東山灣海馬齒生態(tài)浮床原位修復(fù)效果研究

楊 芳，楊妙峰，鄭盛華，林永青，鄭惠東，溫 憑，李衛(wèi)林，羅冬蓮

(1.福建省水產(chǎn)研究所，福建省海洋生物增養(yǎng)殖與高值化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361013；2.福建省海洋生物資源開發(fā)利用協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 廈門 361102)

福建省東山灣八尺門海域曾是我國(guó)最大的網(wǎng)箱養(yǎng)殖基地，由于過度養(yǎng)殖和水交換條件差，殘餌、代謝及排泄物、生物殘骸等廢物大量積累，近年來(lái)養(yǎng)殖區(qū)海水中氮、磷濃度超標(biāo)，在不利的氣候條件下經(jīng)常發(fā)生大面積的網(wǎng)箱養(yǎng)魚死亡事故[1]，嚴(yán)重制約養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，東山灣受損的養(yǎng)殖生境亟待修復(fù)。

生態(tài)浮床技術(shù)具有投資少、工藝簡(jiǎn)便、管理方便、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低、景觀效果好等優(yōu)點(diǎn)，在以富營(yíng)養(yǎng)化為主體的污染水體治理中得到了廣泛研究與應(yīng)用[2]。大多數(shù)浮床植物因缺乏耐鹽機(jī)制而應(yīng)用于淡水環(huán)境的治理(如地表水[3]、城市內(nèi)河[4]、內(nèi)湖[5]等)，海水環(huán)境的浮床植物選擇極少，海馬齒(Sesuviumportulacastrum)因其良好的耐鹽特性，在海水環(huán)境修復(fù)中具有獨(dú)特的優(yōu)越性。

海馬齒又名濱水菜、濱莧、海馬齒莧、濱馬齒莧，屬于番杏科(Aizonaceae)海馬齒屬(Sesuvium)，是一種生長(zhǎng)在海邊沙地及河流入?？趦砂稙┩康貛У亩嗄晟赓|(zhì)草本鹽生植物，在全淡水和全海水環(huán)境中均能正常生長(zhǎng)，具有耐鹽堿、耐高溫、耐淹、耐旱、耐強(qiáng)光且抗重金屬污染等自然特性[6-7]，且分蘗繁殖快、移栽易成活、擴(kuò)繁可控、對(duì)污染物修復(fù)能力強(qiáng)，是海水環(huán)境理想的修復(fù)植物。

海馬齒具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，其結(jié)構(gòu)、生理、分子生物學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的耐鹽[8-14]和耐重金屬[15-21]機(jī)制研究已有較多報(bào)道。實(shí)驗(yàn)室條件下，海馬齒對(duì)海水的氮[22]、磷[23]、懸浮物[24]、重金屬[25]和多環(huán)芳烴[26]具有良好的修復(fù)能力。在實(shí)際應(yīng)用方面，海馬齒能夠凈化半咸水潟湖[27]和養(yǎng)殖池塘的污水，如羅非魚養(yǎng)殖水缸[28]、石斑魚工廠化養(yǎng)殖車間[29]、泥蚶實(shí)驗(yàn)池塘[30]、對(duì)蝦養(yǎng)殖池塘[31]、混養(yǎng)池塘[32-34]等。而將海馬齒浮床應(yīng)用于開放海區(qū)進(jìn)行原位修復(fù)的研究還未見報(bào)道。

基于此，本文通過構(gòu)建海馬齒生態(tài)浮床，在東山灣八尺門網(wǎng)箱養(yǎng)殖海區(qū)開展原位生境修復(fù)研究，分析海馬齒在八尺門海區(qū)的生長(zhǎng)狀況及其對(duì)碳、氮、磷等元素的去除能力，旨在減輕網(wǎng)箱養(yǎng)殖自身污染，服務(wù)海灣環(huán)境保護(hù)和海水養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展，為海馬齒修復(fù)技術(shù)的推廣提供基礎(chǔ)資料和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

