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关爱海洋关爱海洋海洋环境检测与保护的生物技术(1)海洋环境污染现状及原因分析(2)赤潮及其危害(3)生物降解法海洋生物修复技术是以生物降解为重点的修复海洋生态环境的生物技术。其方法主要是利用海洋微生物矿化和转化有毒物质,减少毒性乃至转化为无毒产品,从而达到降解污染物的目的。在几千年的文明史中,人类总是沿着在几千年的文明史中,人类总是沿着江河湖海定居繁衍。如今,依赖于海洋获江河湖海定居繁衍。如今,依赖于海洋获得持续发展的人类文明,却在逐渐破坏这得持续发展的人类文明,却在逐渐破坏这些摇篮。些摇篮。要使人类可持续发展,我们就要要使人类可持续发展,我们就要保护我们的海洋环境。保护我们的海洋环境。我们的海洋正遭受着前所未有的灾难,我们的海洋正遭受着前所未有的灾难,海洋环境受到了严重的破坏。出现了许多海洋环境受到了严重的破坏。出现了许多环境问题。环境问题。我们从两个大方面进行分析:我们从两个大方面进行分析:海洋污染海洋污染海洋生态破坏海洋生态破坏海洋出现了什么问题?海洋出现了什么问题?海洋污染物的海洋污染物的来源来源:主要来源于陆地上的生产:主要来源于陆地上的生产过程。过程。海洋污染的海洋污染的后果后果:危害海洋生物,甚至危及:危害海洋生物,甚至危及人的健康,进而破坏海洋生态。人的健康,进而破坏海洋生态。海洋污染物的海洋污染物的种类种类:重金属、农药、有机物质、:重金属、农药、有机物质、固体废物和废热水中的热能和石油。固体废物和废热水中的热能和石油。水俣病水俣病例一:例一:从1950年起,在日本熊本县水俣湾附近的水俣镇的渔村中陆续出现怪现象:海面上,不时泛起一片片白肚子死鱼;海鸥飞着飞着,忽然坠落水中;镇上的猫儿,中了邪似的步态不稳,浑身抽搐,最后像自杀一样跳入大海。1953年,在水俣镇渔村又陆续出现了患怪病的人。病人口吃不清,面部痴呆,步态不稳,接着耳聋眼瞎,全身麻木,进而精神失常,一会儿酣睡,一会儿兴奋异常,最后身体弯曲,在绝望的叫喊声中死去。东京东京日本九州岛熊本县水俣镇日本九州岛熊本县水俣镇水俣镇水俣镇发生地发生地 医学家和生物学家一齐出动,终于找到了在水俣镇作祟的“妖魔”甲基汞甲基汞。原来,新日本氮肥公司的含汞汞污水大量排入海湾,然后汞汞被水中微生物转化水中微生物转化为甲基汞而进入浮游生物体内,再经过“浮游生物小鱼大鱼”食物链的富集富集,使大鱼中有机汞浓度达到海水汞浓度的 几万倍!人吃了这种鱼,便发生甲基汞中毒甲基汞中毒。也称“水俣病水俣病”。原因:原因:例二:例二:石油入海流石油入海流 石油是海洋污染物中最主要的一种。据估计,通过各种途径每年进入海洋的石油和石油产品约占世界石油总产量的干分之五。石油进入海洋的石油进入海洋的途径途径有:有:1、陆岸排油:是海洋石油污染危害最大的 污染源之一。2、海洋运输与港口建设3、海上油田的开发石油作为重要能源之一己经被世界各国广泛使用,它是现代工业的血液。随着石油工业和石油海运业的兴起,巨大油轮海难事故和海洋井喷事故时有发生,使大量石油进入海洋,对海洋环境和海洋生态平衡造成严重的破坏。海洋石油污染的危害主要表现在:石油在海面上形成的油膜能阻碍大气与海水的交换,导致水体缺氧;油膜减弱了太阳辐射进海水的能量,影响海洋植物的光合作用;被油膜沾污皮毛的海兽和海鸟,将失去保温、游泳、飞行的能力;石油还对海洋生物产生危,它破坏细胞膜的正常结构,干扰生物体的酶系,进而影响生物体正常的生理、生化过程。随着人们对海洋环境的日益关注,石油对海洋的污染及其防治成为人们急需解决的问题。