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誰的便便在海裡?吼!你的啦!

2015年04月15日
作者:Steven Katona(海洋健康指數執行董事)

※ 本文轉載自 海洋健康指數

我仍然記得我的高中同學阿當對我說:「Gay kocken offen yam!」──一句色彩豐富的意第緒俗語,直接翻譯是「去海裡大便啦!」,意思是「別再說了,這太荒謬了!」。

這句話其來有自,因為大部分海洋裡充滿了無數海洋生物便便,還有這世上60%住在海岸附近的人們所製造的便便。我們先從那些受歡迎的營養便便開始講起,這些是海洋生態系的食物來源。

聞起來像便便

Fargo是隻黑色拉布拉多犬,有著黑色濕潤鼻子。牠受過嗅聞訓練,可以協助英格蘭水族館的研究人員在2英里外找到露脊鯨的糞便。

新英格蘭水族館研究員羅莎琳德·羅蘭博士(Dr. Rosalind Roland)與正在指向正確鯨魚糞便方向的Fargo。

研究者用網子網住一團吸引Fargo注意力的樣品,看起來有點糊糊的帶著微紅或褐色,將送往實驗室中測量其中的生殖激素及腎上腺素,這可以告訴研究者鯨魚是否已經性成熟,以及雌鯨是否在懷孕期或哺乳中。鯨魚糞便提供有用的資訊,幫助研究者管理瀕危的露脊鯨、逆戟鯨和其他鯨魚,但它還有更為重要的功能。

從海洋陽光明媚的海水表層開始,鯨魚糞便滋養了整個遠洋食物網。海洋和陸地一樣,植物是食物網的根基。在光線充沛的淺層水域,紅樹林、海草、鹽沼植物和大型海藻蓬勃發展,但較深水域的植物必須想辦法讓自己停留在陽光能照射到的區域,它們利用油滴維持漂浮狀態,或利用鞭毛和帶刺的毛減緩下沉速度,食物網就從這些小型單細胞藻類(浮游植物)開始。

藉由太陽的能量和水中的氮、磷、鐵等養分,浮游植物迅速繁殖,形成主要的海洋生態系統基礎,提供食物給無數海洋生物幼體、橈足類、磷蝦、蝦、貽貝、蛤、扇貝、鳀魚及其他游牧魚類,還有一切捕食這些生物的動物。

看起來像雪

數十億動物的糞粒、加上蛻脫的外骨骼及生物屍體緩緩下沉。如果深度不太深,有的糞粒到達海底時幾乎完好無損,蠕蟲、海參和其他海底生物可能會吃掉那些碳和氮含量最高的糞粒。

隨著向下旅程的展開,細菌慢慢分解糞便,製造出將顆粒膠結成薄片狀的黏液。海洋探險家威廉·畢比(William Beebe)在1930年第一次潛入百慕達海域時,從「深海潛水球(Bathysphere)」窗口中看到這些碎片,形容這是「海洋雪」。

緩緩降落的海洋雪。

後來,瑞秋·卡森在《我們周圍的海洋》(1951)書中寫道,「當我想到深海海底......我看到的一直是從海上面漂下來穩定、不懈、向下沉降的材料,一片又一片層層疊疊...這是地球上見過最驚人的『降雪』」。這種遍佈全海洋的「降雪」也被稱為「生物泵」,因為這是食物到達深海動物和海底群聚中的主要方式。

但隨著海洋雪沈降,透光帶以下快速增長的浮游生物,也迅速的消耗海洋雪中的養分。究竟是什麼神秘力量讓這個系統為持續運作?

這個問題在沿岸地區比較不那麼迫切,因為來自陸地的徑流帶來受侵蝕土壤、腐爛動植物和農業用肥料中以及下水道和污水處理廠(容後詳述)排放的營養物質。此外,在淺層水域中,風和洋流會將營養豐富的水往上帶入透光帶。

但在離岸水域,養份往往供不應求,僅能仰賴洋流湧升、細菌固定的氮或由大氣和陸地吹來的風中飄落下的塵土。只有非常強烈的暴風能擾動冰冷、厚重且富涵營養的深層海水,使之混合進溫暖的表層水域當中。

生命之泉 鯨魚便便泵

誰來維持遠洋海域的海洋雪?答案是:鯨魚糞便。

鯨魚常在透光帶有浮游植物生長的水域覓食。抹香鯨及喙鯨可能下潛1英里或更深以獵食魷魚和其他魚類。藉由鯨魚和其他深層潛水動物,例如海象和威德爾海豹在深海捕食但常在表層水域排洩的過程,成了為植物運輸養分的傳送門。喬‧羅門(Joe Roman)和詹姆斯·麥卡錫(James McCarthy)把這個過程命名為「鯨魚泵」。

