互动科普

海岸线蜿蜒曲折，极其美妙，长久以来赋予人们近乎神秘的想象。美国小说家赫尔曼·梅尔维尔（Herman Melville）在小说《白鲸》中开篇便写到：“只有到了陆地尽头，他们才会心满意足……只要不掉进海里去，他们必定尽可能接近大海。”也许，这是对海滨的最好描述——充满了不可抗拒的诱惑。近年来，千百万美国人向沿海地区蜂拥而去，特别是涌向东南沿海地区，到那里去享受宜人的气候、休闲设施和自然美景。但不幸的是，迅速的发展、糟糕的规划，让海岸美景遭受了令人震惊的破坏，越来越多的海滩和贝类养殖区，被动物和人类遗弃的废物所携带的致病微生物污染。

美国自然资源保护委员会最近公布的报告表明：2004年，美国沿岸各州总共发布沙滩关闭命令和污染警告达1.995万天/处，影响到1,234处沙滩，约占卫生官员日常监测的沙滩总数的1/3。沙滩管制行动天/处总数，比2003年上涨了9%，比2002年上涨了50%。当然,其中部分是由美国联邦政府修改监测规定引起的。卫生部门采取的85%关闭和警告措施,都是因为水中的粪细菌（fecal bacteria）超标。

动物粪便、下水道溢出物中人类遗弃的废物、化粪池渗漏物中的人类粪便，夹杂在暴雨径流（storm water runoff）中，顺流而下，水传播致病菌（waterborne microbe）到处横行，引发肝脏疾病、呼吸道感染（respiratory infection）和潜在的致命性胃肠紊乱。第三世界国家卫生条件差，这样的疾病普遍存在；而在发达国家，这类疾病却并非源于贫穷，而是源于不明智的开发：大肆修建住房、道路、购物中心和停车场，破坏了沿岸地区的自然排水系统。从前，废物可以通过森林或湿地进行过滤，而现在，废物则经常污染散步道和沙滩。

沿岸各州和社区如何减少微生物污染？这个问题让开发商和支持开发的政治家同政府监管当局、商业性贝类养殖者、休闲的冲浪者、游泳者、潜水者和环境保护者争论不休。幸运的是，已经有一些创新性解决方案出台了。“精明增长”（smart-growth）的战略，既能恢复遭受污染的沿岸地区，又能创造经济效益，不致因频频关闭沙滩而阻碍旅游业发展、降低房地产价值；对沿岸开发采取合理的控制措施，可谓一举两得：能够同时保护沿岸地区经济发展和公共卫生。

沿岸人口激增

美国国家海洋与大气管理局公布的《2004年沿岸趋势报告》表明，全美53%的人口（1.53亿）生活在海岸和五大湖地区各县，而这些县的面积仅占美国大陆面积的17%。此外，据预测，到2008年，沿岸地区人口还要增加700万，人口总数还会因度假者大量涌入而呈现季节性增长，大面积的森林或农田将变成度假胜地、居民小区、购物中心、餐馆、办公楼和工业园区。在这个过程中，建筑公司将排干湿地的水，用沥青、混凝土等建筑材料覆盖原来长满植被的土壤。

那时，呈现在人们面前的景象全是建筑物：停车场、道路、人行道、屋顶等不可渗漏表面，重型设备把建筑工地碾压得密密实实，水根本无法渗漏下去。下雨的时候，雨水流过这些表面，夹带着动物粪便和其他污染物，将它们冲进排水沟或暴雨水沟，这样，许多污染物就直接进入城市中的湖泊、沿岸小溪或沙滩地区。污水处理厂清除了流入物中的有害细菌和其他污染物，而暴雨径流通常却没有进行处理。暴雨径流来源广泛，人们把它归为非点污染源污染（nonpoint source pollution）。美国环境保护署已经指出，目前这类污染是导致美国水质量问题的罪魁祸首。