海洋石油污染治理的方法主要有物理机械法、化学法和生物法等,前两种方法普遍存在除油不彻底和容易造成二次污染等问题,而生物法以其处理费用低、治理效果好、对环境影响小、无二次污染等特点被认为是比较理想的治理方法。石油平台发生事故石油平台发生事故物 理 机 械 法化学法化学法溢油的化学处理方法主要是利用燃烧或投加溢油化学处理剂的达到除油的目的。用燃 烧 法 去除溢油,可以在短时间内清除大量溢油,处理时无需复杂的装置。英国在处理“Torrey Canyon”号油轮事故中,曾用飞机轰炸沉船,使船内残存的大约3万吨原油燃烧掉并取得了成功。但使用这一方法要求一是要及时,二是油膜至少要3mm厚,三是要在远海区进行。有时为了燃尽浮油,需要提供各种强烈可燃物质和氧气罐备用,但这也不能保证把已经大面积扩散的溢油燃尽。因此尽管燃烧法在理论上可以清除浮油,在海水介质中不留任何毒性残物,但实际上很困难,且大量的溢油嫩烧后容易造成大气污染,有时还会发生火灾,所以不能大规模使用。化化 学学 法法特别需要指出的是,石油燃燃烧释放大量剧毒物质,被人体吸收后会引发各种癌症,增加人类的死亡率。石油燃烧对生态环境乃至人体健康都会造成极大危害。燃烧后释放的大量二氧化碳,将会加剧全球变暖,导致病毒绷菌滋生蔓延,进而引发各种疾病。燃烧释放的大量氮氧化物和硫氧化物,遇水后会形成腐蚀性极强的酸雨,对陆生植物、水生植物以及名胜古迹都会造成灾难。石油燃烧散发的气体还会引发呼吸道疾病。生物降解法 物理机械法和化学法普遍存在除油不彻底和容易造成二次污染的问题,处理的结果只是停留在降低表观色度的水平或只是使污染发生物理状态上的改变,而没有从根本上去除。相比之下,生物降解法却体现出这些方法无法相比的优越性。微生物降解法微生物降解法微生物能分解各种烃类化合物和天然有机物,而且某些微生物具有较强的氧化分解石油的能力,能够利用石油或其衍生物中的碳氢化合物作为碳和能量的主要来源,对石油或其衍生物起到了净化的作用,被誉为石油污染物质的净化剂。微生物降解法微生物降解法生化处理法可分为微生物法和微生物生态法。微生物法是利用一种或数种降解能力较强的微生物治理被污染场所。通过人为提高有关微生物浓度,使生物降解速率明显增大。微生物生态法侧重于识别影响当地微生物群降解速率的某些物理和化学因素。通过适时调整这些因素,污染物的生物降解速率可明显加快。采用微生物生态法的前提是污染现场原有的微生物群在适宜的条件下具有降解污染物的能力,不需确定被污染土壤和水体中微生物的种类和数量,而是侧重于识别影响微生物降解能力的主要因素。微生物降解法微生物降解法微生物作为一个特殊的群体,能够降解石油中的所有组分,用微生物法处理石油污染物的方法基本上还处于研究阶段。用微生物法进行海洋石油污染处理,具有处理费用低、治理效果好、对环境影响小、无二次污染等特点,因此培养可高效降解石油污染物的菌种,对研究石油污染物生物降解的技术和方法具有重要意义。赵荫薇等从石油污染地分离出的10株除油菌,经测定单菌株除油率在20%-50%,混合菌群除油率达71.4%,在含有地下水的模拟反应器中,当投菌浓度n保持在106/ML时混合菌群的除油率可达53.1%,在地下水石油污染的现场治理中,混合菌群投菌量n=109/mL时除油率保持在35%左右。刘勤亚和周海东从石油污染土壤中分离出两株高效机油降解菌ZLl和ZL2,分别为黄杆菌属和微球菌属,在废水含机油浓度较高的条件下,两菌株的机油去除率分别达67.9%和76.2%。丁明宇、黄健和李永棋从青岛近海岸海水中分离、筛选到73株细菌和10株真菌,并研究了它们对石油的降解能力,结果表明多数菌具有明显降解石油的能力,其中有3个石油降解的优势菌株,降解率分别高达58.35%,62.75%,71.06%.