重金属与海洋生物_海洋重金属污染

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重金属与海洋生物

摘要：本文通过简要介绍海洋生态系统的现实状况，重金属的污染情况和对海洋生物的影响。从整体上来理解重金属与海洋生物之间的相互作用。

关键词：重金属，海洋生物，Heavy metal and marine biological Abstract: this article briefly introduced the situation of Marine ecosystem, heavy metals pollution and to the effect of Marine biological so we can understand from the whole the interactions of heavy metal and Marine biological.Key words: heavy metal,marine biological 海洋面积约占地球面积的71%，储水量巨大，蕴藏着丰富的矿藏和食物资源，是人类的巨大宝库。其中海底矿产资源种类繁多，有滨海砂矿、大陆架油气、深海锰结核，还有多金属结核和引人注目的金属硫化矿床。海洋中的能源资源属于可再生性能源，取之不尽，用之不竭。另外由鱼、贝、虾、藻等组成的海洋生物资源，通过增殖、养殖等途径，已成为人类最大的食品库[1]。人类的生存与发展将更多地依赖海洋。长期以来，海洋是地球上最稳定的生态系统，接纳着由陆地流入海洋的各种物质，而海洋本身却没有发生显著的变化。然而，随着世界工业的发展，海洋的污染也日趋严重，使局部海域环境发生了很大变化，使许多海洋生物大量减少，甚至绝迹[2]。因此，保护海洋成了人类未来发展的重要任务。矿产的开发和利用在人类现代化的发展过程中起到了很重要的作用。许多金属有着广泛的应用，但是却要付出惨重的环境代价。其中以重金属利用的后果最为严重。追溯到20 世纪50 年代, 随着日本1953～ 1956 年水俣病(Hg 污染)、1955～ 1972 年骨痛病(Cd 污染)以及1961 年四日市哮喘(SO 2 和重金属粉尘复合污染)等事件的发生，各沿海国家和海岛国家都十分重视重金属对海洋环境的影响。重金属，就是指比重（specific gravity）大于5 g/cm3 的金属，对于生物体而言，它包括必须金属和非必须金属。必须金属是指有机体能进行正常生理活动所不可缺少的金属，如铜(Cu)、铁(Fe)、硒(Se)、锌(Zn)、镁(Mg)、钴(Co)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)等，然而当必须金属浓度在有机体内累积超过某一阈值水平时就会对机体产生毒害作用[3,4]。非必须金属（指镉(Cd)、汞(Hg)、银(Ag)、铅(Pb)、金(Au)和一些不常见的高原子量金属）不参与有机体的代谢活动，组织内含有较低浓度的非必须金属就能对有机体产生较高的毒性[5-6]。

重金属在空气、土壤和水体中的存在对生物有机体产生严重影响, 并且其在食物链中的生物富集极具危险性, 因此, 重金属污染生态学的研究成为污染生态学的一项热点研究内容，重金属是一重要的污染种类，它会对人类，陆地，水环境的健康及生态系统产生有害的影响。应当注意的是, 重金属污染并不只是近代才发生的现象, 对距今7000 年前格陵兰冰中铜浓度的检测表明, 大约从2500 年前开始Cu 含量已超过自然水平, 这种北半球早期大范围的大气污染是由于古罗马和中世纪原始的高污染炼铜技术所致, 特别在欧洲和中国[7 ] 1 重金属的来源及其化学性质

1.1 重金属的来源及其进入海洋环境的几种途径

海洋中重金属的来源可分为天然来源和人为来源两大类。天然来源如海底火山喷发将地壳深处的重金属带上海底，经过海洋水流的作用把重金属及其化合物注入海洋；地壳岩石风化后通过陆地径流、大气沉降等方式也将重金属注入海洋，构成了海洋重金属的环境本底值。环境本底值对于判断海洋环境污染程度和评定海洋环境质量的优劣具有重要的意义。

人为来源如矿山与海洋油井的开采、工农业污水、废水的排放（如电镀、冶金、蓄电池、制革、颜料、涂料以及化工厂的排水、重金属农药厂废水的排放和重金属农药的流失等）[8]。近半个世纪以来，由于工农业生产的快速发展，特别是沿海地区的轻工业和重工业的快速发展，导致了世界范围内的海洋环境重金属污染日益严重。据估计，全世界每年由于矿物燃烧而进入海洋中的汞有3000多吨。此外，含汞的矿渣和矿浆，也将一部分汞释入海洋。由此，全世界每年因人类活动而进入海洋中的汞达一万吨左右，与目前世界汞的年产量相当。自从1924年开始使用四乙基铅作为汽油抗爆剂以来，大气中铅的浓度急速地增高。通过大气输送的铅是污染海洋的重要途径，经气溶胶带入开阔大洋中的铅、锌、镉、汞和硒较陆地输入总量还50％。1.2 重金属的化学性质

