褐潮研究现状

    宋广军　宋伦　王年斌　刘桂英　宋永刚　王超

    摘要：继甲藻赤潮、浒苔绿潮的暴发后，2011年中国又一种新的海洋灾害——褐潮（brown tide）被首次确认，中国成为继美国和南非之后第三个出现褐潮的国家。褐潮对我国沿海养殖业、渔业资源、生态环境以及人类健康构成了重大的危害和威胁，严重影响了沿海经济。因此加强与褐潮相关的生态学与海洋学研究，探索褐潮的发生机制，并建立监测网络，进行褐潮预警预报，对减少褐潮的危害，保障我国沿海经济的持续发展，具有十分重要意义。

    关键词：褐潮；抑食金球藻；微微型藻类；藻华；海洋灾害

    中图分类号：X55 S944.394 文献标识码：A

    前言

    褐潮是由微微型海藻引起的有害藻华，与传统赤潮相比藻华时密度极高、持续时间长、水体呈黄褐色。美国研究机构将这种有害藻华命名为“褐潮”，以区别一般的“赤潮”，并为国际相关机构所采纳[1]。

    褐潮于1985年在美国东部海湾首次被发现，对美国东海岸的贝类资源和海草床形成了毁灭性打击，至今仍是美国东海岸最严重的生态灾害之一[2]。随后几年，褐潮逐渐向全球范围内扩散，1997年，在南非萨尔达尼亚湾发现褐潮，并在接下来两年内连续发生，持续时间长达达6～8周[3]。我国自2009年开始连续四年在渤海秦皇岛附近海域连续发生这种微微型藻藻华，藻华期间海水颜色呈棕褐色、细胞密度极高，对该海域的扇贝养殖业和滨海旅游环境造成了严重影响，引起公众和政府的密切关注[4]。

    美国科学界针对褐潮进行了近30年的长期研究，对于褐潮原因种的研究、暴发机制、监控措施等提出了许多观点和建议[5-10]，我国目前对褐潮的研究报道较少[11-13]。

    1褐潮原因种的生物学研究

    Sieburth等[14]通过对1985年6月发生在纳拉甘西特海湾的一次褐潮的原因种超微结构分析，确定引起褐潮暴发的原因种为一种新的金藻种属，并命名为Aureococcus anophagefferens。其个体大小2～3 μm，是一种微微型藻类，有单一的叶绿体、线粒体、细胞核和一个特殊的胞外多糖层。根据它的拉丁文含义，我国将其中文名命名为“抑食金球藻”。其藻华多在浅海海湾和河口区域，在水温20～27.5 ℃、盐度大于28‰、有机氮浓度较高条件下，最适合其生长。在藻华发生期间其细胞密度很高，可达到109 cells/L，水体透明度可降低90%以上，对海草床会产生不利影响，海草的大量减少，进而影响鱼虾幼体等海洋生物的栖息、掩蔽[15-16]。

    褐潮暴发过程中会造成大量贝类、鱼类和海草死亡，然而对于原因种抑食金球藻的毒性研究现在还没有定论。一般认为抑食金球藻并不产生毒素，对人类健康也没有影响，但其暴发持续时间较长，对滤食性生物生长有较大影响。持续的高密度微微型藻类降低了水下光照强度，导致了海底大型藻类持续死亡。Dianna K. Padilla[17]等通过分别投喂文蛤幼体（Mercenaria mercenaria larvae）抑食金球藻和等鞭金藻，发现抑食金球藻可影响文蛤幼体的生长，但并不影响其存活。当细胞密度为8×104cells/mL时，不会影响文蛤幼体发育，甚至能促进发育，当细胞密度为1.6×105cells/mL时也不影响文蛤发育，但是当细胞密度达到106cells/mL时，幼体的发育加快，但是生长变慢。V. Monica Bricelj[18]等在美国长岛（Long Island）发生的褐潮中分离出抑食金球藻的有毒藻株（CCMP1708）和无毒藻株（CCMP1784），将这两种藻株分别投喂文蛤和贻贝（Mytilus edulis）后发现，褐潮对双壳类生长的不利影响，主要是由于细胞毒性，而非细胞的高浓度和缺乏营养。

    Christopher J.Goble等[19]对抑食金球藻进行基因组测序分析，发现其拥有较大的基因组（56MBP），并且拥有更多编码利用有机碳和氮以及金属元素硒酶的基因。Goble认为这些独特的遗传基因非常有利于其在低光照、高有机物和金属元素的浅海河口生态系统中与其他浮游植物竞争，从而引发褐潮。

    2检测方法

    抑食金球藻个体微小，利用相差显微镜和荧光显微镜通过形态特征观察很难鉴定。美国早期对抑食金球藻的检测主要使用免疫荧光法[20-21]，但是检测时间较长和灵敏度较低，随着检测技术的不断改进，现在针对褐潮抑食金球藻的检测手段主要有免疫流式细胞技术、定量聚合酶链反应、色素组分分析和分子生物学鉴定技术等。

