中国科学家改良后的粘土,成了治理赤潮的利器

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  财产保险、人身保险、责任保险……人类社会为了应对风险,发明了保险这一金融体系,而近日,一款新的保险——“海水养殖赤潮指数保险”在福建首次出单。促使这款保险涌现的动力,是养殖户对赤潮与日俱增的恐惧。

  每年4-6月份,福建部分海域的颜色便会出现异样,远远望去好似一片火海,吸引众多游客纷纷驻足。实际上这种变色海水可不是什么美丽的自然景观,而是由人类活动引发的“赤潮”。

  

  赤潮 图源:百度百科

  赤潮是什么?

  赤潮(red tide),是指由于海洋中微型浮游生物在一定环境条件下快速增殖或高度聚集, 导致一定范围和时间内的水体发生变色的现象。赤潮一词其实是历史沿用名词,“赤”并不特指红色。根据引发赤潮的生物种类和数量的不同,赤潮有时也呈现黄、绿、褐色等不同颜色,但其中以赤色最为常见。

  

  赤潮 图片来源:Veer图库

  赤潮的爆发会具有明显的季节性,赤潮往往在春夏季节爆发。这与赤潮形成的原因有关。

  赤潮现象是多种因素综合作用的结果,包括能引发赤潮的藻类等生物因素,微量元素、营养盐类等化学因素,日照、气压、风速等气象因素,海流、温度、盐度等水文因素。

  

  赤潮的相关影响因素(图片来源:作者提供)

  其中海水温度变化被认为是赤潮爆发的主要幕后推手之一,20-30℃是赤潮发生的适宜温度范围。因为这个温度范围是引发赤潮的藻类喜欢的生长温度,比如异弯藻。这种藻类曾多次导致大连湾区域形成赤潮,对当地的养殖业造成了严重威胁。赤潮异弯藻在1030℃之间均能正常生长,25℃时生长速率则达到峰值。

  需要警醒的是,据《大气科学研究》一项研究报道,1970年以来,地球变暖过程中的90%的热能都注入了海洋,海水不断升温可能会使赤潮灾害日益严重。

  除了海水升温,海洋中氮、磷元素的增加也会导致赤潮加重。随着工业废水和养殖业污水、以及生活污水向海洋中过度排放,氮磷铁锰元素及有机物汇于大海之中,最终导致水体的富营养化,从而引发赤潮。据联合国环境规划署(UNEP)调查,在全球范围内,35%左右的湖泊、水库存在不同程度的富营养化,河口和近海水域也受到严重影响。在这个营养过剩的天堂一般的海洋世界里,赤潮生物都会抓紧时机大量繁殖。

  藏在美丽背后的危险

  早在远古时期,海洋中就存在类似赤潮的现象。如同人类体内的炎症会引起发热一样,赤潮也是海洋生态系统自我调整的一种方法。但进入20世纪后,人类活动对海洋环境影响的日益加重,直接导致赤潮发生的原因发生了根本变化,赤潮也逐渐演变为频繁发生的生态灾害。

  近年来赤潮灾害更是呈现出爆发规模大、持续时间久,出现频率高的趋势。2015年北美洲西海岸爆发了大规模拟菱形藻(Pseudo-nitzschia)赤潮,北起美国阿拉斯加,南至墨西哥沿岸,覆盖面积之大前所未有。

  2017 10 月美国佛罗里达近海暴发了近十年来持续最久、灾情最严重的短凯伦藻(Karenia brevis)赤潮, 持续时间达15个月之久。

  在中国,进入20世纪70年代后,赤潮发生次数也开始呈几何倍数增长。

  

  70年代以来我国近海赤潮次数呈几何倍数增长(图片来源:国家海洋局, 1989—2017

  《旧约·出埃及记》中关于赤潮的描述是:“河里的水,都变作血,河也腥臭了,埃及人就不能喝这里的水了。”可见自古以来赤潮对自然界的生态平衡以及人类的生产生活就具有极大的破坏力。

  在现代社会,受到赤潮爆发影响首当其冲的就是养殖业。每年由于赤潮导致缺氧或中毒而死的鱼、虾、贝类不计其数。而赤潮中所含有的毒素更是会在一些海产体内富集,最终危害人类健康。

  智利是全球第二大三文鱼出口国,2016年由链状亚历山大藻(Alexandrium catenella)等引起的大规模赤潮,导致全国12%的养殖三文鱼死亡,造成智利近海养殖业超过10亿美元的经济损失。

  2012年在我国福建近海域,爆发了米氏凯伦藻(Karenia mikimotoi)赤潮,这次赤潮覆盖面积达300km2,鲍鱼养殖业受到严重冲击,经济损失达到20亿人民币,创造了历史新高。

  

  米氏凯伦藻的光镜和电镜图片(图片来源:(吕颂辉, 岑竞仪 et al. 2019)

  对于人类来言,海产品中毒而死造成的经济损失并不是最可怕的,最可怕的是那些中毒但没有死亡的海洋生物。

  鱼、虾、贝类吞食有毒的赤潮藻后,虽然可能不会立刻毙命,但毒素仍会在体内不断地累积。食用了这些积累了毒素的海洋生物,将会对人体产生巨大的危害。

  

  1970 年到 2005 年麻痹性贝类毒素(PSP)分布在全球不断扩展 (图片来源:Anderson, 2009)

  赤潮毒素到底能有多毒?

