結(jié)果表明, 紫菜的生長吸收作用可以使栽培區(qū)的水質(zhì)中的無機(jī)氮大幅度地降低, 從而使水質(zhì)由從劣Ⅳ類改善至Ⅰ-Ⅱ類。Huo等[23]開展了紅藻對網(wǎng)箱養(yǎng)殖海區(qū)的生態(tài)修復(fù)及生態(tài)養(yǎng)殖匹配模式的研究, 基于這個(gè)模式條件下, 養(yǎng)殖海區(qū)的營養(yǎng)鹽指標(biāo)具有大幅度地下降。龍須菜()也具有同樣的水體凈化作用, 其大規(guī)模的栽培會(huì)對淺海貝類養(yǎng)殖區(qū)的底質(zhì)環(huán)境有所改善, 并有一定的生態(tài)調(diào)控作用[24]。大型海藻除了直接吸收營養(yǎng)作用外, 其大規(guī)模生長會(huì)阻礙光線的傳輸并間接減弱淺海區(qū)底層小型藻類的光合反應(yīng), 增加藻類沉積并因此而造成沉積物中溶解氧消耗量的增加, 有利于反硝化作用的進(jìn)行, 從而降低了沉積物中的無機(jī)氮含量[25]。

2.2.1.2 陸生植物修復(fù)

因?yàn)┩凯h(huán)境具有高鹽和浸沒的特性, 在此環(huán)境特征中可生存的植物種類較少, 因此較少陸生植物可供修復(fù)應(yīng)用。目前在灘涂岸基處能較好生存的植物有大米草()、互花米草()、海濱錦葵()及海蓬子()等。

大米草是鹽沼濕地先鋒物種之一, 中國于1963年引入, 由于其適應(yīng)高鹽的生理學(xué)特點(diǎn), 已成為中國海岸帶濕地植被的優(yōu)勢群落之一[26-28]。大米草區(qū)除了具有改善土壤結(jié)構(gòu), 增加土壤透氣性, 減弱土壤厭氧呼吸的作用外, 還可以大幅度地提高沙蠶()的生物量[29-30]。大米草具有發(fā)達(dá)的根系, 可以適應(yīng)較為復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境, 如土壤的鹽度變化、潮汐周期、及土壤中溶氧的劇烈變化等[31]。大米草區(qū)除了具有較強(qiáng)的降解水體中有機(jī)物的能力外, 還可以很大程度上分解和吸收大型植物的有機(jī)碎屑, 從而平衡水體和沉積物的生態(tài)環(huán)境[32]。另外, Sousa等[33]從應(yīng)用大米草對河口生態(tài)修復(fù)的研究中發(fā)現(xiàn), 大米草主要對氮的吸收能力較強(qiáng), 可以有效地平衡灘涂底質(zhì)中氮鹽, 達(dá)到降低水體富營養(yǎng)化的目的。大米草和互花米草因具有很強(qiáng)的生長優(yōu)勢且難以被清除的特點(diǎn), 被歸類為入侵物種, 因此應(yīng)用到生態(tài)修復(fù)的研究領(lǐng)域備受廣大學(xué)者爭議。作者認(rèn)為在灘涂環(huán)境較少植物生存的特殊環(huán)境條件下, 合理地應(yīng)用大米草和互花米草對生態(tài)環(huán)境的修復(fù)具有利大弊小的作用。例如, 美國學(xué)者采用“梯田濕地”技術(shù)種植互花米草及其他濕地植被, 對海岸淺海區(qū)域建造緩坡狀濕地加以保護(hù), 從而達(dá)到修復(fù)海岸帶生態(tài)環(huán)境之目的[34]。