微生物降解法治理海洋微生物降解法治理海洋石油污染的研究概况石油污染的研究概况近年来,随着海洋石油污染的日趋严重以及人们对保护海洋生态环境的日益重视有关微生物降解海洋石油污染的研究工作取得了很大进展。降解石油的微生物细菌、放线菌和真菌中有70个属(约200个种)能生活在石油中,并通过生物氧化降解石油。在海洋生态系统中,细菌在降解石油类化合物的微生物中占主导地位;在淡水和陆地生态系统中,真菌则是更重要的因子。微生 物 对 石油的降解率主要取决于石油降解菌的性能,获得高效的石油降解菌是提高石油降解率的关键。降解石油的微生物主要通过两种方法获得。使用对特定污染物有较强降解能力的成品菌株这些 菌 株 通常筛选自其它污染地点并可大批培养,易于在被污染的水体中使用。微生物菌株大多可用传统筛选方法从自然界获取;还可采用诱导或离子辐射等方法来加快微生物的变异速率;亦可通过基因工程获取性能优良的工程菌。影响微生物降解的因素一、石油烃的种类与状态 石油是由上千种化学性质不同的化合物组成的复杂馄合物,主要由烃类和非烃类组成,其中烃类占95-99.5。烃类主要有烷烃、芳香烃、环烷烃、稠环和杂环化合物以及少量沥青质和其他有机物。相同条件下微生物对不同种类石油烃的降解能力是不同的,一般认为不同烃类微生物可降解性次序如下:小于C10的直链烷烃C10-C24或更长的直链烷烃小于C10的支链烷烃C10-C24或更长的支链烷烃单环芳烃多环芳烃杂环芳烃。用微生物处理被石油污染的土壤时,270天后发现75%的原油被降解,饱和烃中的正构烷烃和支链烷烃在16天内几乎全部降解,22%的环烷烃未被降解,沥青质完全保留了下来。温 度环境中的每一种微生物都只能在一定的温度范围内生长,有其生长繁殖的最适温度、最低温度、最高温度和致死温度。烃类生物降解速率通常随温度的降低而减弱,这主要是由于酶活力的降低。在高温下,由于酶活力增加,降解速率加快。pH环境中的 pH值变化对微生物的生命活动影响很大,主要表现为引起细胞膜电荷的变化,从而影响微生物对营养物质的吸收:影响代谢中酶的活性,改变生长环境中营养物质的可给性及有害物质的毒素。每一种微生物都有其生长的最适pH值和一定的pH值范围。例如大多数细菌、藻类和原生动物的最适pH值为6.5-7.5,放线菌的最适pH值为7.5-8.0,酵母菌、酶菌的最适pH值则为5.0-6.0。研究表明,当pH值为7.0-7.8时烃类的生物降解速率最快,可以通过添加酸碱或酸碱缓冲液的方法将pH值控制在7.0-7.8范围内。营 养 物 质微生物代谢需要营养物质的参与才能顺利进行。营养物质可以参与微生物细胞的组成、构成酶的活性成分与物质运输系统,并提供机体进行各种生理活动所需的能量。存在问题海洋石油污染的生物降解技术尽管己经取得了很多研究成果,但从海洋石油污染微生物处理技术的研究情况来看,进行的各项研究很粗浅,大多只是对分离的菌株进行了菌属鉴定和部分影响降解率的因素进行了考察,缺乏对影响菌株降解率的主要因素进行系统的研究;对菌株降解石油的机理和动力学的研究几乎是空白;大多数研究菌株对石油降解的实验只限于用淡水进行,没有用海水对菌株的石油降解进行实际检验。