9.5.1海洋中的污染物与生物学过程
海洋污染(marinepollution)是海洋环境一个突出的问题。1982年联合国海洋法公约对海洋污染定义为：“人类直接或间接把物质或能量引入海洋环境，其中包括河口港湾，以至造成或可能造成损害生物资源和海洋生物，危害人类健康，妨碍包括捕鱼和海洋其它正当用途在内的各种海洋活动，损坏海水使用质量和伤及环境美观等有害影响”。按此定义，海洋污染物指的是污染海洋的物质或能量，如石油及其炼制品、重金属、农药、放射性物质、热废水、固体废弃物、病原生物等等。
由于海洋空间广阔，因而有人认为海洋有无限的自净能力，有意识地向海洋倾废。但是本世纪的海洋科学研究证明，海洋环境也是强度有限的生态系统，而且，因为海洋互相沟通，动力因素极其复杂，局部海域污染也可能逐渐波及全球，甚至可能对全球生态环境产生长期危害。为了避免污染物对全球生态环境产生长期危害，我们应强调科学倾废。而且要深入研究污染物入海后非生物过程和生物过程，以了解各种污染物对海洋造成的影响，尤其是对海洋生物和渔业的损失。
初级阶段，人们关心的是污染物在海洋环境中的存在形式，含量及其迁移、转化。进一步，应该注意污染物同海洋生物学过程的关系，从生物地球化学的角度宏观地观察污染物的迁移、转化和归宿，从污染物的长期慢性效应观察生物的生化、生理以及细胞、个体、种群、群落对污染物的反应及作用。废弃物在海洋中的分布、归宿与生态效应受物理、化学和生物过程的制约，这些过程会改变污染物的浓度、化学形态、生物利用率或毒理学效应。因而，充分理解生物过程，包括微生物反应、生物地球化学循环以及污染物对海洋生态系中重要生态成分的生物效应，是预测废弃物排放对海洋环境影响的关键。
一、污染物的生物吸收
生物对污染物质的吸收，是污染物进入生物体的第一个过程，也是生物转移的起点。各类生物对污染物质的吸收方式、途径、速度各有其特点。
(一)微生物和海藻对污染物质的吸收
1.吸收方式微生物和海藻对污染物质的吸收，可分为主动输运(主动吸收)和被动输运(被动吸收)两种方式。主动输运是借助携带酶通过细胞膜的运转过程，它消耗一定的能量(通常以ATP形式)，借助细胞膜一侧的酶化合物，通过移位作用将污染物质转移并释放进细胞的另一侧。被动输运是不必消耗细胞代谢能的吸收机制，它包括吸附、吸附交换、交换扩散、促进扩散和泄漏等方式。微生物和藻类对污染物的吸收，是主动吸收重要，还是被动吸收重要，尚无定论，但有较多的试验结果表明，被动吸收起了重要或主要作用。
2.吸收途径微生物和海藻主要是吸收溶于海水中的污染物质。Coombs等(1978)认为金属元素透过海洋生物细胞膜有几条不同的途径，详见图9—22。图中的a代表污染物通过膜的小孔进入细胞内；b是借助载体进入膜内；c表示一个较专门的运转方式；d是有机污染物与金属离子的转运途径。
3.吸收速度通常微生物和单细胞海藻从基质中吸收的速度很快，但多细胞海藻对污染物质的吸收要慢得多。
(二)海洋动物对污染物的吸收
海洋动物既可以直接从海水中吸收各种污染物质，又可以从取食途径摄取污染食物、悬浮颗粒和沉积淤泥等。大体可归纳为如下几个特点：①较小的动物个体(或幼体)或处于海洋食物链低营养阶层的生物，直接从水中吸收污染物质是较为主要的途径；而个体较大的动物或处于食物链高营养阶层的动物，取食往往是吸收污染物质的主要途径。②同一种动物，对不同污染物吸收的途径不完全相同。③在急性污染情况下，动物从水中吸收是比较重要途径；相反地，慢性污染则取食的途径较重要。④当食物充足时，则从取食的途径吸收污染物质；相反地则从生活沉积淤泥中吸收污染物。
二、污染物质的生物累积
(一)生物累积的概念和量度
在描述生物体对小环境中某种物质的吸收活动时，常涉及生物浓缩(bioeon－centration)和生物积累(bioaccumulation)两个概念。Kneip(1973)定义；生物浓缩指的是生物体从水环境中浓缩某种物质的能力(通常用浓缩系数表示)；生物累积指的是生物体在其生命的不同阶段对污染物连续进行生物浓缩的能力(即浓缩系数不断增大)。但由于生物累积和生物浓缩有时难以区分，所以至今在海洋环境生物学的研究中仍然混用。