  研究表明,最厉害的赤潮毒素比眼镜蛇的毒性还要高80倍!人一旦中毒,轻者头晕、腹泻,重者会出现呼吸困难、肌肉麻痹等症状,甚至可能死亡。

  20176月,福建部分海域爆发赤潮,泉州、漳州相继出现因食用贝类水产品而中毒的事件。其中在漳州的一则突发事件中,就有36人中毒,患者出现了头晕、恶心、肌肉麻木的症状,原因就是食用了含有毒素的青蛤(淡菜、贻贝)。

  粘土灭火器大显神通

  赤潮像野火一般烧遍了世界各国的海岸线,而人类长期以来却缺乏一种像“灭火器”一样的应急处置装置。令人振奋的是,近年来由中国科学家自主研发的粘土灭火器在赤潮治理中屡建奇功。

  粘土灭火器里的土可不是一般的土,而是一种可以与赤潮生物结合后产生絮凝沉降效应的粘土。这种粘土可以将赤潮生物沉降到不见天日的海底,由于无法再进行光合作用,这些生物就会“饿死”在海底。

  在上个世纪70年代,日本就开始用一种特殊的粘土——蒙脱土治理赤潮。但这种天然粘土效率较低,在实际应用中每平方公里就要用400吨,无法大规模地推广。

  之后,科学家改良了这种粘土,增加了粘土和赤潮生物间的桥联和网捕作用,使得粘土絮凝赤潮生物的效率提高了几十到几百倍。

  另一方面,改性粘土会对赤潮生物产生强大的胁迫作用,即使没有被沉降,赤潮生物的生长和繁殖也会受到抑制。例如,赤潮生物在抵抗粘土时会产生过多的过氧化物,这种物质的积累能够导致其停止生长甚至死亡。另外改性粘土还可以吸附水体中的磷、氮等营养盐类,从而进一步改善水质。

  

  改性粘土高效治理赤潮原理(图片来源:俞志明,陈楠生et al. 2019

  这么多的粘土倒进海里,难道不会对水质产生不良影响吗?

  实际上,研究人员在改性粘土施用的过程中,会密切观测粘土对水质、养殖生物和底栖环境的影响。结果证实,改性粘土法对鱼、虾、贝等养殖生物和海洋环境并没有负面影响,是一种安全绿色环保的治理手段。

  

  改性后的粘土在表面形态、土层间距和絮凝状态上均发生变化(图片来源:Yu, Song et al. 2017)

  2005年,改性粘土小试牛刀,首次现场应用, 便成功治理了南京玄武湖蓝藻水华。自此改性粘土法在沿海20多个水域大显身手,成为我国近海赤潮应急处置的标准方法。2016以来,改性粘土又走出国门,成为一名国际消防员,继续在美国佛罗里达近海、智利养殖海域等水域的赤潮治理中发挥着重要作用,被誉为“中国制造的赤潮灭火器”。

  虽然人类在与赤潮的斗争中取得了一定的胜利,但从长远来看,赤潮治理形势依旧十分严峻。因此若想彻底降服这头海洋魔兽,我们需要的不仅是全方位的科研攻关,更重要的是从源头上遏制住污染,控制污水入海量。同时合理开发利用海洋,选择对水质净化有作用的养殖品种,加强养殖业的科学管理以及海洋环境监测工作。保护海洋,防治赤潮,从我们身边做起!

  参考资料:

  Anderson D M . Approaches to monitoring, control and management of harmful algal blooms (HABs)[J]. Ocean & Coastal Management, 2009, 52(7):342-347.

  Yu Z , Sun X , Song X , et al. Clay surface modification and its coagulation of red tide organisms[J]. Chinese Science Bulletin, 1999, 44(7):617-620.

  Daguer, H., R. B. Hoff, L. Molognoni, C. R. Kleemann and L. V. Felizardo (2018). "Outbreaks, toxicology, and analytical methods of marine toxins in seafood." Current Opinion in Food Science.

  Wang W , Yu Z , Song X , et al. Intrusion Pattern of the Offshore Kuroshio Branch Current and its Effects on Nutrient Contributions in the East China Sea[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 2018, 123(1).

  Yu Z , Song X , Cao X , et al. Mitigation of harmful algal blooms using modified clays: Theory, mechanisms, and applications[J]. Harmful Algae, 2017, 69(nov.):48-64.

  吕颂辉, 岑竞仪, 王建艳 and 欧林坚 (2019). "我国近海米氏凯伦藻(Karenia mikimotoi)藻华发生概况、危害及其生态学机制." 海洋与湖沼 50(03): 487-494.

  国家海洋局, 1989—2017. 中国海洋灾害公报. 北京: 国家海洋局

  王燕, 宋洪军, 李艳,李瑞香 (2015). "温度对赤潮异弯藻生长速率及细胞体积和生化组成影响的研究." 中国海洋大学学报(自然科学版) 45(01): 41-46.

  俞志明、陈楠生,2019,国内外赤潮的发展趋势与研究热点,海洋与湖沼,503):474-48

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