海蓬子具有耐鹽堿脅迫的生理學(xué)特點(diǎn), 海濱錦葵自然分布于美國含鹽沼澤, 1992被引入中國, 在江蘇海堤灘涂區(qū)多年栽種試驗(yàn)表明, 該植物能較好地適應(yīng)江蘇灘涂沉積物環(huán)境, 具有優(yōu)良的耐鹽堿能力, 已被廣泛地做為蔬菜、藥材等開發(fā)利用[35-36]。海蓬子可以適應(yīng)較大鹽度范圍的土壤環(huán)境, 細(xì)胞內(nèi)的各種反應(yīng)產(chǎn)生超氧自由基、過氧化氫和單線態(tài)氧等, 保護(hù)細(xì)胞膜、抵抗鹽分脅迫造成的氧化逆境[37-38]。即使在不同鹽度條件下, 海蓬子也可以適應(yīng)出新的耐鹽機(jī)制[39]。海蓬子也作為生物過濾器應(yīng)用到海水養(yǎng)殖廢水的營養(yǎng)鹽去除研究中, 且這種養(yǎng)殖與種植相結(jié)合的生態(tài)模式也日益得到人們的關(guān)注[40-41]。海濱錦葵是一種全海水澆灌植物, 能有效地利用養(yǎng)殖廢水及海水中的營養(yǎng)鹽, 起到凈化海水、改善和恢復(fù)灘涂沉積物的生態(tài)環(huán)境[39, 42]。上述海蓬子及海濱錦葵雖具有較好的耐鹽及吸收營養(yǎng)鹽的能力, 但對潮汐淹沒生態(tài)適應(yīng)性較弱, 將其應(yīng)用于灘涂修復(fù)仍具有一定的局限性。

2.2.2 生物擾動(dòng)修復(fù)

2.2.2.1 生物擾動(dòng)

生物擾動(dòng)一般是指底棲動(dòng)物由于攝食、建管、筑穴、避敵、爬行、排泄和遷移等行為造成沉積環(huán)境發(fā)生變化, 進(jìn)而影響營養(yǎng)鹽在沉積物—水界面之間的遷移和轉(zhuǎn)化, 同時(shí)也影響有機(jī)物的分解和礦化顆粒態(tài)和溶解態(tài)物質(zhì)遷移變化的過程, 是灘涂環(huán)境一個(gè)重要的生態(tài)過程[43]。

2.2.2.2 生物擾動(dòng)研究進(jìn)展

大量研究表明, 近岸灘涂沉積物對介導(dǎo)地球生化循環(huán)和能量流動(dòng)起著至關(guān)重要的作用[44]。而生存于沉積物環(huán)境中的底層大型動(dòng)物對于沉積物的結(jié)構(gòu)、底層-水界面的能量、微生物群落結(jié)構(gòu)具有十分重要的影響, 由此可見生物擾動(dòng)作用對近岸灘涂底質(zhì)環(huán)境甚至整個(gè)地球生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)作用[45]。

灘涂環(huán)境中典型的生物擾動(dòng)中介主要有雙殼類、環(huán)節(jié)動(dòng)物蠕蟲類(多毛類、寡毛類)、腹足類、小型甲殼類等底棲動(dòng)物。大型底棲動(dòng)物是是底棲生態(tài)系統(tǒng)的一部分, 其通過擾動(dòng)和灌溉作用除了改變了沉積物的物理化學(xué)性質(zhì), 同時(shí)還促進(jìn)了硝化和反硝化作用[46]。

研究表明, 底棲動(dòng)物對沉積物的影響主要分為3個(gè)方面: (1)底棲動(dòng)物的擾動(dòng)可以改變沉積物的結(jié)構(gòu), 使沉積物密度降低, 增加沉積物間隙水的營養(yǎng)鹽通量[47-48], 而且在生物擾動(dòng)的過程中, 將大量高溶氧的上層水泵入底層, 增加了底質(zhì)環(huán)境的含氧量, 提高了氧化還原電位, 促進(jìn)了氮、磷、硫的物質(zhì)循環(huán)[49-51]。Shull等[51]研究認(rèn)為, 雙殼類軟體動(dòng)物能夠提高沉積物的有氧呼吸, 多毛類環(huán)節(jié)動(dòng)物則恰好相反, 它可以大大促進(jìn)氧氣的吸收, 但不能顯著提高沉積物中的有氧呼吸作用。另外, 掘穴動(dòng)物的活動(dòng)還能夠增加沉積物與上覆水體接觸的區(qū)域, 攜帶營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣及某些微生物進(jìn)入沉積物深層, 并可以在沉積物深層到表層間互相轉(zhuǎn)移物質(zhì)[52]; (2)生物擾動(dòng)可以顯著地改變沉積物中的微生物群落結(jié)構(gòu), 尤其促進(jìn)了氮循環(huán)功能細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)和豐度, 從而顯著提高沉積物中的硝化速率和反硝化速率[50, 53-54]。多毛類環(huán)節(jié)動(dòng)物擾動(dòng)提高了上覆水體和沉積物的反硝化作用, 其中約79%的反硝化作用由多毛類環(huán)節(jié)動(dòng)物擾動(dòng)造成, 這一作用比雙殼類軟體動(dòng)物活動(dòng)的微環(huán)境中要高出2倍, 推論認(rèn)為多毛類環(huán)節(jié)動(dòng)物通過反硝化作用轉(zhuǎn)移硝態(tài)氮, 而雙殼類軟體動(dòng)物則主要促進(jìn)了硝化作用過程[49]。端足類甲殼動(dòng)物對洞穴壁的硝化作用比表面沉積物高3倍, 這是由于含有大量硝化細(xì)菌的內(nèi)壁的微生物群落組成和化學(xué)特征所致, 因此底棲動(dòng)物對有機(jī)物質(zhì)沉降和沉積物中氮的轉(zhuǎn)移過程均具有重要影響[55]; (3)在底棲動(dòng)物腸道、鰓、體表(殼)等部位, 共存著復(fù)雜的微生物群落, 且微生物群落在生物擾動(dòng)的作用下, 獲得生命活動(dòng)所需要的碳源、氮源、好氧微環(huán)境及厭氧微環(huán)境, 由此產(chǎn)生營養(yǎng)鹽的利用和消耗[56-57]。