東山灣八尺門，位于福建省漳州市東山縣(東山島)北端，與云霄縣陳岱隔海相望。試驗(yàn)地點(diǎn)位于八尺門海堤?hào)|側(cè)、跨海渡槽西側(cè)的魚類網(wǎng)箱養(yǎng)殖海域(圖1)。

1.2 試驗(yàn)方法

制作低污染、環(huán)保型、高浮力的適用于網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)的新型生態(tài)浮床(單片規(guī)格為2.7 m×0.95 m)，利用PVC管和泡沫板提供浮力，浮力可達(dá)60 kg以上。通過連接繩將多片浮床單體組合后，固定于網(wǎng)箱內(nèi)。

于2013年5月，在八尺門魚類網(wǎng)箱養(yǎng)殖海域引種海馬齒植株約3 000株，采用扦插的方式將海馬齒種苗(株高0.15 ～0.20 m)移植于生態(tài)浮床上(株距0.15 m)，莖段下部浸沒于海水中。

以鋪設(shè)海馬齒浮床的網(wǎng)箱(面積約420 m2)作為修復(fù)區(qū)，在與潮流垂直(即與跨海渡槽平行)的方向上以無(wú)浮床的傳統(tǒng)網(wǎng)箱(面積約448 m2)作為對(duì)照區(qū)。修復(fù)區(qū)與對(duì)照區(qū)距離約80 m，均養(yǎng)殖美國(guó)紅魚(Sciaenopsocellatus)，體重約500 g/尾，每口網(wǎng)箱養(yǎng)殖200尾，采樣點(diǎn)如圖1所示。修復(fù)區(qū)和對(duì)照區(qū)海域東側(cè)由于海堤阻隔，水體交換受阻，淤積嚴(yán)重，水深較小(低潮時(shí)僅1.5～2.0 m)，懸浮物含量高，透明度低，不利于大型海藻光合作用，而海馬齒因有浮床載體支撐，其光合作用不受水體透明度影響。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 海馬齒生物學(xué)及C、N、P含量測(cè)定

從海馬齒生態(tài)浮床定期隨機(jī)采集海馬齒植株30株以上，放入封口袋，帶回實(shí)驗(yàn)室洗凈后測(cè)定植株鮮重和C、N、P含量，其中C、N含量用元素分析儀(Elementar Vario EL Ⅲ)進(jìn)行測(cè)定，P含量按照《飼料中總磷的測(cè)定》(GB/T 6437-2002)用分光光度法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 海水水質(zhì)測(cè)定。

于2015年5月(原位修復(fù)滿2年)，分別在浮床修復(fù)區(qū)(117.414 7°E，23.772 5°N)和對(duì)照區(qū)(117.415 0°E，23.772 8°N)采集水樣進(jìn)行水質(zhì)分析。水質(zhì)采集和樣品測(cè)定按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB 17378.7—2007)和《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763-2007)的規(guī)定執(zhí)行。用WTW3430多參數(shù)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體溫度、鹽度、pH和溶解氧(DO)。

各化學(xué)指標(biāo)方法：采用重量法測(cè)定懸浮物(SS)含量；采用儀器法測(cè)定總有機(jī)碳(TOC)含量；采用堿性高錳酸鉀法測(cè)定化學(xué)需氧量(COD)含量；采用過硫酸鉀氧化法測(cè)定總氮(TN)、總磷(TP)含量；采用萘乙二胺分光光度法測(cè)定亞硝酸鹽氮(NO2-N)含量；采用鋅鎘還原分光光度法測(cè)定硝酸鹽氮(NO3-N)含量；采用次溴酸鹽分光光度法測(cè)定氨氮(NH4-N)含量；采用磷鉬蘭分光光度法測(cè)定活性磷酸鹽(PO4-P)含量；采用紫外分光光度法測(cè)定石油類(Oil)含量。