生物累积能力大小通常用浓缩系数来表示。浓缩系数CF(concentrationfactor)指的是某种污染物质在生物体(或某个组织)内的浓度与相同重量海水污染物质浓度的比值。即
式中POL表示污染物，ORG表示有机体，SW表示海水。CF值越小，表示生物体对某种污染物的浓缩能力越弱；反之，表示浓缩能力越强。
用各类生物的平均浓缩系数可以表示局部水域各类生物对污染物质的浓缩情况。如海洋生物对Cd的浓缩系数，图9—23是Taylor(1983)为评价一个河口区污染情况，取河口区60多种脊椎动物、无脊椎动物和藻类对镉的浓缩系数计算的平均浓缩系数(约40)。
(二)影响海洋生物吸收和累积的因素
海洋生物对污染物质的吸收和累积受理化环境、生物因素以及污染物的浓度与化学形式等的影响。
1.污染物质浓度的影响通常是海水中污染物质的浓度越高，生物体内该种污染物质的含量也越高。例如，生长在大连湾的2龄紫贻贝，其软组织中的砷含量与海水中砷的含量成正相关，两者的相关系数为0.921(许澄源，1983)。Poulsen等(1982)试验了贻贝对镉的吸收，在海水含量镉为10～100×10-9浓度范围内呈直线关系。因此，贻贝内镉的含量可反映水体镉的污染。
2.污染物质不同化学形式的影响海洋生物对同一种放射性核素的不同化学形式的吸收能力是不同的。例如，新月菱形藻(Nitzschiaclosterium)从培养基中吸收粒子态的144Ce要比离子态144Ce快(李永祺，1984)。又如，南太平洋浮游动物对大气层沉降到海洋中的55Fe的吸收比海水中的稳定性56Fe容易些(Jennings等，1978)。
3.不同污染物之间的影响海水是多组分的溶液，在同一海域，进入海洋的污染物质也非单一。在海水中不同物质之间会相互影响，从而进一步影响到海洋生物对某种污染物吸收和累积。这也是在室内进行单种污染物的生物吸收试验，不能把所得结果简单外推于自然界的一个重要原因。
4.温度和盐度的影响在生物适应的温、盐范围内，较高的温度能促进海洋生物对污染物的吸收和积累，较低或较高的盐度都使吸收率降低。
5.生物因素的影响能影响生物个体对污染物质吸收的生物因素很多，包括年龄，体重，不同发育阶段，性别以及生物种群密度的大小等。例如克氏纺锤水蚤Acartiaclausi的种群密度与甲基汞的浓缩呈负相关(Hirota等，1983)。沙蚕Nereisvirens对镉的累积，小的个体积累量要高于大的个体(Ray等，1980)。渤海湾毛蚶的含汞量(μg/ind)与体重呈幂函数关系(谭燕翔等1983)。贻贝(Mytilusgalloprovincialis)对As的累积，小个体要比大的个体高(Uulu，1979)。但也有些资料表明，动物体重与污染物质含量并无相关。例如，褐虾Crangonseptemspinosa对PCB的累积与体重大小无关(Meleese等，1980)。对有些金属，如Cd、Hg、Pb和有机氯等的含量，通常随着动物年龄的增长呈增高的趋势。
三、海洋污染物质的生物转移
海洋生物不仅能从环境中吸收和累积污染物质，而且能沿着食物链(网)和生物体的代谢排除等途径，改变污染物质在海洋中的时、空分布，进一步将污染物转移和扩散。
(一)污染物质沿着食物链转移
污染物质沿着食物链转移，指的是生物通过取食的途径，使污染物质沿着食物链从低营养阶层的生物转移到高的营养阶层生物体内。污染物质沿着食物链有扩大现象，称生物放大(biomagnification)，即指污染物质在生物体内的浓度，随着生物所处营养阶层的提高而增高的现象。