重金属离子在自然环境中不能被破坏，其毒性取决于其原子结构，它们在自然界中并不能完全被矿化为完全无毒的形式，它们的氧化态、溶解性因与其它不同无机元素或有机物的结合而不同。重金属的总量往往很难表征其污染特性和危害,主要取决于它们在水体中的形态分布。根据不同形态重金属的粒径大小,采用过滤分离法把水中的重金属划分为颗粒态、不安定态、结合态和溶解态[9]。关于重金属在沉积物中存在形态的划分,Teis 等[10] 采用连续浸提法进行悬浮物中痕量金属铜、锌等的形态分析,分为5 种形态:交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机结合态、残渣态。沉积物中重金属的形态分析表明:重金属在沉积物中以残渣态为主。

重金属污染具有来源广、残毒时间长、蓄积性、难以降解、污染后不易被发现并且难于恢复、易于沿食物链转移富集等特征,能够直接或间接作用于生物体DNA ,会引起海洋生物的遗传物质发生突变,引起生长缓慢,异常发展,降低胚胎、幼体及成体的存活率,通过敏感种的灭绝导致生态退化,对生态系统构成直接和间接的威胁[11,12,13]。从而使生物物种和群落发生改变,影响生物多样性,降低生物资源的利用价值。

1.3国内外研究的进展

国外国内海洋环境重金属污染状况关于重金属污染研究工作,早在20 世纪60 年代国内外学者就开展了对全球沿岸海域中重金属的调查研究。Thornton 等报道,英国威尔士南部港口城市斯旺西作为世界金属熔炼工业中心,导致了水环境铜、锌、铅、镉等重金属污染。在丹麦的哥本哈根海港,该地区的浅海沉积物被重金属等所污染。还有一些被研究的海域,如土耳其的Erdek 湾,希腊的萨洛尼卡湾,智利的San Vicente湾,荷兰的Scheldt 河口,我国的香港海域,埃及的Suez 海湾, 德国的波罗的海海域, 日本的Funka湾,北部太平洋,美国的旧金山湾,菲律宾的马尼拉湾, 俄国的Lena 河口, 法国的Gironde 河口等。

我国学者则相继开展了渤海(锦州湾、渤海湾、辽东湾、双台子河口、辽河口)、黄海(大连湾、胶州湾)、东海(长江口、南汇咀一峡泅海域、厦门西海域、浙江近岸海域、中街山列岛、大港湾)、南海(珠江口、三亚湾、榆林湾、大鹏湾、深圳湾、湛江港)海域的重金属污染调查及研究。分析国内外水环境重金属污染现状, 可以看出重金属污染主要包括铜、铬、锌、镉、铅和汞等。重金属污染主要来源于化工、采矿、金属冶炼及加工、电镀、轮船制造等行业,以及农用杀虫剂和生活污水。近年来zhang 等对中国的一些主要河口悬浮颗粒物和沉积物中重金属的组成进行了研究,发现中国河口重金属含量低于工业发达的欧洲和北美地区。[14] 2 重金属对海洋生物的影响 2.1 藻类

海洋浮游植物是海洋生态系统的初级生产者，受重金属污染物影响较大，是重金属进入海洋后的直接受害者，同时浮游植物对重金属的转移、分配和归趋等也具有重要作用[15].浮游植物处于海洋食物链的底端，被浮游植物吸收的重金属可通过食物链影响顶端生物，进而威胁人类的健康，因此，关于海洋浮游植物生长与重金属污染物关系的研究已引起国内外学者的高度重视，其中藻类作为最重要的浮游植物而受到研究者的关注。

藻类,是一群具有叶绿素,营自养生活,植物体没有真正的根、茎、叶的分化,生殖器官是单细胞的,用单细胞的孢子或合子进行生殖的低等植物。在水生生态系统中,藻类是初级生产者之一,是整个系统中物质循环和能量流通的基础。海洋中有丰富的藻类资源，早在50年代人们就认识到了海藻对重金属有吸收富集作用，已经有不少学者做过藻类对重金属的吸附累积和排出实验。

