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湖泊藍(lán)藻暴發(fā)的機(jī)制與防治
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湖泊藍(lán)藻暴發(fā)的機(jī)制與防治
李波
重慶市水產(chǎn)科學(xué)研究所，重慶 400020
摘要：近年來，藍(lán)藻在我國多個重要淡水湖泊頻頻暴發(fā)導(dǎo)致水環(huán)境進(jìn)一步惡化。藍(lán)藻暴發(fā)是湖泊富營養(yǎng)化之后生態(tài)系統(tǒng)的一種異常響應(yīng)，其發(fā)生的原因與氣候、湖泊營養(yǎng)條件如氮、磷濃度及其氮、磷比值等因素有重要關(guān)系，并與藍(lán)藻自身的生理特性有密切關(guān)系。部分藍(lán)藻種類由于其獨特的生理特性，在對光照和營養(yǎng)鹽的競爭中處于優(yōu)勢地位，導(dǎo)致其在特定條件下暴發(fā)性生長而形成“水華”。對于湖泊富營養(yǎng)化的治理與控制應(yīng)以源頭控制為主，對于暴發(fā)性生長的藍(lán)藻可以采用物理化學(xué)、機(jī)械和生物的辦法進(jìn)行治理。
關(guān)鍵詞：藍(lán)藻；富營養(yǎng)化；水華；治理
水資源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，但近年來，我國的江河、湖泊及近海海域的氮磷污染呈加重趨勢，內(nèi)陸主要湖泊的水體富營養(yǎng)化程度加深。水土富營養(yǎng)化導(dǎo)致部分藻類以及其他水生生物大量繁殖，造成水土透明度下降，產(chǎn)生異味，水體功能遭到破壞。藍(lán)藻暴發(fā)發(fā)生次數(shù)、發(fā)生的規(guī)模及危害有逐年加大的趨勢，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的生活帶來了嚴(yán)重的影響。現(xiàn)今全國許多湖泊，水庫已經(jīng)進(jìn)入富營養(yǎng)化，甚至嚴(yán)重富營養(yǎng)化狀態(tài)，如滇池、太湖、巢湖等。據(jù)統(tǒng)計，目前我國已有60 %的水體發(fā)生了富營養(yǎng)化,超出了國際平均水平[1] ，其中包括長江的三峽庫區(qū)[2]。2007年太湖、滇池以及巢湖藍(lán)藻暴發(fā)進(jìn)一步引起了人們對水體富營養(yǎng)化的關(guān)注。因此，治理富營養(yǎng)化水體，防治水華，恢復(fù)水體的綜合功能，已成為當(dāng)前水環(huán)境與水資源保護(hù)研究的中心問題之一。
1、水華發(fā)生的機(jī)理
水華又稱“水花”或“藻花”，是當(dāng)水體處于富營養(yǎng)狀態(tài)時，只要具備適當(dāng)?shù)臏囟?、光照、風(fēng)浪懸浮等有利于藻類滋生的氣象、水文等自然地理條件,就能促使淡水水體中某些藍(lán)藻類過度生長繁殖或聚集并達(dá)到一定濃度，引起水體顏色變化，并在水面上形成或薄或厚的綠色或者其他顏色的藻類的漂浮物的現(xiàn)象[3]。水華的暴發(fā)也是水體富營養(yǎng)化特征之一。
（1）營養(yǎng)物質(zhì)對水華形成的影響。
水華的發(fā)生首先是水體中的營養(yǎng)物質(zhì)（如氮、磷等）過量增加，致使水體達(dá)到富營養(yǎng)狀態(tài)，這是水華發(fā)生的最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。不同的國家和不同的學(xué)者對于水體中的營養(yǎng)物質(zhì)達(dá)到富營養(yǎng)化水平的量也提出了不同的標(biāo)準(zhǔn)[4,5]。
