海洋重金屬污染及其對海藻的毒害作用

宋美霖

（海南熱帶海洋學院，海南 三亞 572022）

中國海洋水域總面積約為300萬平方公里，是一個大型的海洋資源大國。據悉，早在20世紀90年代，海洋資源的綜合開發就被國家列入中國海洋發展規劃戰略[1]，同時，國家在海洋資源、海洋保護和海洋管理等方面逐步加大了人力物力的投入。但從目前來看，海洋的重金屬污染狀況仍較為嚴重，所以海洋生物（主要是浮游生物中藻類等）不得不面臨嚴峻的考驗。

1 重金屬污染的基本概念以及來源

1.1 概念

在《環境科學大辭典》中明確指出，重金屬即密度大于5 g/cm3或者4 g/cm3的金屬，諸如銅、鐵、汞、鎘等。因此，重金屬污染是指由重金屬或者其化合物造成的環境污染。

1.2 來源

海洋重金屬的產生途徑主要是自然來源和人為來源。自然來源主要是由自然活動引起的，例如海底的火山爆發、巖石層的風化和自然界的降雨等。這些自然活動的發生，在某種程度上都攜帶了一些重金屬進入海洋。

人為來源則是指由一系列的人為活動，如礦物燃料燃燒、工業廢水和生活污水的排放，以及重金屬農藥化肥在土壤里流失等引起的海洋重金屬污染。其中，人為來源又可分為直接人為來源和間接人為來源。例如，部分工業廢水的重金屬含量過高，許多生產企業未經過合格處理就直接排入海洋，這就是人為活動直接造成的海洋重金屬污染；而在工業生產過程中，由于礦物燃料燃燒產生的廢氣被排放到大氣當中，這些攜帶重金屬的氣體經水的自然循環（降雨、滲透等）流入海洋，這就是人為活動間接地導致海洋重金屬污染。因此，與自然重金屬的污染相比，人類活動導致的重金屬污染占比更重。

2 海洋重金屬污染現狀

面對海洋重金屬污染的狀況，我國學者紛紛對此展開專項調研，依次在渤海（遼河口、渤海灣、遼東灣）、黃海（膠州灣、大連灣）、東海（長江口）、南海（珠江口、湛江灣）等海域都進行了重金屬污染情況的檢測。根據調查結果顯示，目前海洋重金屬的污染狀況十分嚴峻。以南海為例，曾在2016年南海區海洋環境狀況公報指出，其9條主要河流（珠江、深圳河、東江、榕江等）重金屬污染物入海量共計3 244 t，其中，銅476 t、鉛178 t、鋅2 548 t、鎘35 t、汞7 t。此外，重金屬停留時間很長，并可以沿著食物鏈轉移和富集，因而對生物影響頗大。以里海為例，2000年四月中旬以來，其哈薩克斯坦水域就有多達8 000頭海豹因為長期受汞、鎘的污染而死亡。

3 海藻對重金屬的吸收機制

3.1 海藻的重要作用

海藻不僅可以參與海洋的初級生產，同時還能在海洋的生態系統中起著非常重要的作用。海藻能夠利用陽光進行光合作用，從而為海洋生物提供氧氣。經過大量的研究表明，藻類可以作為一種非常好的重金屬吸附材料，其能夠有效地去除含量較低或用傳統方法難以去除的重金屬。因此，藻類對于各類有害重金屬的有效吸附作用具有非常好的發展前景[2]。

3.2 海藻對重金屬的吸附機理

藻類細胞壁分為內外兩層。外層主要是由Cellulose（纖維素）、Pectic substance（果膠質）和Polygalactose sulfate（聚半乳糖硫酸酯）等多層微纖絲組成的多孔結構；其內層的主要成分是纖維素。因此藻類細胞壁表面褶皺較多，所以表面積也較大。

由于藻類細胞自身的結構和生理特征，當它遭受重金屬毒害時會撐起一道防御屏障—外排作用（Extrinsic action）。其作用機制如下：藻細胞壁上的蛋白質、磷脂和多糖等多聚復合體供予大量官能團，例如氨基、羧基、醛基、羥基等。這些官能團能夠合理有序地排列在藻細胞壁上，并與重金屬結合成有機金屬化合物，以此對有毒的金屬離子進行攔截，阻止其進入藻類細胞內部[3]。

3.2.2 藻類細胞內金屬與蛋白（或多肽）結合

大量研究表明，在高濃度重金屬廢水中，部分藻類能夠正常生存，是因為這些藻類對于進入胞內的金屬離子具有一定抗性。其主要原因是由谷胱甘肽（GSH）、金屬硫蛋白（MT）等大分子物質所為。以谷胱甘肽（GSH）為例，其巰基可以與重金屬直接結合，同時GSH又是合成PCs的底物。