暴雨径流携带了化肥、农药、重金属和石化物质，但只有粪便中的细菌、病毒和原生动物等致病微生物，才对人类健康构成了主要威胁。据估计，仅仅1克狗粪中就含有2,300万个细菌。而某些特定的有害细菌，仅仅10个就足以感染人类。猫、狗等家畜，以及浣熊、松鼠等野生动物，不断向城市河流及郊区河流排放粪便。在有植被的区域，雨水和径流渗入土壤，从而清除水中的粪细菌、粪病毒以及很多其他污染物。相反，在干旱期间，大量污染物积聚在不可渗透表面，下雨时下游污染物浓度就升高。

由于微生物污染贝类养殖区和娱乐区域，所以沿海地区的问题就特别令人担忧。贝类是主要的滤食动物（filter feeder），这就意味着它们用自己的身体过滤大量海水，体内聚集了微型海藻等海洋食物。与此同时，它们也聚集了海水中具有潜在危害的有机物。如果人们生食了粪细菌污染过的海水中的贝类，或者没有煮熟就食用，那么就可能患上胃肠炎（特征是呕吐、腹泻和胃痛），和其他更严重的疾病。

为了保护贝类食用者，需要州政府机构在被污染的贝类养殖区张贴告示，提醒公众在这些地方采集蛤蜊、贻贝或牡蛎都是非法的。粪大肠菌群在人肠和动物肠中都很常见，美国公共卫生事务署利用粪大肠菌群（fecal coliform bacteria）指标，制定了全国性安全标准。如果某地区30组样本中的细菌几何平均值（geometric mean，一种把边沿值影响降到最小限度的平均值）高于14CFU/100毫升海水（CFU即菌落形成单位），那么就不能从该地区采集贝类。1995年，美国国家海洋与大气管理局最后一次进行全国性贝类采集登记，限制或禁止在全国31%的贝类养殖区进行采集。该管理局报告，城市径流是最经常提及的贝类养殖区污染源。

最近，我的实验室（设在北卡罗来纳大学威尔明顿分校）分析了北卡罗来纳州5个沿海县的数据，结果发现，人口增长与贝类养殖区关闭情况有着非常密切的关系。1984年，居住在这5个县的人口为35.2125万人，贝类养殖水域关闭面积为35,275英亩（约合142.75平方千米）；到了2003年，5个县总人口达到50.1596万人，关闭的贝类养殖水域面积高达42,304英亩（约合171.2平方千米）。

微生物污染还严重威胁到参加游泳、冲浪、涉水、潜水、戴呼吸管潜泳、滑水和划船等娱乐活动的人们。如果粪便有机物污染了湖泊、溪流或海岸，那么任何接触水的人都有被微生物感染的危险，感染途径是嘴巴、鼻子、眼睛或裸露的伤口。水接触导致的疾病包括胃肠炎、结膜炎(眼睛感染)、蜂窝织炎(例如游泳者疥疮皮肤感染)、耳朵感染、呼吸道感染，以及肝炎和格林-巴利综合征(Guillain-Barré syndrome，一种外周神经炎症，能导致瘫痪)等更严重的疾病。能够导致上述疾病的水传播细菌，包括埃希氏菌属大肠杆菌（Escherichia coli）、产气荚膜梭状芽孢杆菌(Clostridium perfringens)以及肠球菌(Enterococcus)、气单胞菌(Aeromonas)、弯曲杆菌(Campylobacter)、沙门氏菌(Salmonella)、志贺氏菌(Shigella)和耶尔森氏菌(Yersinia)的各类变种；水传播致病病毒，则包括甲型肝炎病毒和诺沃克病毒；致病原生动物包括隐孢子虫(Cryptosporidium)、内阿米巴(Entamoeba)和贾第虫(Giardia)等。