目前, 雙殼貝類、多毛類及甲殼類等底棲動(dòng)物被應(yīng)用到生態(tài)環(huán)境的修復(fù), 在已報(bào)道的研究中利用沙蠶對沉積物的修復(fù)及其效果評(píng)價(jià)的方法較多[58-60]。?？∠璧萚61]通過投入一定密度的沙蠶對灘涂貝類養(yǎng)殖區(qū)底質(zhì)中的硫化物進(jìn)行修復(fù), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 沙蠶的擾動(dòng)作用除顯著提高沉積物中的氧化還原電位外, 還增加了硫化物在底質(zhì)與水體間的通量, 從而使灘涂底質(zhì)中的硫化物顯著降低。陳慧彬等[62]采用原位和異位修復(fù)生物的投放(毛蚶()、青蛤()、沙蠶等底棲動(dòng)物)對渤海典型海岸帶灘涂沉積物進(jìn)行民生物修復(fù), 發(fā)現(xiàn)沙蠶攝食活動(dòng)可促進(jìn)底質(zhì)形成微食物鏈, 提高底質(zhì)生物多樣性和系統(tǒng)穩(wěn)定性, 且通過對底質(zhì)粒度的分析, 表明沙蠶的活動(dòng)能有效地消耗底質(zhì)中腐殖質(zhì), 減少底質(zhì)中的有機(jī)物微粒。

2.2.3 微生物修復(fù)

2.2.3.1 微生物修復(fù)

微生物修復(fù)主要通過微生物的作用清除土壤中的污染物, 包括自然和人為控制條件下的污染物降解或無害化處理。主要采用生物刺激和生物強(qiáng)化兩種手段來加速或加強(qiáng)微生物的修復(fù)過程。在生物地球化學(xué)物質(zhì)循環(huán)當(dāng)中, 微生物是碳、氮、硫、磷等元素循環(huán)的關(guān)鍵促進(jìn)者, 其中氮素循環(huán)功能細(xì)菌涉及生物固氮、氨化、脫氨、硝化、反硝化等8個(gè)環(huán)節(jié), 其作用機(jī)制受到多種因素的影響[63]。

2.2.3.2 生物強(qiáng)化的研究進(jìn)展

生物強(qiáng)化是向污染環(huán)境中間斷地投入外源微生物、酶或培養(yǎng)基質(zhì)等, 使外源作用微生物在污染環(huán)境中生存并降解污染物的過程。微生態(tài)制劑主要由光合細(xì)菌、乳酸菌、酵母菌等多種微生物組成, 在對富營養(yǎng)化水體的修復(fù)應(yīng)用中可以有效地降低水體中的氮、磷含量。目前, 針對沉積物環(huán)境修復(fù)主要集中在對氮循環(huán)功能細(xì)菌的研究, 利用硝化-反硝化過程去除沉積物環(huán)境中富集的氮鹽, 對氮素循環(huán)發(fā)揮著極其重要的作用[64-65], 尤其反硝化作用在減輕海岸帶地區(qū)的氮負(fù)荷方面有著十分重要的作用[65]。利用微生物的反硝化作用去除地下水中過量的硝酸鹽已有廣泛的研究報(bào)道[66-67], 但針對沉積物或土壤中的硝酸鹽的去除研究較少, 已有的研究報(bào)道僅限于菌株的分離或小規(guī)模地測試。劉詠等[68]從巢湖濕地土壤中分離篩選得到高效的異養(yǎng)反硝化細(xì)菌, 結(jié)合蒲葦秸稈一同施用于硝酸鹽污染的土壤, 其硝酸鹽降解能力達(dá)到90%。全為民等[69]從長江沉積物中篩選分離出一株海洋反硝化細(xì)菌, 模擬了該細(xì)菌對硝酸鹽氮的去除效率, 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)細(xì)菌具有較強(qiáng)的反硝化作用, 能在一周內(nèi)將90%的硝酸鹽氮去除。

