藍藻水華暴發(fā)機制

1、教師姓名：劉 斌 學 院：城市建設與環(huán)境工程學院 專 業(yè)：環(huán)境工程 小組成員：羅華瑞 賈如雪 劉孟秋 陳怡汀 闞世豪 梁麗媛 陳溆東 楊 立 鐘凱文 中國重慶 重慶大學 城環(huán)學院二一七年六月摘要：本文旨在介紹以太湖為例的藍藻水華的爆發(fā)機制及控制對策。文章簡述了藍藻的構成及對藍藻水華的定義；從內(nèi)外兩個方面深入探討引起藍藻爆發(fā)的原因；詳述了如何以控污截源、生態(tài)修復、流域管理等手段控制藍藻水華的持續(xù)爆發(fā)；并概括了藍藻水華對當?shù)厮鷳B(tài)系統(tǒng)帶來的危害及如何有效利用藍藻水華。關鍵詞：太湖，藍藻水華，爆發(fā)機制，控制對策Abstract: This paper aims to introduce the cy

2、anobacteria outbreak mechanism and control countermeasures of Tai Lake, for example. This paper briefly describes the composition of the cyanobacteria, as well as the definition of cyanobacteria and water bloom. Then, detailedly discusses the causes of cyanobacteria outbreak mechanism from the insid

3、e and outside; detailing the methods to utilize the measures of control pollution and stop the source, ecological restoration as well as river basin management to control the cyanobacteria outbreak; moreover, summarizing the harm for the local aquatic ecosystems due to cyanobacteria and water bloom,

4、 as well as the methods to effectively utilize cyanobacteria and water bloom.Keywords: Tai Lake, cyanobacteria and water bloom, outbreak mechanism, control countermeasures.1. 藍藻1.1基本特征1）細胞壁由纖維素（內(nèi)層）和果膠質(zhì)（外層）組成，細胞外有的具膠被或膠鞘。2）無色素體，色素均勻地散在細胞周圍的原生質(zhì)內(nèi)。色素成分主要為葉 綠素a、胡蘿卜素、藻膽素。 藻膽素是藍藻的特征色素，包括藍藻藻藍素（c-phycocyanin

5、, C34H47N4O8）、藍藻藻紅素(c-phycoerythrin, C34H42N4O9) 和別藻藍素(Allophycocyanin)等。3）無細胞核，只具核質(zhì)而無核仁和核膜。屬原核生物，稱為藍細菌（Cyanobacteria）4）同化產(chǎn)物主要是藍藻淀粉(Cyanophycean starch)。1.2繁殖方式主要為營養(yǎng)繁殖和孢子繁殖，未發(fā)現(xiàn)有性繁殖，可產(chǎn)生的孢子有：內(nèi)生孢子、外生孢子、厚壁孢子（休眠孢子）、藻殖孢。營養(yǎng)繁殖常見為細胞分裂，特殊為藻殖孢繁殖。（1）段殖體是藍藻藻絲上兩個營養(yǎng)細胞間生出的膠質(zhì)隔片(凹面體)或由間生異形胞斷開后形成的若干短的藻絲分段，又稱藻殖段或連鎖體。 圖

6、1 繁殖方式圖（2）厚壁孢子系由普通營養(yǎng)細胞增大體積，積累豐富營養(yǎng)，然后細胞壁增厚而成。厚壁孢子有極強的生命活力，能在不利環(huán)境條件下長期休眠。（3）異形胞是絲狀藍藻類(除了顫藻目以外)產(chǎn)生的一種與繁殖有關的特別類型的細胞，它是由營養(yǎng)細胞特化而成的。具有異形胞的藍藻能固氮，當水中氮缺乏時，異形胞的數(shù)目顯著增加。2. 藍藻水華藍藻水華指淡水水體中藍藻大量繁殖的一種自然生態(tài)現(xiàn)象，是水體富營養(yǎng)化的一種特征，主要由于生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中含有大量氮、磷的廢污水進入水體后，藍藻大量繁殖后使水體呈現(xiàn)綠色的一種現(xiàn)象。3. 藍藻水華的暴發(fā)機制與控制對策-太湖3.1太湖概況太湖是我國第三大淡水湖，同時也是個淺水湖泊，