去除率的計(jì)算公式為：去除率/%=(ρCK-ρp)/ρCK

其中ρCK為對(duì)照區(qū)海水中各指標(biāo)的含量，ρp為修復(fù)區(qū)海水中各指標(biāo)的含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件進(jìn)行作圖。采用SPSS 23統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)修復(fù)區(qū)和對(duì)照區(qū)的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，P<0.05表示差異顯著，P<0.01表示差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 修復(fù)植物海馬齒的生長(zhǎng)狀況

在東山灣八尺門海區(qū)合適的水溫(5月平均水溫25.6℃)、鹽度(平均鹽度29.5)等環(huán)境條件下，海馬齒移植成活率為82%。初始平均莖長(zhǎng)0.15 m、生物量167.5 g/m2的海馬齒生長(zhǎng)迅速，扦插后1～2周生出新的根須；1～2個(gè)月后長(zhǎng)勢(shì)旺盛，根系漸趨發(fā)達(dá)；6個(gè)月后，海馬齒生長(zhǎng)可達(dá)旺盛期并綻開粉紫色小花，生物量達(dá)6 100.0 g/m2，增重35倍。經(jīng)過一年的生長(zhǎng)，海馬齒平均莖長(zhǎng)1.28 m，平均莖葉重94.2×103g/m2；平均根須長(zhǎng)0.52 m，平均根須重58.3×103g/m2；生物量達(dá)152.5×103g/m2，增重909倍。養(yǎng)殖區(qū)海面上海馬齒生態(tài)浮床郁郁蔥蔥，具有良好的景觀效益。

2.2 海馬齒的C、N、P儲(chǔ)量

經(jīng)測(cè)定，海馬齒C、N、P元素占干重的百分含量分別為34.19%、2.48%、0.15%；根據(jù)生物量測(cè)定結(jié)果換算，海馬齒C、N、P儲(chǔ)量如表1所示。經(jīng)過6個(gè)月的生長(zhǎng)，海馬齒的C、N、P儲(chǔ)量增加了35倍；經(jīng)過一年的生長(zhǎng)，C、N、P的儲(chǔ)量比初始時(shí)增加了909倍，其中莖葉的貢獻(xiàn)率占61.8%，根須的貢獻(xiàn)率占38.2%。此外，海馬齒通過其發(fā)達(dá)的根系形成巨大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可過濾、吸附大量懸浮物質(zhì)，這部分顆粒物中的C、N、P亦可通過植物收獲從養(yǎng)殖生境中移除。

表1 海馬齒的C、N、P儲(chǔ)量

2.3 海馬齒生態(tài)浮床對(duì)海水水質(zhì)的原位修復(fù)效果

2.3.1 海馬齒生態(tài)浮床對(duì)N、P的去除率

經(jīng)過兩年的原位修復(fù)，海馬齒浮床修復(fù)區(qū)海水中各種形態(tài)的N、P含量均顯著低于對(duì)照區(qū)(P<0.05)，各物質(zhì)去除率按從高到低的順序如圖3所示。

1)TN、TP、PO4-P

海馬齒浮床對(duì)TN、TP的去除率分別為11.7%、1.8%。雖然海馬齒對(duì)TP的去除率較低，但對(duì)PO4-P的去除率為9.2%。植物組織及根際微生物吸收、根系滯留、根際周圍硝化反硝化作用是植物去除TN的主要途徑[35]。養(yǎng)殖水體中磷的去除，一方面以磷酸鹽沉降并固結(jié)在基質(zhì)上的形式[36]，另一方面通過植物吸收和微生物活動(dòng)來(lái)完成，可溶性磷被植物吸收后從水體中去除，有機(jī)物大分子先經(jīng)過胞外酶(如堿性磷酸酶)的水解作用轉(zhuǎn)化為低分子量化合物后被微生物利用。海馬齒根際效應(yīng)明顯，可顯著增加根際微生物數(shù)量和提高堿性磷酸酶活性[22]，加速有機(jī)污染物的吸收、轉(zhuǎn)化和降解過程。