海上石油泄漏清污方法:海上石油泄漏清污方法:方方 法法具具 体体 做做 法法局局 限限 性性分分 散散喷洒强效洗涤剂,使喷洒强效洗涤剂,使石油迅速分散石油迅速分散不易在近岸或渔场周围不易在近岸或渔场周围使用,出现二次污染物使用,出现二次污染物沉沉 降降播撒粉状石灰,使其沉降播撒粉状石灰,使其沉降会危害海底生物,出现会危害海底生物,出现二次污染物二次污染物吸吸 收收利用麦杆、泥炭、聚苯利用麦杆、泥炭、聚苯乙烯等吸收石油乙烯等吸收石油只能在静水环境中使用只能在静水环境中使用围围 栏栏用围栏圈住回收用围栏圈住回收小面积,静水环境小面积,静水环境放放 任任只适用于大洋中的原油只适用于大洋中的原油泄漏,且扩大污染范围泄漏,且扩大污染范围让其自然分解让其自然分解燃燃 烧烧油层厚达油层厚达2毫米,毫米,污染大气污染大气 海洋污染和人类的某些活动以及自然环境的变化,都会使海洋生态环境遭到破坏。赤潮的产生赤潮的产生过度捕捞过度捕捞红树林的破坏红树林的破坏海平面的上升海平面的上升 赤潮赤潮是在特定的环境条件下,海水中某些浮浮游植物游植物、原生动物或细菌原生动物或细菌爆发性增殖或高度聚集而引起水体变色的一种有害生态现象。赤潮发生的原因、种类、和数量的不同,水体会呈现不同的颜色,有红颜色或砖红色、绿色、黄色、棕色等。赤潮产生的物质条件赤潮产生的物质条件一、人们对农作物施以超量的化肥、农药化肥、农药等积累在土壤中,随江河排泄于海中;二、工业生 产、生活垃圾和污水被大量注入海中;三、沿海地区的过度海水养殖,残饵腐败污染海水。海水富营养化海水富营养化 海水富营养化海水富营养化为某些海洋浮游生物的快速大量繁殖创造了有利条件,甚至可使某些浮游生物独霸一方。相反因其大量快速繁殖使海水中氧气急剧下降致使其它浮游生物死亡殆尽、腐败、产生硫化氢等有害物质,过来进一步加剧其它浮游生物及鱼虾的死亡,造成恶性循环。赤潮不仅使海中浮游生物死亡殆尽,游动能力强的鱼虾改变繁殖场所,海水养殖绝收,海水变色臭,而且一旦食用赤潮海域的鱼虾贝类等水产品,可导致人体中毒事件。赤潮的影响赤潮的影响赤潮生物种类已记录的近岸海域赤潮生物种类有101种,其中硅藻为60种,甲藻35种,蓝藻4种,金藻2种。曾引发生过赤潮的种类有25种,主要的赤潮种为中肋骨条藻、夜光藻和具齿原甲藻,这三者占了有记录种赤潮的82.4%。赤潮的成因(1)海域中存在赤潮生物“种源(seed bed)”是赤潮发生的重要前提,而藻类孢囊被普遍认为是引发赤潮的种源。(2)近岸海域的污染引起水体富营养化是赤潮频发的重要原因。随着现代化工业生产的迅猛发展,沿海地区人口的增多,大量工业废水和生活污水排入海洋,导致近海、港湾富营养化程度日趋严重。调查发现,经济动物养殖水域的营养水平明显高于非养殖水域,养殖区的赤潮发生频率要比非养殖区高得多。(3)沿海地区的过度海水养殖,残饵腐败污染海水。残饵、粪便和排泄物等养殖废物以固态或溶解态营养物形式排入环境中,加速了海水富营养化进程,为赤潮生物提供了适宜的营养环境。(4)海运业的发展导致外来有害赤潮种类的引入。(5)全球气候的变化导致赤潮的频繁发生。(6)有些大量快速繁殖的浮游生物本身就可大量分泌毒素,造成危害。赤潮的危害 赤潮的危害表现在对海水养殖、人体健康及水域景观的影响等。其危害方式及程度因种类、季节、海区及成因不同而有着很大的差异。(1)分泌粘液,粘附于水生动物的鳃、触角、腹部和尾体,导致死亡。(2)分泌有害物质如NH3、H2S 等,危害水体并使其它生物中毒。(3)分泌毒素,直接毒死养殖生物或随食物链转移引起动物和人类中毒死亡。有些赤潮生物分泌的毒素对贝类、鱼类无害或不足以毒死它们,而是积累在其体内。(4)影响海洋生态系统结构。赤潮发生时,赤潮藻类大量繁殖且密集于表层几十厘米以内,遮蔽海面,使阳光及氧气难于透过表层,水下多种生物缺氧和阳光,生存和繁殖受限,接着藻类大量死亡和有机物大量向底层转移,这些有机物在腐烂过程中消耗大量氧,使底质生态环境恶化,底栖生物生长受阻和大量死亡,而厌氧细菌繁殖更迅速;且在一些浮游生物数量增加的同时,生物多样性变少。