石油在海面上的氧化和分解需要大量的氧气。据统计，1升石油完全氧化达到无害程度，大约需要4万升的溶解氧。造成海洋中氧减少，二氧化碳的相对增多，以及进入海水中的太阳光减少，使海洋中大量藻类和微生物死亡，厌氧生物大量繁衍，海洋生态系统的食物链遭到破坏，从而导致整个海洋生态系统的失衡。石油泄漏到海面，几小时后，便会发生光化学反应，生成醌、酮、醇、酚、酸和硫的氧化物等，对海洋生物有很大的危害；海水含油量在0.1毫克/升时，孵出的鱼苗大都有缺陷，海洋石油污染使石油黏附在鱼卵和鱼鳃上，使鱼类大量死亡；许多海鸟也因为翅膀黏附石油而不能飞行或在海中浮游以及食用被石油污染的鱼虾而生病死亡。由于向海洋排放的含有污油废水的比重大于海水，以及泄漏后的石油滴会黏附在海洋悬浮的微粒上沉落海底，这些有毒物质常常沿海底流动，污染了海底的底质和生物等，使生物大量死亡，破坏了海洋的生物多样性。海洋一旦遭到油污，后患将持续几十年。1991年海湾战争期间泄漏入海洋的石油数量高达150.7万吨，使当地沿岸生态遭受毁灭性破坏，生态恢复至少需要100年时间。
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