鯨魚糞便使遠洋也能降下營養的海洋雪。

在緬因灣內,估計鯨魚和海豹的糞便每年可能提供了23,600噸的氮給浮游植物,超過所有的河流的加總,和來自陸地的氮來源總量大致相同,但是低於從大氣中沈降的氮量。

在南極,鯨魚糞便更顯重要。南極缺乏鐵質的表層水域,限制了浮游植物的生長。磷蝦靠著吃這些微小的浮游植物蓄積鐵質並儲存在體內,用掉了整個透光帶近1/4的鐵質。

南極的一切生物都吃磷蝦,而鯨魚是主要的消費者。

每隻鯨魚一天可以吃掉好幾噸磷蝦,但是鯨魚會將大部分鐵質隨糞便排出,其中的鐵濃度高達周圍水域的1000萬倍。鯨魚,可能還有其他便便的主人們,如海豹、海獅和海鳥,藉由提供鐵質,滋養了整個生態系統。

在緬因灣和南極的研究指出,鯨魚泵對餵養初級生產者或完成鐵循環至關重要,然而這是在狩獵造成鯨魚族群數量下降,和工業時代的空氣污染提供了大量大氣中的氮之前。

不受歡迎的人類便便

近幾世紀的鯨魚數量正好與人口成反比,導致海洋中的鯨魚糞便變得少見,更多的是人類糞便。

舉例來說,南半球藍鯨的數量在上個世紀下降了99%,從約32萬7000隻下降到1180隻。

上世紀的南半球藍鯨數量下降了99%。

在此同時,人口總數卻已從1900年的16億飆升到超過70億,而且預計到2050年將達到90億。

人口數量從16億飆升到70億。

疾病會透過透過直接接觸糞便或受污染的水源散播。這些疾病包括了腸胃炎、傷寒、副傷寒、沙門氏菌感染、霍亂、腦膜炎、肝炎、腦炎、痢疾、阿米巴痢疾、賈第蟲病和如蛔蟲一類的寄生蟲感染。

在大部分的人類歷史中,由於人類社群如此之小,糞便只是討人厭東西,有時候帶來區域性地疾病或寄生蟲,但同時也提供作物肥料。但隨著人口增加,糞便帶來的髒污、臭味和疾病也隨之增加,更多糞便進入水井、湖泊、溪流和河流當中,影響環境和人體健康。上個世紀人口爆炸性成長,遠遠超過了我們處理排泄物的能力。

沿海遷移人口的增加和快速城市化讓沿岸海洋棲地承受的壓力加劇。

舉例來說,美國麻薩諸塞州的波士頓,直到1877年都未興建污水系統。1884年完工的系統只是將18個城鎮的污水收集起來,送到波士頓港的月亮島,然後隨著潮汐排出!

人類史上第一個處理糞便的污水處理廠建於1952年,但未經處理的污水仍持續排出直到1997年。而直到1995年,人們才停止將污泥傾倒進波士頓港的行為。

幾乎每天有上百萬加侖的二次處理廢水被排入海港。然而,和多數的「老」城市一樣,波士頓有個「合流式」下水道系統,收集污水和雨水。當雨量超過約1/2英寸時,污水流量就會超過處理廠極限。

直到今日,水量過多時,主流仍直接跳過處理廠,將未經處理的污水直接排進海港。在世界各地的城市都有類似或更糟的故事,尤其那些比波士頓龐大古老的城市。

海洋中有多少人類糞便?

計算全球人類糞便總量很困難。依據每個人的性別、體型、飲食、排便頻率、健康狀態及其他因素,會排出不同的量。

大多數研究估計日排量約為3~8盎司,其中攝取大量纖維的人們排出的量較高。糞便含有50%至75%的水,其餘約有30%是細菌,30%是未消化的食物和纖維,10~20%的脂肪,10%的無機物質和幾個百分比的蛋白質。細菌是腸道微生物聚落的常態居民,能消化食物並在許多其他方面幫助我們。

假設每人每天排出5盎司糞便是由約1.25盎司的固體物質和3.75盎司的水所組成,用這個粗略均值計算,每日全球負擔將會是258,431公噸的固體和808,766公升的液體。當然,人們也會排尿,平均每天1~2公升(算是1.5公升好了),因此,還要加上近110億公升會被排放到環境中的液體(其他的估計看這裡)。

便便發生了什麼事?