(5)其它影响:改变海域沉积模式:因大量死亡的赤潮生物在沉降过程中吸附了大量的悬浮物一同沉到海底;加速河口、海湾的填埋;大量藻类被带到海岸边和沙滩上,影响海滨景观和沿岸旅游业。赤潮防治技术研究 针对有害赤潮的防治对策包括两方面内容:一是采取长期预防对策,减少赤潮发生的频率及规模;二是建立和发展赤潮应急治理技术,降低赤潮的危害效应。根据对有害赤潮形成机制的分析可以看出,人类活动显著影响着有害赤潮在全球范围内的发生情况。因此,从长期来看,要减少有害赤潮发生的频率和规模,需要协调人类活动与环境的关系,逐步降低人类活动对有害赤潮发生的影响。可以采取的对策包括:加强对航海、养殖等人类活动的管理,尽可能降低有害赤潮藻种的传播;控制化肥使用,提高污水处理能力,控制营养物质向近海的排放,降低近海富营养化水平等。为尽可能降低有害赤潮可能导致的危害效应,需要建立和发展赤潮的应急治理技术,消除在养殖区、旅游区等敏感区域的赤潮。针对赤潮的应急治理可以采用物理法、化学法和生物法。物理法粘土法 目前国际上公认的一种方法是撒播粘土法。采用混凝剂如铁盐、铝盐、粘土等来沉淀赤潮藻类。王辅亚研究发现改性粘土可大大增加对赤潮生物的絮凝作用,且可以吸附水体中过剩的营养物质,如N、P、Fe、M n 等,破坏赤潮生物赖以生存、繁殖的物质基础。俞志明在粘土中加入聚羟基氯化铝后,去除效果提高近20倍。物理法粘土法国内外在提高粘土去除率的同时,对于粘土去除赤潮生物的机理也进行了大量研究,并提出了许多观点、理论。总的来说,国外主要有两种观点:1)立足于粘土离子和生物细胞的表面性质,认为粘土的去除机理以吸附作用为主,由于颗粒间的相互碰撞,粘土颗粒聚集变大,快速沉降的同时,藻被一起去除;2)吸附在藻表面的粘土影响了藻的生成和运动,粘土中溶出的铝离子杀死了赤潮生物细胞,从而导致了藻的沉降。国内的研究者主要持第一种观点。此外,俞志明提出的粘土表面正电性与赤潮生物细胞去除率正相关理论,是近十几年来提高粘土效率研究的最大进步。化学法药剂法1)无机药剂法用药剂直接杀灭赤潮生物仍是科学家们研究的方法之一。2)有机药剂法目前,有不少研究者从事有机除藻药剂的研究。1998 年藤伊正研制成C8-C16脂肪胺的除藻剂。1990年木尾原等研究成C5-C24的烷基香芹酮酸或其衍生物的有机物除藻药剂,在1 m2水面上投撒100g1kg药剂即可消除赤潮,但有机除藻剂也存在对环境生态再次污染、对非赤潮生物的负面影响及成本高等方面的问题,难于直接用在海洋赤潮治理上。生物防治 海洋专家们指出,科学的治理方法仍然是以防为主,防治结合。保护红树林有助于减少赤潮的发生。羟基OH 治理方法羟基自由基OH 是自然界存在的,它具有反应速度快、氧化能力强的特点,是净化自然界的绿色药剂。羟基是由水和氧在外加物理化学等因素作用下产生的,它氧化分解后又还原成水和氧,不存在任何残留物,没有任何污染,羟基是绿色的强杀菌灭藻药剂、强氧化药剂、除味漂白药剂。高浓度羟基药剂研究成功,解决了低药剂浓度的快速杀菌灭藻、无残留物、不对非赤潮生物造成伤害等疑难问题。为人类提供一种天然的杀菌灭藻的绿色的理想药剂,不存在化学药剂长期残留和污染等问题。加工羟基药剂也不存在任何污染,不产生任何废料和附加物,不用催化剂等,是一个极为清洁的生产加工过程。东海的劫难东海的劫难 东海,陆架面积42.8万平方公里,海产品捕捞量几乎占全国的一半以上,曾是我国富饶的鱼仓,中国渔业的骄傲。但,就是这块神圣的海域,却遭到了生于斯、长于斯、富于斯子民们带给它的空前劫难。