海藻对重金属的吸附量研究表明，重金属对藻类毒性大小的顺序随藻类种类和实验条件发生变化,一般来讲是Hg > Cd≈Cu > Zn > Pb >Cr。Hg 对藻类的毒性最大。不同的藻类对重金属的吸附能力不同，而且藻类对重金属的吸附具有选择性。在众多的海洋藻类中，一些大型海藻如褐藻具有的吸附量比其它藻类高出很多。尹平河等[16]在对9 种大型海藻的研究结果中发现，它们对Cu、Pb、Cd 的吸附量在0.8 ~ 1.6 mmol/g之间。Sar 等[17]对aeruginosa P 的研究表明，它对Ni、Cd 的吸附量分别为265 mg/g 和137.6mg/g，高于IRA 离子交换器（98 mg Ni/g，26.6 mg Cu/g）。

海洋藻类对重金属的吸附和累积的研究具有重要意义，它可以揭示重金属在海洋生态食物链中的转移和潜在的放大。研究表明，藻类对重金属污染物具有较强的累积效应。

海藻对重金属的吸附机理的研究，藻类细胞壁是由纤维素、果胶质、藻酸铵岩藻多糖和聚半乳糖硫酸酯等多层微纤维组成的多孔结构,具有较大的表面积.同时,细胞壁上的多糖、蛋白质、磷脂等多聚复合体给藻类提供了大量可以与金属离子结合的官能团(如氨基、硫基、巯基、羧基、羰基、咪唑基、磷酸根、硫酸根、酚、羟基、醛基和酰氨基等)[18] , 大量研究表明,藻类细胞壁上的功能基团对提高藻类的重金属吸附性能起主要作用.Davis 等[ 19 ] 通过对马尾藻(S argaum sp.)藻酸盐多聚糖的提取、纯化发现,影响重金属吸附的主要因素是藻酸盐的含量和组成,其中糖醛酸残基起主要作用.Yun 等[ 20 ]发现,马尾藻对镉的高吸附能力是由于其细胞壁上的羧基和磷酸基团起主要作用,它们分别通过离子交换和配位反应作用于重金属.Raize 等[ 21]通过对非活性马尾藻细胞壁上结合重金属的主要成分———褐藻酸和硫酸多聚糖等的研究发现,该藻对金属阳离子的吸附是一个表面过程,起主要作用的化学基团有羧基、氨基、巯基、磺酸酯等,分别通过螯和、离子交换、还原反应等起作用.赵玲等[ 22] 通过对海洋原甲藻(Prarocent rum micans)吸附重金属离子的研究发现,从原甲藻中分离出来的多糖对金属的吸附量是藻体对金属吸附量的5 倍,认为海洋原甲藻对金属离子的吸附主要在于多糖的作用,其中-OH和-CONH2基是吸附的活性中心.一般情况下,重金属对藻类生理、生化功能的影响主要表现在:抑制光合作用,减少细胞色素,导致畸变以及改变天然环境中藻类的组成。此外,有关藻类的DNA、RNA、蛋白质合成及酶活性等方面也有报道。藻类对重金属的抗性和耐受性

在重金属污染的水体中,不同的藻有不同的反应,藻类耐受毒性的机理至今研究较少。初步证明有以下几方面的原因[ 23 ]:(1)排斥作用,即水中虽然有某种重金属,但藻类并不吸收。这种金属离子不能很好地通过细胞膜(这种作用植物学家叫选择吸收)。Franck 和Hillebrand(1980)报导,一些铜的淡水藻(Moccgeatia Microspora I2Horrmidium)对铜就有排斥作用。这些藻吸收的铜有一半累积在细胞壁中。

(2)胞外产物及胞壁有机物络合重金属离子。藻类在生活过程中和细胞壁内的有机物通常能络合金属离子,从而使金属离子不能进入细胞内部或起到解毒作用。Voroy 等(1980)报导异枝麒麟菜(Eu1 868.[26] PAULAMI M, SAMIR B, MAITI P, et al.Accumulation of heavy

metals in different tiues of the fish oreochromis nilotica exposed to waste water [M].Environment and Ecology, 1999.859-898.[27]贺亮。铜在鲫鱼中的积累机制及其影响因素的研究[D]，成都理工

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