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生物修复技术在水产养殖对环境污染中的应用现状

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生物修复技术在水产养殖对环境污染中的应用现状
摘 要：本文通过对生物修复技术的概念、原理及在水产养殖环境污染中的应用的介绍，阐述了几种主要的生物修复的方法，从而为有效的解决水产养殖对环境的污染提供技术方法。
关键词：生物修复技术；水产养殖；环境污染；应用现状
改革开放以来，我国渔业快速发展，取得了瞩目的成绩。我国水产动物养殖品种繁多，为国内外对水产品的需求提供了保障。从2002年起，中国水产品的出口额列位世界第一。到2008年中国水产品养殖产量为3412万吨，全国水产品的总产量达到了4896万吨，已经连续20年居世界第一位。到2010据全国20个渔业主产省统计月报数据显示，一季度，全国渔业产值957亿元，全国水产品产量980万吨，其中，水产养殖产量707万吨，捕捞产量2735万吨，与上年基本持平。渔业的快速发展不但为国内市场提供了品种繁多、数量充盈的水产品，也为国外市场提供了优质的水产品。在渔业经济迅速发展的同时却严重忽略了对养殖水域的生态平衡和环境保护，致使水产养殖业在发展过程中不断受到资源匮乏、环境污染、病害因素的困扰和制约，渔业可持续发展的基础遭到了严重的破坏。近二十年来池塘集约化养殖投入的上千万吨的饵、肥料和大量药物，每年近3亿立方米养殖废水的排放，加剧了江河湖库的富营养化和污染程度。多年的重复污染，不仅造成了自然水域的水质恶化，给工农业生产、人民生活带来巨大损失，而且由于水质恶化造成了鱼病交叉感染、泛滥成灾。同时，人类生活污水、各种工业废水、农业退水等的超量排放，污染了养殖用水水源，造成养殖水质下降，养殖环境恶化[1]。
1、水产养殖环境的污染状况
1.1饵料及排泄物污染
水产养殖大多采用投饲外源性饵料，高密度养殖势必采用过量投饵。各种水产养殖系统中，以饲料或营养元素的形式投入到养殖水体中的氮和磷分别只25%17.4 %左右被鱼类所消化，这表明养殖水体中氮的负荷是由鱼类吸收氮以后的排泄物和没有被消耗的饲料降解造成的。总氨是密集型水产养殖系统中最为关键的控制参数，当总氨的含量超过0.5mg/L时，对鱼有毒害作用，而且鱼类不能长时间生活在总氨含量超过0.5mg/L的水体中。大量残饵、养殖动物粪便等排泄物和生物残骸等所含的氮、磷元素，以及悬浮物和耗氧有机物等是主要污染物，这些物质可能成为水体富营养化的污染源，养殖水体的自净能力从而严重下降[2]。导致鱼类生长缓慢，甚至死亡或泛池。林永泰等研究黑龙滩水库网箱养鱼对水环境的影响指出，1年沉积库底的残饵、便等达1625t，构成了内负荷二次污染源，并且网箱养鱼已经促进了网箱区水体富营养化[3] 。
1.2化学药物污染
为了防治养殖动物发生疾病或用于治疗疾病、养殖环境的消毒等养殖水体中常使用消毒剂、杀菌剂、杀寄生虫剂等。据Sollbc报道，英国水产养殖中使用的化学药物有23种，而挪威1990年在养殖生产中使用的抗生素比在农业中使用的还多。我国水产养殖病害多达170种，曾使用的中西药品近500种。富含消毒剂和抗菌素的养殖废水排放后，对近岸水域微生物的生态分布将产生直接影响。另外在生产上也普遍存在滥用药物现象。为了控制水生植物的生长常使用杀藻剂、除草剂等控制水生植物。药物的施用及残留在杀灭病虫害的同时，也使水中浮游生物、有益菌等受到抑制、杀伤或致死。
1.3生物污染
生物污染包括生物主动蔓延和人为的盲目引进物种，造成食物捕食、竞争、寄生等中间关系的破坏，有害生物或病原体等的携带及与原有自然种群或近缘种杂交而导致的基因污染等。致病微生物、寄生虫和某些昆虫等生物进入水体，或某些藻类大量繁殖，使水质恶化，直接或间接危害人类健康或影响渔业生产。有些生物虽然不能直接影响人体健康，但是可以改变水的感官性状，恶化水质。例如使水质产生异臭、异味，或妨碍水的处理和分配。这些生物包括软体动物、栉虾、线虫和藻类等。藻类污染已引起人们的关注。水华的出现，就是藻类过分生长的结果。赤潮和水华可使水体中的鱼类等生物因缺氧而死亡。