污染物质沿着食物链扩大的典型事例是Woodwell(1967)的调查报道。他测定了美国长岛Carmans河口不同营养阶层生物体内的DDT含量，发现随着生物所处营养阶层的提高，生物体内DDT的含量明显地增高。例如，河口水DDT的浓度为0.05×10-9，而浮游动物DDT的含量为0.04×10-6(约比河口水的浓度高800倍)，鱼类含DDT为2.07×10-6(约比河口水高4×104倍)，而鸟的DDT含量最高，达75.5×10-6。
大多数污染物质能沿着食物链转移，部分污染物质在一定条件下，能沿着食物链扩大，但并非所有污染物质都能沿着食物链转移和扩大。污染物质是否沿着食物链扩大取决于三个条件：①污染物质在环境中必须是比较稳定的；②污染物质必须是生物能够吸收的；③污染物质必须是不易被生物体在代谢过程中所分解的。
(二)污染物质从生物体内的排出
污染物质自生物体内排出，是污染物生物转移的一个重要环节，它不仅是改变污染物在海洋空间分布的一个重要因素，而且直接和间接地影响人体健康。
1.排出的方式和途径海藻排出可溶性污染物质主要是通过解吸、离子交换、代谢分泌物(如藻体表面粘液)以及生殖等方式和途径。有些不溶性的污染物，可形成小的颗粒从细胞的孔隙或分泌物排出。有的藻类和较高等植物，通过代谢作用，能将所吸收的汞变为气态，使之更容易从细胞内逸出。单细胞藻类还可以通过生物稀释的途径排出体内的污染物质。生物稀释指的是，单细胞藻通过细胞分裂，降低了原来细胞内所含污染物的浓度。
海洋动物排出污染物质，除通过体表、鳃等器官与环境进行离子交换外，还通过排粪、排尿、蜕皮、排放生殖细胞、分泌粘液等途径。例如，褐片阔沙蚕(Platynereisdumerilii)的淋巴细胞，能将体内的90Sr转运到体表，然后排出。同样，贻贝、牡蛎体内的某些组织中的变形细胞，能转运重金属和人工核素，牡蛎从外套膜转移到贝壳，贻贝则通过足丝分泌的途径排除(Cummingham，1979)。海洋甲壳动物可以排粪、排泄、蜕皮和排卵排出污染物质。
2.生物半排出期(biologicalhalf—life或biologicalhalf—time，缩写为Tb1/2或b1/2)指的是某一种污染物自生物体全身或某一部位、组织或器官排出原有污染物一半所需的时间。它是用来衡量污染物自海洋生物体内排出速度的一个指标。半排出期越短，表示污染物自生物体内消除的速度越快。相反地，半排出期越长，则消除污染物速度越慢。
生物体对污染物的半排出期是因生物种类、污染物的种类与理化形式而不同的。一种生物对于一种形式的污染物的半排出期大小还取决于污染物的浓度，生物体的代谢强度，污染物进入生物体的途径方式等因素，因此差别会很大。Farrington(1982)测得紫贻贝(Mytilusedulis)在一次No.2燃料油溢后对n～C16正烷烃的b1/2仅为0.2天。同样是贻贝，对重金属Hg的b1/2竟高达1000天以上。
(三)生物分布在海洋污染物转移中的作用
1.污染物的水平转移海洋生物水平转移污染物质，大致可分为两大类：被动转移和主动转移。被动转移指的是在海洋中营浮游或漂浮的生物，它们在污染水域吸收和累积污染物质后，随海流漂移将污染物质转移出污染水域。这些生物，主要包括海洋微生物、浮游植物、浮游动物和营漂浮生活的海藻(如Sargassum)等。在河口、近岸水域，有些定生海藻、草本植物和红树林的叶子、碎屑，因风浪的冲击或因死亡脱落，被海流或潮流挟带，也可漂移一定的距离。主动转移指的是那些能自游、洄游性的海洋动物，如无脊椎动物中的头足类、某些甲壳类、脊椎动物中的鱼类、爬行类和海兽等等，它们能将污染物质转移到较远的水域。Kujala等(1969)研究鲑鱼中65Zn的含量与洄游习性之间的关系，即为鱼类水平转移污染物质的一个实例。大鳞大麻哈鱼(Oncorhynchustshawytscha)沿着太平洋北美沿岸洄游，当鱼群进入哥伦比亚河口受65Zn污染的水域时，由于吸收累积了较多的65Zn，因而鱼体65Zn明显增多，内脏65Zn的强度可达81.9pCi/gdW。当鱼群继续向北进行洄游时，鱼体逐渐向水中排出已吸收的65Zn，因而内脏65Zn的强度降至3.5pCi/gdw。这说明，大鳞大麻哈鱼将哥伦比亚河口的65Zn向北转移。