2)DIN

浮床對(duì)溶解態(tài)無(wú)機(jī)氮(DIN)的去除率達(dá)16.7%，其中，海馬齒對(duì)NH4-N和NO3-N的去除率最高，分別達(dá)19.9%和16.4%，對(duì)NO2-N的去除效果一般，僅為1.8%。海水中DIN的存在形式主要為氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，對(duì)魚類產(chǎn)生毒害作用的氮形態(tài)主要為游離氨和亞硝態(tài)氮鹽。當(dāng)水中的氨氮和亞硝態(tài)氮積累到一定程度時(shí)，會(huì)對(duì)魚類產(chǎn)生毒害作用。而銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中的主要氮源，硝態(tài)氮在植物的生長(zhǎng)發(fā)育周期中發(fā)揮著重要作用[37]。除被植物吸收外，銨氮的去除還能通過功能菌的硝化作用合成硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，也可少量通過化學(xué)平衡轉(zhuǎn)化為氨氣揮發(fā)到大氣中；亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮?jiǎng)t通過反硝化作用轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂鸵谎趸?/p>

因此，海馬齒生態(tài)浮床系統(tǒng)可降低水中的NH4-N、NO3-N和PO4-P含量，在一定程度上減輕網(wǎng)箱養(yǎng)殖海區(qū)的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷。

2.3.2 海馬齒生態(tài)浮床對(duì)海水其他水質(zhì)參數(shù)的修復(fù)效果

經(jīng)過兩年的原位修復(fù)，海馬齒浮床修復(fù)區(qū)海水中的DO、pH均顯著高于對(duì)照區(qū)(P<0.05)，Oil、SS、COD、TOC的含量均顯著低于對(duì)照區(qū)(P<0.05)，各水質(zhì)指標(biāo)凈化效果按從高到低的順序如圖4所示。

1)DO

海馬齒浮床修復(fù)區(qū)的DO比對(duì)照區(qū)高11.9%。水體DO含量與溫度、植物根際放氧量、微生物降解有機(jī)物消耗的氧以及微生物呼吸作用耗氧量[38]緊密相關(guān)。海馬齒通過莖葉和根系的氣體傳輸和釋放作用，將光合作用產(chǎn)生的氧氣或大氣中的氧氣輸送到根區(qū)，可提高水體的溶解氧含量，改變根區(qū)的氧化還原狀況，促進(jìn)污染物的快速分解或轉(zhuǎn)化。

2)COD

海馬齒浮床修復(fù)區(qū)的COD比對(duì)照區(qū)低10.0%。COD是檢測(cè)水質(zhì)的重要指標(biāo)，反映水體受有機(jī)污染、還原性物質(zhì)污染的程度[39]。植物對(duì)COD的降解主要依靠根區(qū)微生物的活動(dòng)來(lái)完成，降解過程受水體溫度、DO、水體微生物種類及數(shù)量等因素影響，通常以水體中DO<0.20、0.20～1.0和>1.0 mg/L為控制條件，分別發(fā)生厭氧、缺氧和好氧降解反應(yīng)[40]。修復(fù)區(qū)海水中DO始終大于1.0 mg/L，因此海馬齒浮床系統(tǒng)對(duì)COD的去除主要為好氧降解作用。

3)TOC

海馬齒浮床修復(fù)區(qū)的TOC比對(duì)照區(qū)低4.2%。TOC能較全面地反映海水中有機(jī)物的污染程度。碳進(jìn)入海洋主要有兩種途徑，一種通過海氣界面的交換，一種來(lái)自陸源、石油開發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)及養(yǎng)殖的排放[41]。通過海馬齒浮床系統(tǒng)修復(fù)作用，可減少有機(jī)物耗氧量和厭氧微生物繁衍的機(jī)會(huì)，在一定程度上減緩水質(zhì)惡化進(jìn)程。