2.2.3.3 生物刺激的研究進(jìn)展

生物刺激是指利用土著微生物, 提供其生長所需要的條件, 諸如電子受體、載體以及營養(yǎng)物等, 使土著微生物降解污染物的過程。

近年來, 生物炭在土壤改良的研究中成為研究熱點(diǎn)。生物炭主要是由植物在完全或部分缺氧的條件下經(jīng)低溫?zé)峤馓炕a(chǎn)生的一類難溶性固態(tài)物質(zhì)。生物炭可以改變土壤的理化形態(tài)(土壤的酸堿度、有機(jī)碳含量、陽離子交換量等)[70-71], 也可以改變沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán), 如溫室氣體N2O、CO2及CH4等[72-73]。研究還發(fā)現(xiàn), 生物炭的施用可以影響細(xì)菌的豐度及其群落結(jié)構(gòu)[74-76]。Berglund等[77]研究認(rèn)為, 生物炭可以吸附土壤環(huán)境中的一些不利于微生物硝化作用的物質(zhì)如多酚或單菇類物質(zhì), 因此生物炭的添加可以促進(jìn)土壤中細(xì)菌的硝化作用。Song等[78]對灘涂積物添加生物炭后的氨氧化細(xì)菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)生物炭可以刺激沉積物細(xì)菌的氨氧化速率, 并發(fā)現(xiàn)在此過程中AOB在細(xì)菌群落中占優(yōu)勢, 但與硝化速率成正相關(guān)的卻為AOA。目前, 諸多研究均表明, 生物炭輸入可以顯著影響土壤中氨氧化菌的豐度和活性, 但對氨氧化作用的影響仍存在廣泛爭議。這主要是由于AOA和AOB對環(huán)境應(yīng)力和環(huán)境變化非常敏感, 各類環(huán)境因子的變化都會(huì)影響其豐度和活性[79]。另外, 研究者們開始嘗試施用貝殼砂或生物炭對生境退化的沉積物進(jìn)行改善, 研究發(fā)現(xiàn)施用貝殼砂后, 其理化性質(zhì)和氮循環(huán)過程發(fā)生了極顯著的變化, 微生物群落也發(fā)生了顯著的變化, 其反硝化細(xì)菌的多樣性有了進(jìn)一步的提高[80]。

2.2.4 生物翻耕修復(fù)

2.2.4.1 生物翻耕

生物翻耕法是通過對污染土壤進(jìn)行翻耕, 提高土壤的通透性, 創(chuàng)造污染物被氧化的條件, 從而達(dá)到降低污染物含量的目的。

2.2.4.2 生物翻耕的研究進(jìn)展

土壤是微生物群落的載體, 具有功能齊全的微生物群落, 對污染的沉積物進(jìn)行翻耕, 使水層與沉積積營養(yǎng)物質(zhì)交換增加, 提高沉積物的通氣性, 調(diào)整污染沉積物的酸堿度, 并改善微生物的微環(huán)境[81]。陳聚法等[82]采用翻耕和翻耕并筑池的生物修復(fù)方式對乳山灣西流區(qū)的富營養(yǎng)化灘涂進(jìn)行了修復(fù), 結(jié)果表明生物翻耕修復(fù)區(qū)沉積物環(huán)境中的各項(xiàng)理化指標(biāo)都有所改善, 且修復(fù)區(qū)中的縊蟶()生物量明顯高于對照區(qū)。同樣, 馬紹賽等[83]采用了壓沙和翻耕的物理方式對乳山灣菲律賓蛤仔()養(yǎng)殖老化灘涂進(jìn)行了修復(fù), 比較了不同的壓沙厚度和翻耕深度的修復(fù)效果, 得出翻耕40 cm并結(jié)合壓沙3 cm的效果最好。生物翻耕技術(shù)可操作性強(qiáng)、見效性的特點(diǎn), 但底棲生物及微生物群落在環(huán)境劇烈變化的條件下被大幅度地改變, 該方法的使用還存在一定的爭議。