2、生物修复技术的原理
2.1生物修复的概念
生物修复（bioremdiation）：利用生物的代谢活动或其代谢生物降解或者富集有毒、有害污染物，从而恢复被污染环境的一个受控制或者自发进行的生物学过程[4]。首次记录的实际使用生物修复技术是在1972年用于美国宾夕法尼亚州的一次清除管线泄漏的汽油。生物早期也称为生物恢复（biorestoration）、生物清除（bioelimination）、生物再生（bioreclamation）或生物净化（biopurification）。早期生物修复侧重于应用微生物的作用及其应用，尤其是土壤污染以及地下水污染处理方面，沿用至今。以生物修复为核心的生物治理技术种类主要分为两种：原位（in situ）和异位（ex situ）。原位生物修复采取就地解决问题的技术方案，即在污染区域直接使用修复技术而无需将其转移。异位生物修复需要通过某种途径将被污染物从污染现场运到一指定地点进行集中处理。
2.2生物修复技术的原理
生物修复技术是利用生物体或其制品降解污染物，减少毒性或转化为无毒产品，富集和固定有毒物质的环境生物技术，大尺度生物修复技术还包括生态系统调控等。受污染的环境中有机物除少部分是通过物理、化学作用被稀释、扩散、挥发及氧化、还原、中和而迁移转化外，主要是通过微生物的代谢活动将其降解转化[5]。因此，在生物修复中首先须考虑适宜微生物的来源及其应用技术。其次，微生物的代谢活动需在适宜的环境条件下才能进行，而天然污染的环境中条件往往较为恶劣，因此必须人为提供适于微生物起作用的条件，以强化微生物对污染环境的修复作用。
3、生物修复技术的关键因素
3.1 生物修复场所
并不是所有受污染的环境都适合进行生物修复。一般而言，对于生物修复的处理场所， 要求其存在的化学污染物及其浓度不能显著抑制微生物或酶的降解活性；处理的化学污染物必须是生物可利用的；在处理点或反应器中的条件必须适合微生物生长[6]。因此，通常情况下需对修复场所条件进行改善。
3.2 水分含量
水分是调控微生物、植物和酶活性的重要因子，它对污染土壤及地下水生物
修复的影响主要体现在对土壤的通透性、土壤可溶性物质的特性、 渗透压、 pH 和土壤水力学传导率等的作用上。研究表明，25%~85%持水容量可能是土壤水分有效性的最适水平[7, 8]。
3.3 营养物质
促进微生物生长的营养物质及其投加方法、 投加时间和投加剂量等是生物修
复成功与否的主要决定因素之一，尤其是氮、磷等营养物质缺乏时, 特定微生物的生长会受到限制。研究表明生物修复的生态条件 C∶N∶P 最佳比值为100∶10∶1[9, 10]。
3.4 污染物的浓度
生物修复过程中，污染物的浓度对微生物降解能力有一定制约。当污染物浓度过高时，会影响生物降解的速率，甚至对微生物也产生毒性作用，从而减缓代谢反应的速度，严重时可能导致生物修复无法进行。目前解决高浓度污染对生物降解影响的方式通常是采用稀释方法以满足微生物降解的浓度要求。当污染物浓度过低(但尚未达到环境质量安全标准)时，生物修复也难于顺利进行，这可能是由于微生物细胞内完成反应的调节机制不适合低浓度污染物的分解，或者降解污染物的微生物种群在低浓度的物质供应条件下丧失了基本的生存能力。低浓度污染物的生物降解是生物修复工程面临的一大难题[11]。
4、生物修复技术的方法及应用现状
根据被修复的污染环境，可以分为土壤生物修复、水体生物修复。根据生物修复所利用的生物类群，可以分为微生物修复、植物修复和动物修复。根据生物修复中人工干预的程度，可以分为自然生物修复和人工生物修复。后者又可分为原位生物修复和异位生物修复。目前，作为环境科学研究中一个富有挑战性的前沿领域, 生物修复的研究已进入一个相当活跃的时期。
4.1微生物修复