4)pH

與對(duì)照區(qū)相比，浮床修復(fù)區(qū)的pH高0.5%。水體pH值變化與植物呼吸作用和根際吸收各種酸堿離子有關(guān)[42]。水體pH反映水的最基本性質(zhì)，可調(diào)控水體的弱酸、弱堿的離解程度，降低氯化物、氨、硫化氫等的毒性，防止底泥重金屬的釋放[43]。由于海水具有緩沖能力，pH變化范圍不大。

5)SS

修復(fù)區(qū)海馬齒浮床對(duì)SS的去除率為14.9%。高懸浮顆粒物濃度會(huì)導(dǎo)致水體混濁度升高，透明度下降，附著在生物體表面的懸浮顆粒物激增，影響水中大型海藻等水生生物正常生長(zhǎng)[44]。同時(shí)，大量懸浮顆粒物沉積水底，易導(dǎo)致水體發(fā)臭，航道阻塞。由于根系形成的密集網(wǎng)膜的物理阻擋，以及植物根系及根際生物的吸附和促沉降作用[45]，海馬齒根系對(duì)海水中的懸浮顆粒物具有較好的清除效果，能使水體懸浮顆粒物濃度提前達(dá)到穩(wěn)定水平[24]。

6)Oil

海馬齒浮床對(duì)修復(fù)區(qū)水中Oil的去除率為42.3%。海水環(huán)境中石油類來(lái)自工業(yè)廢水(原油開采、加工、運(yùn)輸以及各種煉制油的使用)和生活污水的污染。石油類中所含的芳烴類雖較烷烴類少，但其毒性要大得多。海馬齒具有快速、高效地降低海水中菲濃度的能力，植物與微生物共同發(fā)揮著重要的作用，但植物積累不是海馬齒修復(fù)海水菲污染的主要機(jī)制，大多數(shù)菲可能通過植物代謝或植物揮發(fā)途徑離開植株[26]。

綜上，海馬齒生態(tài)浮床可提高修復(fù)區(qū)海水中的DO，并降低海水中的Oil、SS、COD、N、P含量，在一定程度上改善八尺門修復(fù)區(qū)海水水質(zhì)。

3 討論

3.1 海馬齒的生長(zhǎng)及C、N、P含量

海馬齒具有良好的耐鹽特性，在鹽脅迫下，植株生長(zhǎng)旺盛，葉片大而肥厚[46]。在八尺門修復(fù)區(qū)海水平均鹽度29.5的條件下，海馬齒能較好生長(zhǎng)并完成其生活史，生長(zhǎng)旺盛時(shí)生物量迅速增加，經(jīng)過一年的生長(zhǎng)可增重909倍。

植物的C、N、P儲(chǔ)量主要取決于生物量和C含量。C是構(gòu)成有機(jī)體的基本元素，是整個(gè)生物圈物質(zhì)和能量循環(huán)的主體。N是植物生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖需要的基本物質(zhì)，在植物生命活動(dòng)中具有重要作用；N是組成蛋白質(zhì)的主要元素，占蛋白質(zhì)總量的16%～18%，而蛋白質(zhì)是植物體內(nèi)葉綠素、核酸、植物激素等組成部分。P是構(gòu)成植物體的重要組成元素，對(duì)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和生理代謝具有重要作用。一般，P在植物體分布情況為幼嫩器官大于衰老器官、葉片大于根系、根系大于莖桿。海馬齒在生長(zhǎng)過程中，通過光合作用固定空氣中的CO2，并且吸收水中的N、P，隨著海馬齒生物量的增加，其體內(nèi)的C、N、P含量不斷積累。袁星等[34]研究也顯示，隨著時(shí)間推移，海馬齒的C、N、P儲(chǔ)量逐漸變大，且與生物量正向相關(guān)。