世界上14%人口(超過10億人)完全沒有衛生設施,直接在戶外排便,這些情況主要集中在印度、印尼、中國、衣索比亞、巴基斯坦、奈及利亞,蘇丹、尼泊爾、巴西、尼日和和孟加拉。豬、狗和其他食腐動物可能會吃這些糞便,而蒼蠅會消耗剩下的。在人煙稀少的地區,患病個體的便溺可能會被沖入井、水潭、湖泊、溪流或河流中,將疾病傳播給這些地區飲用或接觸這些水的人。

沒有隔間的馬桶。圖片來源:ke jiun-yau

11%的人口使用著「待改善」的衛生設施,例如:「傾倒式沖水」(用戶自行倒水進去)廁所、沒有蹲板或坐墊的坑式廁所、便桶、或者便溺直接排入下方水域的廁所。另外11%的人口則是家裡沒有廁所,必須和2個以上家庭共用衛生設施或使用公共設施。而共用設施,並不計入世界衛生組織和聯合國兒童基金會的「改善」數據當中。

最後,64%的人口得以使用「改良」的衛生設施,包括有專用管道連往污水處理系統的抽水馬桶、化糞池、沖往隔離坑式廁所的傾倒式沖水馬桶、通風改良的坑式廁所、還有以蹲板或坐墊覆蓋的坑式廁所或堆肥廁所。

分佈情形極不均勻,99%已開發國家的的人口擁有改良衛生設施,而發展中地區的人口只有52%這麼幸運。使用改良衛生設施的世界人口比例從1990年的49%增加到2012年的64%,但千禧年發展目標(7C)的75%覆蓋率看來仍不太可能在在2015年的目標日期前達到,因為還有25億人仍然缺乏這些設施。

污水怎麼處理?

改善衛生條件可以減少直接接觸糞便的機會,分離污水與飲用水,減少糞便散播疾病的機會,但並不一定利於環境。

未納入下水道系統之事業廢水放流口。圖片來源:環保署

改善衛生設施的最佳解決方案是,擁有專用管道連結到污水處理廠的抽水馬桶。污水處理廠處理過的污水還是得排放出去,像波士頓這樣位於河流或海岸地區的城鎮,通常將這些處理過的污水排入河川或大海。

90%的污水成分是水,因為下水道收集了來自浴缸、淋浴、洗碗、沖馬桶和許多商業及工業用途而來的水,污水處理廠也被設計成可以應付這麼大量的污水。

污水處理系統排出的可能是未經處理(原始)的污水;大致過篩或經過沉澱的污水(一級處理);過篩並除去油脂且經細菌和其他微生物消化的污水(二級處理);或者是過篩、沉澱、消化過並經進一步處理去除氮和/或磷的污水(三級處理)。

三級處理利用細菌將氨轉換成無害的氮氣以去除氮;利用特殊細菌的生物蓄積能力或讓磷與鋁或鐵凝結後沉澱過濾以去除磷。三級處理也可以透過讓污水流過沼澤或蘆葦叢達成,裡面的植物會消耗污水中所含的養分。

釋放未處理的或僅做初級處理的污水會危害排水口附近的生物群聚,因為其中含有大量惡臭不堪的有機物質,會扼殺附近的海底並在細菌分解有機物質時消耗水中氧氣。這些污水中的病原體可能危害人類、經濟魚貝類及其他海洋生物。

初級處理可以氯化處理以殺死病原體,但氯氣會與大量的有機物反應形成可能有害的氯化碳氫化合物。

二級處理後的污水幾乎都經氯、臭氧或紫外線消毒,消滅了大多數微生物,但病毒仍能存活,且仍然包含了所有人類排出的營養物質,包括氮、磷、鐵和處理廠使用的其他元素。過多的營養物質促使藻類和浮游植物大量滋生,降低水質,堵塞漁民的漁網,衝擊漁業和海水養殖業,並助長赤潮發生。當植物死亡,細菌分解它們,耗盡水中溶解的氧,需要氧氣的海洋生物無法生存的「死區」便出現了。

三級處理保護了人類,因為它經過消毒去除病原體;同時也保護了環境,因為它移除了引起水質優養化和藻類過度生長的營養物質。然而,對於大多數處理廠來說,這個處理過程通常被認為太過昂貴。

在此同時,人類糞便問題成長遠比解決方案的發展快上許多,尤其是海洋。世界上有一半人口生活在距離海岸60公里內,而3/4的大城市位於海岸地區,全球15個超級城市中有11個位在海岸地區,每個都有超過1000萬的居民,未來10年內還會再增加數百萬市民。到了2025年全球預計將有35個超級城市。

人類的糞便並不是上述所有問題的唯一原因,因為污水中還含有丟棄的食物、寵物便溺和一些工業廢水。此外,農田的肥料和高密度養殖場污水與城市廢水匯流,這些都是造成許多河流與海洋交匯死區的肇因。要保持人類健康並恢復海洋健康有許多工作要做,但對於近海來說,解決人類糞便問題是最重要的一個。