緩流水體中的自養(yǎng)型生物主要是藻類，通過光合作用以太陽光能和無機(jī)物合成本身的原生質(zhì)[6,7,8]。Stumn 提出了藻類的“經(jīng)驗分子式”為：C106H263O110N16P1 [9,10]。
106CO 2 + 16NO3- + HPO42- + 122H2O + 18H+ + 能量 + 微量元素→C106H263O110N16P1 + 138O2
由該經(jīng)驗反應(yīng)可知，無機(jī)的氮、磷是藻類繁殖的控制因素，尤其是磷的作用更為突出。美國EPA建議總磷濃度0.025mg/L和正磷酸鹽濃度 0.05mg/L是湖泊和水庫的磷濃度的上限。除氮、磷營養(yǎng)鹽的濃度外，氮、磷比值與藍(lán)藻暴發(fā)具有密切關(guān)系。臨界的氮磷比按元素計應(yīng)為16 : 41，按重量計應(yīng)為7.2 : 1。
（2）微量元素對水華的影響。
鐵、鉬等微量元素是藍(lán)藻光合作用和固氮過程中的必須元素，可以單獨，或是與氮或磷共同限制藻類的增長，尤其是在以藍(lán)藻為主的湖泊水體[11]。
Martin 等[12]發(fā)現(xiàn)在太平洋某些區(qū)域的表層海水中含有較高的磷鹽和硝酸鹽，但藻類的生長量卻很低，在向試驗海域施放鐵以后，科學(xué)家們測量到葉綠素水平有了明顯的提高。在藍(lán)藻固氮的過程中，所需要的鐵量是其他藻類按相同速率增長的10倍。當(dāng)鐵濃度在0.1～1.0mg/L時，藻類群落開始從綠藻向藍(lán)藻演替。
鉬元素是固氮酶的重要輔因子，是藻類固氮必不可少的營養(yǎng)元素，Goldman首次發(fā)現(xiàn)鉬在一年內(nèi)的某些時段限制藻類的增長，從而開創(chuàng)了微量元素對藻類增長限制影響的研究和應(yīng)用。
（3）水體中營養(yǎng)物的內(nèi)循環(huán)與水華形成的關(guān)系。
營養(yǎng)物在水體中的內(nèi)循環(huán)、營養(yǎng)物與底泥沉積物的相互關(guān)系對藻類生長也有重要影響。當(dāng)外源營養(yǎng)物切斷后，底泥中營養(yǎng)物的釋放對藻類的增長有著重要的影響，尤其是淺水湖泊，底泥營養(yǎng)物是提高藍(lán)藻水華的主要營養(yǎng)源。夏季水溫升高使湖泊底部趨于厭氧，氧化還原電位急劇下降、表層底泥的還原狀態(tài)，促使儲藏在底泥中的營養(yǎng)物質(zhì)以還原態(tài)釋放出來，加入水體中營養(yǎng)的循環(huán)。例如，沉積在底泥中的磷酸鐵就會溶解成二價鐵和磷酸根，有機(jī)磷可能作為在厭氧微生物的作用下，發(fā)生C-P鍵的斷裂，被還原生成磷化氫吸附于沉積物中，在一定條件下，不斷向水體釋放。在太湖沉積物中可檢測到磷化氫的含量為826ng/kg，超過了富營養(yǎng)化湖泊磷濃度均值[13]。6～7月份水華暴發(fā)季節(jié)，太湖水體、沉積物及水體上空大氣中磷化氫平均濃度比其他月份高出幾到幾十倍。沉積物中磷化氫由湖下層遷移至氧化還原電位高的表層水面后，在陽光照射下，極易被氧化成次磷酸鹽、亞磷酸鹽和磷酸鹽。
由于水中的營養(yǎng)素被水生生物吸收后成為其機(jī)體的一部分，水生生物死后營養(yǎng)素又重新回到水體中再次被利用，從而形成營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)。因此，已經(jīng)形成富營養(yǎng)化的水體即使切斷了外源污染，也很難恢復(fù)。
2、形成水華的藻類種類