八尺門修復(fù)區(qū)海馬齒對(duì)C、N、P儲(chǔ)量，均高于已報(bào)道的研究結(jié)果，原因可能是東山灣八尺門海區(qū)的環(huán)境條件如溫度、鹽度、光照、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、空間等更適合海馬齒的生長(zhǎng)。袁星等[34]報(bào)道試驗(yàn)池塘11月浮床區(qū)海馬齒C儲(chǔ)量為39.56 g/m2，N儲(chǔ)量為0.77 g/m2，P儲(chǔ)量為0.21 g/m2。張志英等[27]報(bào)道，浮床種植海馬齒對(duì)高污染湖泊的水質(zhì)修復(fù)效果明顯，氮、磷的月移除量分別可達(dá)1.11 g/m2和0.19 g/m2，換算成一周年，則氮、磷的移除量分別為13.32 g/m2和2.28 g/m2。

3.2 海馬齒生態(tài)浮床原位修復(fù)效果

因開放海區(qū)海水的流動(dòng)性和影響因素的復(fù)雜性，浮床對(duì)TOC、NO2-N和TP的去除效果不理想，本文海馬齒生態(tài)浮床對(duì)養(yǎng)殖生境各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的去除率，均低于海水養(yǎng)殖池塘和模擬系統(tǒng)的凈化效果。據(jù)應(yīng)銳等[47]報(bào)道，在海水養(yǎng)殖池塘水體中，4.8 g/L的海馬齒種植密度對(duì)水質(zhì)的改善作用最佳，在處理12 d后，對(duì)COD、無(wú)機(jī)磷、銨氮和總氮的去除率分別達(dá)到49.0%、20.8%、98.5%和55.9%。竇碧霞等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在海馬齒與羅非魚養(yǎng)殖水缸模擬系統(tǒng)中，經(jīng)過2個(gè)月的生長(zhǎng)，總氮移除率為11%～25%，總磷移除率為41%～68%。李志凌等[29]報(bào)道珍珠龍膽石斑魚與海馬齒混養(yǎng)的水泥池中，水體懸浮物濃度較石斑魚單養(yǎng)下降40.90%，COD下降29.79%。

海馬齒生態(tài)浮床是基于植物修復(fù)原理，通過浮床設(shè)施將海馬齒移植到可承受其重量的人工載體材料上，海馬齒的枝葉生長(zhǎng)在空氣中，根生長(zhǎng)在水里，利用海馬齒和根際微生物的協(xié)同作用來(lái)修復(fù)生境。

在海馬齒的吸收轉(zhuǎn)化和根際微生物中參與C、N、P等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)的功能菌群的作用下，八尺門養(yǎng)殖海域修復(fù)區(qū)的NH4-N、NO3-N、COD、PO4-P的去除率分別為19.9%、16.4%、10.0%和9.2%，海水水質(zhì)得到一定程度的改善。海馬齒發(fā)達(dá)的根系，是水中懸浮物和微生物的良好載體，可增加水體透明度，修復(fù)區(qū)的海馬齒浮床對(duì)懸浮物的去除率達(dá)14.9%，但在實(shí)驗(yàn)室模擬條件下，去除率可達(dá)90%以上[24]；海馬齒通過莖葉和根系的氣體傳輸和釋放作用將氧氣輸送到根區(qū)，修復(fù)區(qū)水體溶氧量比對(duì)照區(qū)高11.9%；海馬齒通過吸收氮、磷等元素來(lái)滿足其生長(zhǎng)需要，經(jīng)過一周年的生長(zhǎng)，海馬齒通過自身生長(zhǎng)對(duì)C、N、P的固定量分別為5 214.0、378.5、22.9 g/m2，通過收獲可避免二次污染，真正從源頭上減輕網(wǎng)箱養(yǎng)殖海區(qū)的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷。收獲后的海馬齒可作為偶食蔬菜、飼料或藥用植物[48-50]，其植株富含萜、烯以及揮發(fā)性油類物質(zhì)，臨床證明其對(duì)發(fā)燒、壞血病等病癥有很好的療效[51]，因此海馬齒具有良好的開發(fā)利用前景，有望為其原位修復(fù)技術(shù)的推廣提供經(jīng)濟(jì)效益。