微生物必须筛选获得具有活性的专性微生物。这些微生物必须有能力在合理的速率下将污染物从起始的高浓度降解达到规定的标准浓度以下，并且在分解污染物的过程中不应产生毒性代谢物。例如接种光合细菌、克隆菌、益生菌( EM)、利生素等有益菌，当有益细菌成为水中优势菌种后可控制病菌蘩殖，达到防病治病的作用。光合细菌能够降低虾池水中有害物质含量，氨氮含量平均降低0.4 mg／L，并能增加池水的DO含量。微生物接种是指把一些与土著微生物群落有关的具有独特或专性代谢功能的微生物引入污染处理现场的过程， 是微生物修复的重要环节。微生物修复在应用上是否高效，体现在接种后微生物生物量的增加， 生物可降解程度的改善，微生物群落结构的最优化与良好的降解作用过程的控制，土著微生物群落活性的增强，特别是接种微生物是否能显著地影响污染物的生态化学行为及归宿。微生物接种能促进污染物去除或降解的化学物质的加入，可以提高微生物接种的成功率。添加特定的化学物质以促进污染处理现场接种体的生长，通过显著地增加生物量,达到降解污染物的目的[12]。
4.2水生植物修复
水生植物修复技术，因其低廉的投资管理费用、稳定的净化效果、种类繁多而潜力巨大、无二次污染等优点而 日益引起关注。植物修复技术利用植物自身与周围微生物、环境共同作用来处理土壤或受污染水体。植物对污染物具有特殊的耐受作用，尤其是水生植物，能够通过绿色植物特有的光合作用，吸收、分解水中氮、磷等营养物质；同时水生植物的根、径、叶为微生物的生长提供了良好的界面环境 ，其中空的结构利于氧气的传输，使根系周围形成了兼氧、好氧等多种微生物，经过硝化反硝化过程，与植物自身共同作用，对水中污染物形成良好的去除效果。水生植物的生长受风、湿度、温度、光照等气候条件的影响，具有一定的区域性，适宜的风速和湿度会影响污染物的挥发及植物的蒸腾作用，光照、温度的变化对植物的光合作用及光合产物的运输、分布至关重要，进而影响根分泌物的含量与组成，最终影响植物的修复效果。水生植物特别是沉水植物的引种与恢复对水体污染的治理有明显作用，但水体的温度、光照强度与营养负荷已成为沉水植物能否有效发挥作用的瓶颈[13]。因此，在水体营养负荷较低，植物生长缓慢的条件下，可投加微生物制剂作为有效补充，改善水体透明度，然后再引种水生植物，提高净化效率 [14] 。水生植物对污染物的吸收及耐受能力有一定限度，其净化率并非随水体营养化程度成正比增长[15]；金鱼藻在一定营养程度范围内具有一定的抵抗逆境胁迫、适应环境的能力，但当营养盐浓度过高超过金鱼藻抗逆能力时，就会抑制金鱼藻的生长[16]。
4.3水生动物修复
水生动物修复是淡水养殖生物修复的重要组成部分，并已得到初步应用。如在高密度放养河蟹水域，其富营养化程度很明显，可投放足够的滤食性鱼类来控制水质肥度[17]。水生动物修复应用较多的是“生物操纵” 理论。该理论是国外研究用于富营养化湖泊治理的一项技术，通过改变鱼类的组成和密度来调整湖泊的营养结构，减少以浮游动物为主要饵料的鱼类种群密度，从而促使浮游植物生物量的下降，达到改善水质，增加透明度的目的，主要措施是增加凶猛性鱼类的放养“生物操纵”强调的是整个生态系统的管理，从营养环节来控制富营养化，使营养物变为人类需要的终产品而不是“水华”或“赤潮” [18]。
5、生物修复技术的应用前景
生物修复技术作为环境生物技术的核心部分，因其本身具有快速、高效及费用低廉的优点，被称为是一种环境友好替代技术。近年来在基础和应用研究上取得了重大进展，显现出良好的开发前景，在国内受到日益广泛的重视。总之，应用生物系统对环境污染物进行有效清洁是生物修复的目标。但是单纯对污染水域进行生物修复是不能从根本上解决问题的，可以同时采用阻断其自身污染来源和外源污染源措施，从源头对污染进行控制，实现淡水养殖业的可持续发展。 成功的生物修复需要多学科的共同合作,包括污染生态学、分子生物学与生物技术、土壤化学、植物学、微生物学和环境工程学。特别是,对生物技术方法与微生物学原理的深刻理解将有助于这一技术的进一步发展和更有效、更广泛的应用。
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