3 研究展望

3.1 灘涂養(yǎng)殖模式的研究

由于氮磷的陸源輸入及近岸養(yǎng)殖灘涂的生物沉積作用, 使灘涂底質(zhì)環(huán)境惡化, 導(dǎo)致底棲生物群落和浮游生物群落生物多樣性明顯降低[84], 影響了灘涂養(yǎng)殖的健康發(fā)展, 破壞了海洋生態(tài)環(huán)境的平衡, 對富營養(yǎng)化的灘涂環(huán)境實(shí)施生境修復(fù)迫在眉睫。部分灘涂地區(qū)的懸浮性貝類養(yǎng)殖品種單一, 養(yǎng)殖密度過大, 生物沉積強(qiáng)度較高, 結(jié)構(gòu)不合理, 個(gè)體間的空間生態(tài)位競爭激烈, 進(jìn)而導(dǎo)致病害相互傳染, 養(yǎng)殖對象容易產(chǎn)生暴發(fā)性死亡, 死亡貝類組織的腐敗進(jìn)一步對灘涂底質(zhì)環(huán)境造成了極大的破壞[85-86]。底棲貝類可以提高底質(zhì)-水界面的物質(zhì)通量、促進(jìn)營養(yǎng)鹽的循環(huán)和能量流動(dòng)(之上已討論), 由此, 對貝類的養(yǎng)殖模式結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的調(diào)整可以有效地改善近岸灘涂的富營養(yǎng)化現(xiàn)狀。

3.2 灘涂養(yǎng)殖環(huán)境容量的研究

針對貝類養(yǎng)殖模式的合理利用問題, 貝類養(yǎng)殖容量這一概念首次被日本學(xué)者提出。它主要是應(yīng)用海水中初級(jí)生產(chǎn)力對貝類養(yǎng)殖的容量進(jìn)行研究, 目前建立了海灣扇貝的養(yǎng)殖容量模型、貽貝養(yǎng)殖容量模型, 對貝類的養(yǎng)殖生產(chǎn)起到了重要的指導(dǎo)作用[87-88]。但以上模型主要針對掛養(yǎng)式貝類, 模型中重要的因素主要為水體初級(jí)生產(chǎn)力、貝類的攝食、同化、吸收的參數(shù), 而對于灘涂底棲貝類與底質(zhì)環(huán)境的相互作用還未進(jìn)行建模分析, 因此并不適用于灘涂底棲貝類的養(yǎng)殖容量研究。盡管灘涂底質(zhì)的環(huán)境參數(shù)較為復(fù)雜且變化敏感, 但灘涂貝類養(yǎng)殖容量模型的建立與分析將成為生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展利用的重要研究手段。

3.3 生物修復(fù)技術(shù)的合理搭配

在上述生物修復(fù)技術(shù)中, 沉積物中的營養(yǎng)鹽在物理翻耕后隨著潮汐的作用返回至水體中, 該技術(shù)對于底質(zhì)修復(fù)的效果最為直接、快速, 但營養(yǎng)鹽僅僅從底質(zhì)中轉(zhuǎn)移至水體中, 無法直接有效地將營養(yǎng)鹽從海洋環(huán)境中移除, 因此這種修復(fù)技術(shù)具有片面性。大型海藻雖不能直接從沉積物中吸收營養(yǎng)鹽, 但可以高效地吸收物理翻耕后轉(zhuǎn)移至水體中的營養(yǎng)鹽, 同時(shí)大型藻類能固碳、產(chǎn)生氧氣, 調(diào)節(jié)水體中的pH值, 從而對物理翻耕進(jìn)行有效地互補(bǔ)。另外, 物理翻耕技術(shù)對底質(zhì)中的微生物群落結(jié)構(gòu)及其活性功能造成了較大的影響, 通過補(bǔ)充高效的選擇性反硝化細(xì)菌對底質(zhì)中的微生物進(jìn)行定向引導(dǎo)和強(qiáng)化, 從而恢復(fù)和強(qiáng)化底質(zhì)中的微生物群落結(jié)構(gòu)和功能。同時(shí), 多毛類的生物擾動(dòng)作用會(huì)增強(qiáng)底質(zhì)中的硝化和反硝化作用。因此, 各類生境修復(fù)技術(shù)的合理搭配會(huì)更好地達(dá)到其修復(fù)效果, 實(shí)現(xiàn)對灘涂生態(tài)環(huán)境的修復(fù)和調(diào)控。