形成水華的生物主要是藍(lán)藻門的藻類。常見的水華，按優(yōu)勢種類可以分為15個基本類型，包括隱藻水華、膝口藻水華、裸甲藻水華、角藻水華、顫藻或席藻水華、魚腥藻或擬魚腥藻水華、微囊藻水華、尖頭藻水華、微型藍(lán)球藻類水華、團(tuán)藻目水華、綠球藻目水華、裸藻水華、囊裸藻水華、硅藻水華、金藻水華[14]。其中一個重要的優(yōu)勢類群是微囊藻（Microcystis），它也是世界各國湖泊中分布廣、規(guī)模大、持續(xù)時間長的一類水華藍(lán)藻。引起微囊藻水華暴發(fā)的成因很多，主要的影響因子有結(jié)構(gòu)組成和生理節(jié)律等內(nèi)因子以及外界環(huán)境中的生態(tài)因子。微囊藻死后可分解產(chǎn)生羥胺、硫化氫、甲烷和微囊藻毒素等有毒物質(zhì)，這些有毒物質(zhì)和毒素對其他水生生物造成不同程度的損害效應(yīng)，這樣即使有些魚和蚤類可以以微囊藻為食，也可能因中毒而致死。因此，這一代謝機(jī)制使微囊藻易于在水生生態(tài)系統(tǒng)的種間競爭中取勝，也獲得了關(guān)闊的增值空間。
由于不同門類的水華藻類所含的光合作用色素不同，所以，它們引起的水色變化和在水面形成的漂浮物的顏色也有所不同，如微囊藻等一些藍(lán)藻門的種類所含的光合色素為葉綠素a和藻膽素，它們形成的水華漂浮物和水的顏色多為藍(lán)綠色；綠藻門中的衣藻所含的光合色素為葉綠素a和b，它所形成的水華漂浮物常為綠色或黃綠色；硅藻門中的藻類如小環(huán)藻等含有葉綠素a和c，還含有較多的墨角藻黃素等褐色素，它們形成的水華常為黃褐色等。在一個水體中形成的水華藻類種類有的可能是1~2種至幾種，也可能是多種，但其中最占優(yōu)勢的種類常為1~2種。水華形成的顏色就是由其中占最大優(yōu)勢的藻類的顏色所決定的[15]。
3、水華的危害
（1）危害水域生態(tài)環(huán)境中棲息生物的生存與發(fā)展。
在湖泊、水庫和池塘中，浮游藻類的大量繁殖且在水面高度密集，其危害在于：密集的浮游藻類阻擋了陽光的光線透射，底棲的水生植物因得不到充足的太陽能使其光合速率降低，減少了光合產(chǎn)物的產(chǎn)量，進(jìn)而影響其正常的生長發(fā)育，同時還因其強(qiáng)烈吸收可見光的短波部分使水溫升高影響了對水溫敏感的生物種群的生存。水華藻藻體死亡后腐敗，使水體中生化需氧量激增，急劇降低了水體的溶解氧含量，造成水體嚴(yán)重缺氧，進(jìn)而導(dǎo)致魚類浮頭，直至死亡。浮游藻類分泌粘液到水體中吸附在魚鰓上，會導(dǎo)致鰓絲氣體交換發(fā)生障礙，最終魚類因缺氧而死亡，或釋放毒素如水華魚腥藻的α-變性毒素[16]、微囊藻毒素，導(dǎo)致水生浮游動物和魚類以及水生植物因缺氧或中毒而死亡，其最終結(jié)果就是既降低了水生群落的生物多樣性，又造成經(jīng)濟(jì)損失。
（2）破壞水域生態(tài)景觀。
浮游藻類的大量繁殖往往密集在水面形成一層薄皮或泡沫，水體顏色變綠，加之死亡的浮游生物和魚類漂浮在其中，不僅使原來干凈、清澈、透明的水體變得色澤混雜，浮游藻類死亡后沉入水底并堆積使水體變淺，加速了湖泊水庫的沼澤進(jìn)程，破壞了原有的生態(tài)景觀;還不斷發(fā)出魚蝦腐爛分解時令人厭惡的硫化氫臭味和浮游藻類的魚腥味，大大降低了景觀的使用價值，影響旅游業(yè)的發(fā)展。
（3）威脅人類身體健康。