别喝污水

近年来，几种上述微生物在美国和加拿大引发了疾病大爆发。1993年，原生动物隐孢子虫污染了美国密尔沃基饮水系统，导致100多人死亡、40万人生病；1999年，大肠杆菌和弯曲杆菌爆发，导致纽约州华盛顿县赶集者中的2人死亡、116人生病，原因是他们饮用了一个养牛场径流污染过的水；2000年，在加拿大安大略省沃克顿，居民们沦为大肠杆菌和弯曲杆菌的牺牲品，病菌导致7人死亡、2,300人生病，其中大多数是老人和婴儿。这一次，人们发现充满了微生物的养牛场径流进入了城镇供水系统，再度成为污染源。

卫生官员测定各种指示性细菌的浓度，从而评价水中病原体的危险程度，特别是对沿岸海滩的危害情况。当细菌指标过高的时候，当局就发布水污染告示，关闭开展游泳或其他娱乐活动的水域。美国环境保护署建议，希望各州把肠球菌作为海洋和海湾水域的安全指标。根据美国环境保护署的标准，如果在30天内采集的5个肠球菌样本的几何平均值高于35CFU/100毫升，或者任何一个样本的肠球菌浓度高于104CFU/100毫升，那么就可以认为海水不安全。美国环境保护署规定，在淡水中，肠球菌的平均浓度不得高于33CFU/100毫升，埃希氏菌属大肠杆菌平均浓度不得高于126CFU/100毫升。然而，这些标准可能过于宽松，美国环境保护署估计，在具有最大可接受细菌数量的海水中游泳，仍会导致2%的游泳者患病。

溪流上游

自20世纪80年代后期以来，研究人员一直在研究不可渗透表面覆盖引起的环境危害，而我的实验室最先考察粪细菌数量带来的影响。新汉诺威县是北卡罗来纳州一个发展迅速的地区，我的实验室重点研究了该县的情况。1990年-2000年，该县人口增长了25%，预计到2020年将再增长31%。过去10年间，我的研究小组研究了该县6条日益城市化的涨潮性溪流的水质状况，收集和分析了侵入上述6个流域的1,000多个粪大肠菌群样本，以及埃希氏菌属大肠杆菌样本，还探索了细菌数量与流域各种人口及地貌因素的相关关系。

我们发现，流域人口越多，开发土地比例就越高，平均粪大肠菌群数量就越多。不过，细菌数量与不可渗透表面所占比例之间的相关关系最为密切。在福奇溪流域，不可渗透表面仅占周围土地面积的7%，平均大肠菌群数量为12CFU/100毫升；而在布拉德利溪流域，沥青和混凝土铺设面积占了流域面积的22%，粪大肠菌群数量就高出前者7倍多。埃希氏菌属大肠杆菌数量与流域不可渗透表面所占比例之间的相关关系，也很密切。我们的发现并不是孤立的，不久以后，南卡罗来纳大学自然资源系的A·弗雷德·霍兰（A. Fred Holland）、丹尼丝·M·桑格（Denise M. Sanger）及其同事报告，在西弗吉尼亚州查尔斯顿都市区22条涨潮性溪流的流域中，粪大肠菌群数量与不可渗透表面之间存在显著的相关关系。

这些结果表明，开发地区的暴雨径流，可能对下游的细菌浓度产生了乘数效应（multiplier effect）。来自大型停车场或居民小区的径流异常多，可能毁坏排水沟及溪流护堤，从而把冲起来的沉积物带入水中。剥去了植被的建筑工地的土壤，沉积物也容易被冲走，冲走的沉积物和其他颗粒云集到接收的水中（云集度称为浑浊度）。此外，沉积物，尤其是黏土，能与氨、磷酸盐、金属、粪细菌和粪便病毒等污染物进行物理结合与化学结合。

细菌一旦与土壤结合在一起，就会逃脱紫外线辐射，而紫外线通常会杀死细菌。细菌还能从土壤颗粒中获得碳、氮和磷等营养，并随沉积物向下游长途迁移。在对新汉诺威县涨潮性溪流的研究中，我们发现，在浑浊度与粪大肠菌群数量之间，存在着显著的相关关系。在对佛罗里达州西部、切萨皮克湾、地中海海岸和澳大利亚进行的其他研究中，也发现了类似的结果。