對于高塔肥，有經(jīng)銷商告訴記者，其在國內(nèi)的定位屬于高端肥，屬于化學(xué)合成，生產(chǎn)成本較高，所以價(jià)格也較高。尤其水溶性較好，所以在經(jīng)濟(jì)作物方面占有一席之地，但是因其價(jià)格偏高，所以在大田作物方面不會(huì)有太大的增長量。此外，其品種上的差異化定位，是其營銷的一個(gè)重要手段，而且高塔在市場上的飽和度也很大。以廣西地區(qū)來說，目前落地的高塔就有4座，再加上其他地區(qū)企業(yè)的進(jìn)駐，高塔肥的市場競爭是極為激烈的。

3.4 微生物修復(fù)的深入研究

微生物在全球生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著重要功能, 其中氮循環(huán)功能細(xì)菌介導(dǎo)的氮循環(huán)可影響全球的變化, 并對環(huán)境的變化做出響應(yīng)[28, 89]。上述各類生境修復(fù)技術(shù)不同程度地影響了底質(zhì)中氮循環(huán)功能細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)與豐度, 調(diào)整了微生物群落的結(jié)構(gòu), 從而達(dá)到生境恢復(fù)的目的。貝類砂、生物炭、大米草、大型底棲動(dòng)物的擾動(dòng)作用在不同程度上對微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行影響, 增強(qiáng)底質(zhì)中的硝化和反硝化速率, 從而達(dá)到生物修復(fù)的作用。由此, 在結(jié)合環(huán)境理化指標(biāo)的基礎(chǔ)上, 通過對修復(fù)過程中的各類氮循環(huán)功能基因的分子標(biāo)記研究微生物的多樣性, 從微生態(tài)的角度來分析和評(píng)估生境修復(fù)效果。在過去的10年間, 非培養(yǎng)的微生物分子生物學(xué)技術(shù)得到了長足的進(jìn)步, 它允許我們在群落的水平上分析細(xì)菌。目前, 以PCR為基礎(chǔ)的分子生物學(xué)技術(shù)如16s rDNA、PCR-DGGE、RFLP、高通量測序等分析功能微生物群落已經(jīng)成功應(yīng)用于海洋沉積物[90-96]。以上研究方法可以為研究和評(píng)價(jià)海洋沉積物環(huán)境變化機(jī)制提供了新方法。

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Review of research on bioremediation in the eutrophication of intertidal flats

SHEN Hui1, 2, WAN Xi-he1, HE Pei-min2

(1. Jiangsu Marine Fisheries Research Institute, Nantong 226007, China; 2. College of Fisheries and Life Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

In recent years, due to the process of eutrophication in sea water, the sediments in the intertidal flats have been eutrophicated. The biodiversity of the tidal flats and various important physical and chemical parameters such as dissolved oxygen capacity have declined significantly. Meanwhile, levels of ammonia nitrogen and nitrate nitrogen have increased significantly, resulting in habitat degradation in the tidal flats. Several studies have been carried out on bioremediation to restore the ecological environment of the intertidal flats. This article summarizes the current situation of eutrophication in the tidal flats; reviews the principle, characteristics, and consequences of the various bioremediation methods; and compares the merits and demerits of these restoration techniques. The key points of application of bioremediation for eutrophicated intertidal flats are also summarized, and future research directions of bioremediation in applied ecology and environmental protection are put forward.

Intertidal flats; eutrophication; bioremediation

(本文編輯: 譚雪靜)

Aug. 7, 2015

[National Key Technology Support Program, No. 2012BAC07B03]

X55

A

1000-3096(2016)10-0160-10

10.11759//hykx 20150807001

2015-08-07;

2015-11-13

國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAC07B03)

沈輝(1981-), 男, 江蘇徐州人, 博士, 主要從事海洋微生態(tài)學(xué)研究, E-mail: darkhui@163.com