位于江河上游的湖泊、水庫等大型水體若發(fā)生有害水華，浮游藻類釋放的毒素和死亡的浮游生物污染了水源，導(dǎo)致水質(zhì)下降，影響下游城鄉(xiāng)居民的生活用水質(zhì)量，造成用水不便與困難；浮游藻類產(chǎn)生的毒素還可以在魚蝦體內(nèi)存留和富集，通過生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈對人類的身體健康造成潛在的威脅。如銅綠微囊藻產(chǎn)生的微囊藻毒素對小白鼠2～2.5 h的半致死劑量為9.9 g/kg·體重[17]，該毒素是一種分子量為1300～2600，且不易為蛋白酶分解的環(huán)狀七肽肝毒素[16]，能一方面提高乳酸脫氫酶( LDH)釋放率和自由基(ROS)的釋放率[18]；另一方面能抑制蛋白磷酸化酶1和2的活性，打破蛋白磷酸化/脫磷酸化的平衡，造成肝損傷或壞死[19]。最新研究表明，它還是一種強(qiáng)烈的促癌劑，長期飲用含有該毒素的水可引發(fā)肝癌[20]。另外，浮游藻類的生命活動會產(chǎn)生亞硝酸鹽類致癌物質(zhì)，也可使水體pH值升高促進(jìn)霍亂弧菌的生長與繁殖，危害人體健康[21]。
4、水華的防控和治理
（1）水華發(fā)生的預(yù)防。
防治湖泊水華發(fā)生的關(guān)鍵是防止水體富營養(yǎng)化，措施包括控制流域上的各種外源氮、磷營養(yǎng)負(fù)荷輸入以及湖泊沉積物釋放所產(chǎn)生的內(nèi)源氮、磷營養(yǎng)負(fù)荷。
外源氮、磷營養(yǎng)元素輸入主要有兩種途徑，一是污水排放帶來的氮、磷元素，二是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中氮、磷營養(yǎng)元素流失進(jìn)入湖泊。隨著點源污染排放的控制，面源污染越來越成為水體營養(yǎng)鹽的主要來源。有數(shù)據(jù)認(rèn)為農(nóng)業(yè)面源污染占河流和湖泊營養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷總量的60%～80%，在歐洲發(fā)達(dá)國家的地表水中，農(nóng)業(yè)排磷所占的污染負(fù)荷比為24%～71%。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分流失是水體中硝酸鹽的主要來源，同時還是磷的第二大來源，我國每年土壤流失量達(dá)50億t，帶走的氮、磷、鉀及微量元素等養(yǎng)分相當(dāng)于全國一年的化肥使用總量，其中相當(dāng)一部分進(jìn)入了水體中。
對于外源氮、磷等營養(yǎng)元素輸入湖泊的控制，一方面要強(qiáng)化污水處理設(shè)施的除磷控制效果，引進(jìn)新的除磷工藝，最大限度降低城市生活及工業(yè)廢水排放帶來的氮、磷負(fù)荷，另一方面對農(nóng)業(yè)面源污染可以根據(jù)其特點采取針對性的措施減輕其危害。水體富營養(yǎng)化中的農(nóng)業(yè)面源污染可以采用“控源節(jié)流”方法進(jìn)行治理，“控源”即科學(xué)合理施肥，也就是平衡農(nóng)田中的養(yǎng)分，使其輸入與輸出基本一致，減少營養(yǎng)物質(zhì)的積累量與流失量?！肮?jié)流”即對水土流失進(jìn)行控制，減少營養(yǎng)物質(zhì)流失量。除了以上兩個方面外，還必須對流域進(jìn)行全面規(guī)劃，科學(xué)管理，從而達(dá)到綜合治理農(nóng)業(yè)面源污染的目的。
在淺水的富營養(yǎng)化湖泊中，要恢復(fù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)良好功能，內(nèi)源營養(yǎng)鹽負(fù)荷控制是另一個關(guān)鍵?？刂苾?nèi)源釋放的物理化學(xué)方法、物理機(jī)械方法和生物方法。物理化學(xué)方法包括沉積物氧化、化學(xué)沉淀、底泥覆蓋等, 使底泥處于氧化狀態(tài)或增加沉積物對磷的束縛能力或在沉積物表面形成覆蓋層, 從而抑制內(nèi)源磷的釋放。物理機(jī)械方法包括引水沖刷和底泥疏浚。引水沖刷是減少和稀釋湖泊水體營養(yǎng)物質(zhì)的有效方法。2007年太湖突發(fā)性藍(lán)藻暴發(fā)的臨時控制措施就采用了該方法。但由于會排放出營養(yǎng)鹽含量高的湖水，將加重下游受納水域的污染，因此，是治標(biāo)不治本的臨時性方法[22]。