    免疫流式细胞技术[22]利用共轭荧光素异硫氰酸酯（FITC单克隆抗体）单克隆抗体标记抑食金球藻细胞表面进行检测和计数。该方法可以在很大的丰度范围内（103～106 cells/mL）对抑食金球藻的样品进行快速准确的检测和计数。但是这种技术在细胞浓度低于5 000 cells/mL时灵敏度较低。

    定量聚合酶链反应[23]，是基于抑食金球藻的一个独特的18SrDNA序列，开发一种TaqMan分子探针，在检测系统中，实时定量PCR来检测较低细胞水平下抑食金球藻的浓度，灵敏度可以达到1 cells/mL。

    针对我国秦皇岛海域发生的褐潮，孔凡洲[4]等对采集到的浮游植物样品分级过滤后，进行样品色素组分分析，结果显示其主要组分有19-丁酰氧基岩藻黄素（Fucoxanthin， Fuco）、硅甲藻黄素（Diadinoxanthin， Diad）和叶绿素a（Chlorophyll a， Chl a）等，并且But-fuco色素的含量高，再根据藻华细胞数量高、细胞个体小、对贝类摄食具有抑制效应等，确定藻华原因种为抑食金球藻。

    3褐潮暴发机制的研究

    在过去几十年里，有害藻类在全球范围内的近岸海域大量繁殖并呈增加的趋势，这一结果被普遍认为是近岸海水富营养化的结果。褐潮的发生，很大程度上也是人类活动使环境条件改变的结果。美国学者对褐潮的暴发机制从多个方面进行了研究，包括淡水的输入量、海水营养盐的浓度、微量金属元素（如铁、硒等）的大量存在以及抑食金球藻对有机养分的利用能力等[24-31]。

    Laroche[32]等对长岛海域1985-1996年11年间的淡水输量和海水盐度数据进行了分析，认为褐潮的暴发强度和海水盐度、有机氮呈正相关，而与淡水输入量呈负相关，通过实验室和外业调查研究表明，盐度不是形成藻华的直接原因，高浓度有机氮可促进褐潮的暴发强度，而无机氮源加入往往会抑制褐潮的暴发。因此，Laroche认为陆源淡水的输入量直接影响该海域有机氮和无机氮的供给，从而影响褐潮的暴发。

    而Lomas[33]等对美国长岛和马里兰沿海海湾褐潮过程海水有机营养盐进行了跟踪监测，发现褐潮发生频率较高的海域海水中溶解的有机碳和磷也较高，认为抑食金球藻的异养营养模式在引发赤潮过程中发挥了重要作用。其监测结果显示，抑食金球藻细胞的密度与有机和无机营养盐都没有直接关系，而细胞密度高的站位有机碳/有机氮比值较高，而有机氮/有机磷比值却较低。历史监测数据也显示，有机碳和有机磷浓度在褐潮暴发前相对于有机氮比值升高。海水中较高的溶解有机碳和抑食金球藻拥有较多的胞外多糖相关联，也和褐潮多发生在溶解有机碳较高的河口浅海海湾相关联。Lomas认为尿素可经过海洋浮游植物水解提供重要的碳源和氮源，而抑食金球藻的异养营养模式，可以不依赖光源而获取生长所必须的碳的能力，使其能在低光照条件下大量繁殖。

    此外Cosper等人还认为铁、硒和柠檬酸等对抑食金球藻的生长也至关重要[34-37]。Gobler也认为，大量铁元素的输入可以阻止其他藻类吸收剩余的必需微量元素，并且使磷酸盐和铁元素形成沉淀，剥夺了自养浮游植物磷的来源，而抑食金球藻可以利用有机磷，从而消除其他浮游植物的竞争，确立其优势地位[38]。抑食金球藻进行的基因组测序分析结果，也和这些研究结果吻合——抑食金球藻拥有的更多基因编码进行捕光，利用有机碳和氮以及金属元素所需的酶，可以使其在低光照、高有机物和微量金属元素的浅海河口生态系统中与其他浮游植物竞争，从而引发褐潮[19]。

    除了环境因素，生物群落结构的改变也是褐潮暴发的重要原因。Buskey[39]等调查发现，在褐潮暴发前，小型浮游动物的生物量和物种多样性就已经下降。再由于一些极端气候原因，如长期干旱、极低温度使海冰持续时间较长等，导致海水盐度较高，浮游和底栖植食动物生物量减少，失去对浮游植物的控制。再加上动物死亡释放的营养物质，促使了藻华的发生。这种生物群落的改变在短时间内很难修复，这也是褐潮在同一个区域连续多年发生的原因。