3.2.3 藻類對重金屬的其他適應機制

藻類除上述對重金屬的吸附方式外，還有以下三種方式：①脯氨酸在藻類對抗重金屬中，增強了細胞對重金屬的耐性或解毒性能；②Hot protein（熱敷蛋白）的協同作用，有助于清除各種因重金屬而變性的蛋白質、提高藻類細胞對各種重金屬的抗性和維持植株進行正常的新陳代謝活動；③細胞內多磷酸體（PPB）可以儲存磷，并且還可以作為重金屬的結合位點，富集多種重金屬。

4 重金屬對藻類的毒害作用

海藻對重金屬的耐受程度與海藻種類、重金屬種類以及重金屬濃度息息相關。所以，海藻在可接受重金屬濃度適宜的環境下才能進行良好生長。實驗表明，一旦藻類無法對重金屬產生有效的阻擋作用，那么其體內的酶系統便會受到影響，不能正常運行，由此會引起多種反應，諸如光合作用無法正常進行、細胞通透性增大以及細胞中的K+大量流失、植株生長停滯等。

4.1 銅（Cu）對海藻的毒害作用

海洋中的銅是藻類生長的基礎元素，但銅的濃度稍高，藻類生長就會受到一定的影響。研究表明，銅主要通過增加植物體內活性氧的產量來影響植物光合作用，進而對植物產生毒害。其過程是活性氧會迅速氧化膜脂，造成類囊體片層結構破壞。因為銅是葉綠體和線粒體內電子傳遞鏈的重要組分，所以過量的銅反而會減少光合色素的含量，最后導致部分植物體內的酶失活。

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

4.2 鎘（Cd）對海藻的毒害作用

海洋鎘污染主要是來自于工業廢水的排放，其中，以電鍍廢水排放最為嚴重。相關研究表明，Cd對部分酶活性沒有影響。但糖海帶經Cd處理后，對14C一蛋氨酸的吸收急劇減少，由此推斷，Cd可以抑制蛋白質的合成。

5 重金屬污染的防護與治理

面對海洋的重金屬污染現狀，應積極尋找合適的辦法來應對和解決。

5.1 消減底泥重金屬

底泥所含的重金屬在一定溫度條件下可能會通過釋放進入水體，導致水體環境惡化。對于治理水體中的重金屬有以下兩種方法。

5.1.1 控制外源重金屬元素的輸入

相關企業應自覺按照國家標準對污水進行處理，達到排放標準后可在指定區域內進行排放。同時，國家應該加大污水排放檢查力度，嚴抓亂排、漏排企業。以此來加強海洋環境的檢測力度，把海洋重金屬污染作為環境專項保護工作之一。

5.1.2 治理被嚴重污染的底泥

在治理被嚴重污染的底泥時，可通過調節水質的氧化特性來調節整個水體的酸堿度，防底泥重金屬進入水體，造成二次污染；還可以通過人工種植生長周期短、對環境中重金屬耐性強的植物來萃取底泥中的重金屬，以此對水體環境進行長期的生態修復。

5.2 去除水中重金屬離子的方法

5.2.1 傳統處理方法

傳統處理方法有Electrolytic process（電解法）、Adsorption method（吸附法）、Chemical precipitation（化學沉淀法）、Rising methods（上浮法）等。以上各種方法都存在適用的范圍，例如，化學沉淀法主要被廣泛應用于處理富含較高濃度重金屬的廢水。由于化學沉淀法受到沉淀劑和其他環境條件（包括溫度、pH值等）的影響，故其處理后的水的濃度仍時常不符合規定要求，還需要及時進行深層次處理，避免造成二次污染。而電解方法主要是處理電鍍廢水，然而該方法并沒有把水中的重金屬離子的濃度減少得非常小。通過實驗發現，除上述兩種方法外，應用吸附法（使用吸附劑來去除重金屬離子）處理重金屬更高效，且價格也更低廉。

5.2.2 新興處理技術——生物吸附法

在眾多的吸附法中，生物處理吸附重金屬的方法已成為目前一種新興的處理技術。該方法使用的吸附材料來源廣泛，并且具有吸附量高、消耗成本少、吸附速度快等諸多特點，具有極高的發展前景。因而，各高校及生物研究所可加強對基因工程的深入研究，篩選并馴服出具有較強吸附重金屬能力的微生物，進一步為“環境保護和工業發展一同前行”提供更大的可能。

6 結語

近年來，環境污染問題越發嚴重，逐漸引起了全人類的密切關注，由此可見，生態環境與人類生存和社會發展密不可分。而海洋作為生態環境的一部分，也是極為重要的。因此，海水資源污染問題亟待解決。