底泥疏浚也是降低富營養(yǎng)化湖泊內(nèi)源氮、磷負(fù)荷的一種重要措施。適當(dāng)?shù)氖杩？稍诙唐趦?nèi)改善水質(zhì)，但長期結(jié)果表明疏浚底泥不是控制湖泊富營養(yǎng)化的充分必要條件[23]。生物法對于減輕湖泊富營養(yǎng)化也有一定作用，在小型湖泊中加入微生物制劑后，水中的溶氧（DO）大幅增加，而COD、總氮、總磷等則明顯降低。
（2）微生物在藍(lán)藻暴發(fā)后的應(yīng)急治理中的作用。
除藻方法有工程物理方法、化學(xué)藥劑法和生物方法三大類。在藻類暴發(fā)后采用人工撈藻或投加硫酸銅等化學(xué)藥劑可以在一定程度上降低水華危害，改善水體表觀性狀。但作為龐大的富營養(yǎng)化湖泊的藻類控制技術(shù)，利用工程物理方法和化學(xué)藥劑法顯然是行不通的，而且化學(xué)藥劑會帶來二次污染，因此，對環(huán)境友好的生物控藻技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。
在利用生物控藻上，目前主要有三個方面，一是以魚類控制藻類的生長；二是以水生高等植物控制水體富營養(yǎng)鹽及藻類；三是以微生物來控制藻類的生長。微生物由于其繁殖快的特點，使得微生物控藻成為生物控藻里最有前途的一種控藻方式。某些細(xì)菌能夠抑制藻細(xì)胞生長，甚至有裂解藻細(xì)胞之功效。石苗等[24]從滇池藻類中分離到一株根瘤菌屬的細(xì)菌G2，該菌能夠分泌一種耐高溫的裂解水華魚腥藻的物質(zhì)，這為研制菌劑治理水華提供了重要的信息。部分真菌對水華中的藍(lán)藻有裂解作用，如一種翅孢殼屬的真菌，據(jù)報道能裂解藍(lán)藻，這可能是與其產(chǎn)生頭孢類菌素有密切關(guān)系，通過其產(chǎn)生這種抗生素對這類藍(lán)藻起殺滅作用。藻病毒有可能成為治理水華的有效方法。如一種赤潮異彎藻病毒（hetero-sigma akashiwo virus，HaV）01株，能專一性感染這種赤藻類，有利于清除它，其優(yōu)點還有：除專一性攻擊靶目標(biāo)水華之外，其他浮游植物不受影響。這樣，有可能將其研制成滅藻藻病毒制劑，由于該病毒復(fù)制速度快，研制制劑費用相對較低，可滿足規(guī)模生產(chǎn)。
結(jié)語
湖泊富營養(yǎng)化在中國已是一個突出的環(huán)境問題，中國的湖泊環(huán)境非常脆弱，主要表現(xiàn)在湖泊中營養(yǎng)鹽背景濃度異常高、營養(yǎng)鹽來源多、湖泊富營養(yǎng)化進(jìn)展迅速以及許多城市湖泊已處于富營養(yǎng)狀態(tài)。因此必須采取措施進(jìn)行預(yù)防和綜合治理，以降低危害，減緩湖泊富營養(yǎng)化進(jìn)程甚至使水質(zhì)趨向好轉(zhuǎn)。湖泊富營養(yǎng)化治理，控制污染物進(jìn)入水體是最基本和最優(yōu)先的環(huán)節(jié)。由于各個湖泊類型不同，因此，各種治理的技術(shù)應(yīng)該結(jié)合具體的情況來實施。
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來源:《江蘇科技信息》2007年07期
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