沿岸浅水水底的沉积物，也是粪细菌和其他微生物的栖身之地。我的合作者、北卡罗来纳大学威尔明顿分校的劳伦斯·B·卡洪（Lawrence B. Cahoon）领导的研究小组发现，在涨潮性溪流沉积物中，致病性生物（包括粪大肠菌、肠球菌和链球菌）的浓度高。这些微生物之所以能在沉积物中长期生存下去，是因为它们逃脱了紫外线辐射，并容易获得营养。涨潮性溪流一般很浅，从底部搅起来的沉积物使水中出现大量的细菌，从而超过人类接触的安全标准。刮风天气、戏水的儿童或者宠物，仅仅通过搅起水底污泥，就轻而易举污染了水。此外，我们的学生发现，在靠近几个公共船用码头的沉积物中，粪便微生物浓度高，而这类码头在美国东南沿海地区普遍存在，使用率很高。

别让沙子和污水混在一起

沿海地区卫生系统设计很差，这可能也是微生物污染的原因。在把暴雨排入污水管道的社区，暴雨能导致污水溢出，从而把未经处理的人类垃圾冲进河流、湖泊和海湾。目前，许多城市的市政当局正在分离污水系统和暴雨系统，以解决污水溢出问题。然而在沿岸地区，一个新的两难问题又出现了：那里的居民污水处理系统没有相互连成一体，因此人们就必须把废物排入化粪池之中。

佛罗里达群岛就是这样的，那里有2.5万多个化粪池系统。该群岛主要是喀斯特地貌，下层土壤主要由石灰石构成，具有许多因侵蚀而形成的缝隙和灰岩坑。这种地质结构孔隙很多，不能有效过滤富含细菌的化粪池溢出物。1995年，南佛罗里达大学约翰·H·保罗（John H. Paul）和琼·B·罗斯（Joan B. Rose）领导的研究小组发现，该群岛化粪池的粪便微生物能轻易穿过土壤，并在几个小时之内就进入海岸附近的沿海水域。

这个问题并非只存在于佛罗里达群岛。对沿海砂质土壤而言，砂粒之间的空隙相对较大。当这些土壤吸水达到饱和状态时，细菌和病毒就能轻而易举穿过它们而溜走。因此，在砂质土壤地区和高地下水位地区，并不适合建设化粪池系统。然而，一些规划非常不合理，导致了很多迅速发展的沿岸地区建成了化粪池系统，包括大西洋和墨西哥湾沿岸地区的一些砂质堰洲岛（barrier island）。北卡罗来纳州不伦瑞克县在砂质土壤中修建了很多化粪池（每公顷土地多达20个）。在一项对该县的水质研究中，卡洪发现，稠密居民区下游淡水和海水中的粪大肠菌群数量非常多。此外，开发地区的排水系统，似乎助长了人们把粪细菌排入附近水域（包括贝类养殖区）之风。

其他研究人员确定了严重微生物污染的独特类型。现任职于美国佐治亚大学的艾琳·K·李普（Erin K. Lipp）和她的同事测定，在夏洛特港和萨拉索塔湾等佛罗里达湾沿岸社区，海湾与支流中的粪细菌数量随着退潮而急剧增多。微生物轻易穿过密集型化粪池土地周围的饱和砂质土壤，进入附近小溪，从而排入港湾。污染类型不仅受到潮涨潮落的影响，而且还随不同的天气而变化。研究人员发现，在伴随着厄尔尼诺现象的湿润年份，美国坦帕湾水域受到的粪细菌和病毒的污染，比干旱年份要严重得多。这种效应再次证明，径流增多了，在选址不当的化粪池周围的饱和土壤中，流过的地下水流也增多了。