    综合国外诸多学者的观点，笔者认为，小型浮游动物和底栖生物多样性的降低，是褐潮暴发的前奏。淡水输入量的减少，海湾海水的低交换率，为抑食金球藻提供了高有机物环境，其自身利用有机物的异养营养模式使其与其他自养浮游植物竞争中占据优势，并快速生长形成高密度藻华，进而降低海水透明度，大量浮游植物和底栖藻类无法进行光合作用而死亡，进一步分解有机质，使得抑食金球藻在暴发海域长期占据优势。而上层食物链浮游动物、滤食性甲壳类、鱼类，则因为藻华暴发消耗大量的溶解氧而缺氧死亡，或因抑食金球藻含有的胞外多糖堵塞鳃孔而无法滤食，最终饥饿死亡。综合这些因素，褐潮的暴发可以持续数周乃至数月之久。

    4褐潮的防治

    褐潮一旦发生将对海洋生态环境造成极大破坏和不可估量的经济损失。美国自1985年褐潮暴发以来，海湾扇贝资源几乎枯竭，每年的经济损失超过200万美元。海草床也遭到了极大破坏，进而影响了鱼、虾等海洋生物的栖息繁衍场所。2009年在我国秦皇岛海域发生的褐潮使约2/3的养殖区出现大量海湾扇贝滞长或死亡现象，而2010年褐潮最大暴发面积达3 350 km2，给河北省造成直接经济损失2.05亿元[40]。2012年褐潮继续向南扩散，影响到山东沿海地区。由于目前褐潮的形成和暴发机制还不完全清楚。因此有必要针对一些敏感海域建立监测、预防和监管措施。

    针对褐潮的防治工作，首先要加强对敏感海域的生态环境监测。我国近年来加强了对海域环境监测的力度，但褐潮的发生，提醒我们对海洋环境监测的要素还不够全面。浮游植物监测手段落后，对微型（2～20 μm）和微微型（<2 μm）藻类的监测重视程度不够，我们更注重海水无机氮和磷的含量而忽视了有机物的含量。对褐潮及时发现，及早采取应对措施可以显著降低褐潮对生态环境和养殖业的损害。Gastrich[41]提出了的褐潮影响级别，第一级别藻华细胞浓度<35 000 cells/mL时，对生态环境和养殖业没有影响；第二级别藻华细胞浓度在35000～200 000 cells/mL时，对贝类的生长和摄食有潜在的负面影响；第三级别藻华细胞浓度>200 000 cells/mL时，海水变为黄棕色，将对贝类造成严重影响，甚至死亡，使海草和浮游生物减少。

    关于褐潮暴发后的应急消除，张雅琪[12]等，进行了改性黏土对褐潮种的去除研究，实验发现，虽然改性黏土是消除有害藻华非常快速有效的办法，但是对抑食金球藻的去除效率普遍很低，均在20%以下。Randhawa[42]尝试用H2O2对褐潮控制的实用性，通过对抑食金球藻实验室培养发现，1.6 mg/L的H2O2可有效去除高密度的抑食金球藻，而其他浮游植物影响较小，但是费用比较昂贵。

    防止褐潮发生的最根本途径，还是维持海洋生态多样性的稳定。大量的工业污水、垃圾、农药等通过江河排入海中，造成越来越严重的海水污染，引起大量生物死亡，使生态系统多样性降低，也为褐潮的发生创造了条件；填海造地，围堰建港，使潮间带生物和底栖生物生境丧失，生态食物链遭到破坏；船舶压舱水带来的外来生物入侵，也是对本地生态系统的严重威胁。因此应当加强陆源排污管理，减少人类活动对海洋生态环境的破坏，加强外来船舶压舱水的管理。

    结束语

    我国学者近年来也展开了对褐潮的研究，并取得了一定的进展。但是由于对褐潮原因种抑食金球藻的生物学研究以及与海洋环境之间的相关关系了解还不够清楚。褐潮在中国的发生与发生在美国的褐潮有哪些相似之处，又有哪些不同的特点，值得我们去深入研究。褐潮的发生是一个非常复杂的生态环境问题，其研究涉及到海洋生物、海洋生态、海洋化学等多个学科。只有加强与褐潮相关的生态学和海洋学基础问题的研究，才能加深对褐潮的认识，掌握其暴发机制，从而进行有效的预测和防治，减轻褐潮灾害对生态和渔业带来的损失。

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    Abstract：A new marine disasters—Brown tide was confirmed for the first time occurred in 2011 in sea area near Qinhuangdao of china. Our country became the third country to be hit by such tides after U.S. and South Africa. Brown tide is a great harmful and threat to Chinas coastal aquaculture， fishery resources， ecological environment and human health， seriously impact on the coastal economy. So strengthening the study of ecology and oceanography related with the brown tide， exploring the pathogenesis of brown tide， and establish a monitoring network， forecast the brown tide， to reduce the harm of brown tide， ensure the sustainable development of the coastal areas of China， has a very important significance.

    Key words： Brown tide； Aureococcus anophagefferens； picophytoplankton； algal bloom； marine disasters