2.污染物的铅直转移海洋生物铅直转移污染物质大致通过三个不同的途径，即海洋动物昼夜铅直运动；海洋动物的粪粒、蜕皮、卵以及动植物尸体、碎屑；海洋动植物分泌的有机物质等。
①浮游动物昼夜铅直运动途径Vinogradov(1953，1955)提出了营养物质搬运的阶梯假说。当夜间在表层取食的动物在白天下沉到较深的水层时，将被停留在较深层的动物所捕食。同样地，生活在较深水层的动物将成为更深一层动物的食物来源。依此类推，使生活在4000～5000m水深的动物获得了必要的食物。这个假说，现在已被大多数学者所接受。完全可以设想，海洋动物所摄取的污染物也可沿着此途径转移到海洋深处。
②通过海洋动物排粪、蜕皮、产卵、尸体及碎屑途径海洋动物的粪粒含有各种污染物质，如重金属、放射性元素、石油烃等。绝大多数污染物在粪粒的含量都要比动物整体、蜕皮和卵为高。粪粒(球)在海洋中有较高的沉降速率。由于粪粒的来源和组成、大小、形状以及水的温度等因素的差异，各类动物的粪粒的沉降速率差异较大。例如，对桡足类(Anomalocerapotersoni)的幼体进行实验，研究饵料对粪球沉降速率的影响，结果表明，以窄隙角毛藻(Chaetocerosaffinis)和沉积物混合物为饵料，产生褐色粪粒，沉降速率为100.7m/d，而仅以浮游植物为饵料，产生的粪球为绿色，其沉降速率为19.5m/d(Small，1979)。动物个体大小不同，产生的粪粒大小和沉降速率也不同。如拟哲水蚤(Paracalanus)个体长为200～400μm，粪粒5.0×104μm3，沉降速率为16.5m/d；体长为600～800μm，粪粒5.0×104μm3，沉降速率为26m/d。海洋动物的蜕皮、产卵、尸体等也能在海中铅直地转移污染物质。
③海洋动植物也可通过分泌物吸附、凝集某些污染物质，从而加速这些物质向海洋底部的转移。
3.底栖生物对污染物质迁移的作用海洋的底部是大多数污染物质的归宿，也是局部海区第二次(或重复)污染的来源。海底沉积物对大多数污染物质有很强的吸着或吸附能力。底栖生物的活动对污染物在沉积层的分布和转移，是相当重要的驱动力。归纳起来有如下几个作用：
①提高沉积物对污染物的吸着能力。细菌很容易吸附在含盐沉积物带正电荷的泥粒上，粒子大小以1～2μm为宜。吸附在沉积物颗粒表面的细菌，能够分泌多种有机代谢产物，形成一层薄的膜，包裹在沉积颗粒外面，从而提高了沉积物对污染物质的吸着能力。
②细菌能降解或转移多种污染物，并参与碳、氮、磷和硫的循环。在海底沉积中，尤其重要的是细菌参与硫的循环。在排水不良的沙质滩和几乎所有的泥质滩一带都能看到一层黑色或褐色、灰色的沉积物，这主要是细菌对动植物尸体进行分解形成的硫化物或硫酸盐。
③食底泥动物对沉积物摄食和排泄是底栖动物改变污染物质在沉积物分布的主要过程，也是对沉积物的重新加工。食底泥动物，如白樱蛤(Macomainguinata)和单囊星虫(Phascolosomaagassizii)对芳烃的吸收和累积能力要比食悬浮物质的动物强，如线丽目蛤(Callietacastminea)。因此，食底泥动物能比较有效地清除沉于海底沉积物中的石油烃类成分。
④挖穴所引起的生物扰动(bioturbation)对污染物含量的影响。据Ben-ninger等(1979)报道，生物扰动作用明显地影响了Ph、Zn、Cu和Mn在长岛海峡沉积物中的铅直分布。他们认为，在离沉积物表面70～80cm深或者110cm深处出现的Pb、Zn、Cu和Mn高值是由于口虾蛄(Oratosquilla)挖穴，而后离开穴洞，造成表层沉积物下塌进洞穴所致。可见，生物扰动改变海底沉积物化学成分和污染物含量的铅直分布是很明显的。
综上所述，污染物质入海后的海洋生物转移和转送过程可归纳为图9—24。