在加利福尼亚州南部，大量城市径流排入太平洋。北卡罗来纳大学查珀尔希尔分校的雷切尔·诺布尔（Rachel Noble）和她的同事在那里发现，降雨之后，海岸水域不能达到安全标准的程度是干旱期的10倍。就全美国而言，在降雨后，许多贝类养殖区都要自动关闭几天或几周，因为这些地区容易遭受暴雨径流中细菌的污染。

但微生物污染的罪魁祸首，并非总是城市径流和化粪池渗漏。对于从乡村地区流出来的沿岸溪流，畜牧场排出的废物常常成为污染的驱动因素（driving factor）。从马里兰州一直连绵到佛罗里达州的沿岸平原（coastal plain），还有墨西哥湾的一些地区，产业化畜牧场大规模取代了传统畜牧场，大量猪、家禽和牛在封闭的环境中进行饲养。大型畜牧场处理粪便的方式，就是将它们作为液体进行喷洒，或者作为垃圾抛在附近的田野。如果喷洒或抛弃之后不久就下雨，或者在暴雨期间进行这类作业，那么，通过陆上径流，废弃物中的粪便微生物就能进入附近的溪流。

让未来更干净

为了保护各国沿岸水域，开发商和建筑商必须完全摒弃现有的毁灭性措施，包括伐光森林、排干湿地和广泛铺路，转而采用精明增长战略。在规划新的度假地、购物中心、办公楼和居民小区的时候，设计者必须最小限度地采用不可渗透表面，最大限度增加植被面积。铺盖过的地区植被越多，径流就越少，土壤的过滤功能就越大，可以消除来自沥青和混凝土表面的大量污染物。

特别需要指出的是，人们必须保护湿地，如果可能，还应扩大湿地面积，从而维持对暴雨径流的自然过滤。在一项对北卡罗来纳州东部沿岸平原11条溪流的研究中，我的实验室发现，湿地覆盖面相对较大的流域（在本例中，大于13.5%），在降雨期间粪细菌数量就不会大幅度增加。这表明保护湿地（并假定可以使之不断扩大），是让下游水域免遭沉积物和微生物污染的有效途径。建筑商可以减少建筑工地沉积物径流，从而帮助这项工作得以实施。

开发商应当采用能减少暴雨径流的新技术，甚至在工地就对暴雨径流进行处理。例如，现在可以利用多孔混凝土（porous concrete）铺设停车场表面，多孔混凝土是一种半渗漏性材料，可以让水流渗入土壤，同时还可以对汽车提供足够的支撑结构（structural support）。新型收集系统能够汇集停车场的暴雨径流，使之进入过滤系统，这种系统使用了具有吸收性能的矿物质和有机材料层，从而净化受污染的水。开发商还可以缩减大型停车场的规模，因为建造大多数停车场的目的，是容纳假日购物车辆，而不是日常交通车辆。这些技术不仅可以用于新开发项目，而且也可以用于已建成的开发项目。如果一个社区希望减少径流污染，使沙滩恢复活力，拯救贝类养殖业，那么它就应该在所有停车场安装过滤系统，在溪流两岸和排水道周围建设植被缓冲带，在某些特定区域恢复湿地。

在砂质土壤和喀斯特地貌地区，化粪池系统性能不良，这清楚表明沿岸地区需要更先进的污水处理系统。然而，一些环境保护组织已经指出，建设集中式的污水处理系统，将导致更密集的开发和更多水污染出现。因此，在沿岸社区建设污水处理系统的时候，市政当局应当限制新开发区不可渗漏表面的比例，比如说把它限制到总面积的10%~15%（特别是在贝类养殖区附近，尤其应当如此）。

无论是度假旅游，还是安家立业，沿海地区都可能是令人愉快的目的地。但是，如果没有保护沿岸资源的详细规划和战略措施，那么绚丽的沙滩、浪花飞溅的海湾和宁静的涨潮性溪流等所有美景，都会化为乌有，变成藏污纳垢之地。首要的工作是，我们必须保证不受限制的开发不得破坏这些美景品质，因为正是这些美景才把人们吸引到沿岸地区来。