他们采取了:布下天罗地网,一网打尽布下天罗地网,一网打尽 围捕不分老幼,斩尽杀绝围捕不分老幼,斩尽杀绝 重炮狂轰滥炸,在劫难逃重炮狂轰滥炸,在劫难逃 操棒敲鼓作业,斩草除根操棒敲鼓作业,斩草除根 后果:掠夺性捕捞,造成极为严重的后果,致使东海渔业资源,无论是在总体数量上还是在质量上,都明显下降。而四大传统经济鱼类资源的枯竭,更是无法弥补的损失。目前东海资源密度只有50年代的43。从大黄鱼产量可见一斑,1974年为10.8万吨,1977年为0.6万吨,1990年急剧减少为0.2万吨。红树林:红树林:红树林是一种稀有的木本胎生植物,因砍伐时遇铁变成红色而得名。它生长于陆地与海洋交界带陆地与海洋交界带的滩涂浅滩,是陆地向海洋过渡过渡的特殊生态系统。海南保护红树林海南保护红树林 各类水禽自由飞翔各类水禽自由飞翔红树林的作用红树林的作用:1、红树林的生物资生物资源源量非常丰富,如广西山口红树林区就有111种大型底栖动物,104种鸟类、133种昆虫。2、红树林还具有防风防风消浪消浪、促淤保滩促淤保滩、固岸固岸护堤护堤、净化海水和空气净化海水和空气的功能。近几十年来,我国东南沿海的红树林遭受了严重的人为破坏,我国从一个本来红树林就不多的国家沦为红树林濒临灭绝的国家。红树林资源锐减换来的是:海滨生态环境恶化、滩涂海洋经济动物产量下降6090、近海鱼苗资源明显下降、珍珠养殖出现危机、赤潮灾害日趋严重、海洋国土侵蚀、港口淤积率提高、台风暴潮经济损失急增、滨海置荒土地增多及海洋景观日趋单调。破坏红树林的后果下面是拍自同一个地方的两幅图片下面是拍自同一个地方的两幅图片六年前,茂密的红树林如今的黄土 海平面上升对某些海洋生物种群也造成威胁,有些生物种群有定期溯河泅游的习性,尽管鱼类可以适应海平面上升而向更远的上游洄游,但是城市的大量排污受海水顶托,常会阻碍鱼类的正常洄游,影响种群正常生长。海平面上升将导致沿岸红树林、珊瑚礁的破坏。海平面上升带来的海洋生物修复技术的前景展望应用海洋生物技术进行原位修复已经成为治理海洋污染的热点,生物技术能更有效的降解海洋污染物,并能避免其它方法所具有的缺陷。为了让海洋生物修复技术能更好地发挥其治污的作用,必须解决好下列一些问题。1.海洋生物修复技术相对于其它生物技术,基础研究较薄弱,研究起步较晚,支持设备落后,在生物技术中所占比例较少。而海洋生物修复技术是海洋生物技术的重要方面,对保护海洋生物资源和生态环境,促进海洋业的发展具有重大的意义,必须给予足够的重视。2.微生物在降解海水污染中的应用还剧刚起步,这需要我们加强基础理论的研究并加快理论向应用转化的步伐,因此,从应用出发,应该注意驯化、筛选、保存有效微生物并建立档案,需要时可进行大规模培养和工厂化生产。海洋生物修复技术的前景展望3.利用固定化技术可以充分发挥微生物的降解潜能,降解难降解污染物,同时可以防止其泄露而引起生态问题。一般来讲,混合菌群要比单一菌株的治污效果好,因此在治理难降解污染时,可以考虑选用混合菌。4.目前,微生物降解的酶学机制研究较为深人,而基因调控的研究还有待深人。今后应着重研究微生物的降解基因,可通过转基因和克隆等基因操作技术,培育速效、高效、多功能的超级微生物,也可直接向污染物中引人特定基因的表达产物。5.修复海洋环境首先要提高监测技术,这除了可以运用物理、化学的方法,还可以运用生物监测的方法,用核酸探针技术和PCR技术监测海洋水质;把编码发光酶的基因转人指示生物中,通过其发荧光的特性来监测海洋环境等。
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