7、面積2338km2，平均水深1.9 m。太湖又是我國最大的存在嚴重藍藻水華的湖泊，是國務院指定重點治理的富營養(yǎng)化水域之一。如圖1所示，太湖位于我國人口密集、經(jīng)濟發(fā)達的長江三角洲地區(qū)，太湖流域行政區(qū)劃分屬江蘇、浙江、上海和安徽三省一市，流域總面積36895 km2，其中在江蘇和浙江兩省的區(qū)域占據(jù)了流域總面積的85.4%。太湖流域猶如巨大的引擎，推動著長江三角洲經(jīng)濟的騰飛和社會的進步。但由于長江三角洲地區(qū)經(jīng)濟多年來的高速發(fā)展，導致太湖沿岸生活污水和工業(yè)廢水排放量猛增，畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)田肥料使用等造成的非點源污染面積不斷擴大，加快了太湖流域水體富營養(yǎng)化進程，致使藻類頻發(fā)，飲用水安全受到嚴重威脅.空間分布

8、西部沿岸發(fā)生藍藻水華概率最大，其它湖區(qū)依次為大太湖、梅梁灣、南岸沿岸、竺山湖和貢湖。各湖區(qū)中藍藻水華發(fā)生級別由高到低基本上沿襲北東南方向分布。 圖2 太湖區(qū)域位置示意圖 圖3 太湖分區(qū)3.2藍藻水華暴發(fā)模式太湖藍藻水華的“暴發(fā)”實際經(jīng)歷了4個階段. 第一階段是藍藻細胞增殖階段: 在適宜的溫度、光照和營養(yǎng)鹽條件下, 藍藻單細胞通過分裂與增殖從發(fā)育成小的多細胞群體, 而小細胞團的形成很可能是外部環(huán)境脅迫下胞外多糖分泌產(chǎn)生的粘合作用的結果. 第二階段是藍藻細胞團形成階段: 水柱中具有一定生物量基礎的藍藻顆粒(或藍藻小細胞團)在風浪擾動下發(fā)生碰撞, 在短時間內(nèi)快速形成大細胞群體; 這樣的過程可能會重復

9、多次, 并隨著風速的變化再現(xiàn)多階段和間歇性的發(fā)展. 第三階段是藍藻細胞團上浮階段: 水柱中的藍藻生物量積累至一定程度, 且大群體細胞團占多數(shù); 同時, 風速小于細胞(團)上浮的臨界風速(<3m/s)條件下藍藻細胞團快速向水面聚集. 在聚集過程中, 細胞群體碰撞幾率增加, 較小體量的細胞團更容易粘合形成更大的群體從而加速藍藻水華的出現(xiàn).第四階段是藍藻水華暴發(fā)階段: 漂浮在水面上的藍藻華在湖流的輻合或輻散作用下, 發(fā)生水平方向的漂移和聚集, 最終呈現(xiàn)藍藻水華“暴發(fā)”的態(tài)勢.圖4太湖藍藻水華“暴發(fā)”的概念性解釋框圖. (a) 藍藻細胞分裂增殖; (b) 碰撞形成大細胞團; (c) 大細胞團上浮

10、形成可見水華; (d) 湖流攜帶的遷移與堆積3.3藍藻水華發(fā)生的內(nèi)外因素人們認為富營養(yǎng)化主要是內(nèi)、外因相互作用的結果.導致水體富營養(yǎng)化的因素主要有:3.3.1外因營養(yǎng)物質(zhì)的過度增加，總氮和總磷分別超過0.5和0.02mg /L，就會有水華爆發(fā)的隱患; 大氣沉降對太湖氮、磷濃度的增加也產(chǎn)生了很大的影響。太湖每年總氮（TN） 、總磷（TP）的平均沉降率分別為2.0 tkm-2year-1和0.03 t km-2year-1。太湖每年通過濕沉降獲得的TN和TP的總量分別為7500 t和4720 t，占到每年由進湖河流中TN和TP中輸入量的7.3%和16.5%。濕沉降，特別是對于氮元素來說，對太湖的富

11、營養(yǎng)化已經(jīng)產(chǎn)生了顯著的影響。而大氣TP污染則主要來自氣溶膠等固體物質(zhì)的干沉降，TN總沉降率曲線在春季35月出現(xiàn)高峰值的現(xiàn)象對太湖水體的富營養(yǎng)化具有潛在的促進影響，研究表明，太湖水域內(nèi)TN和TP的濃度與沉降量之間呈現(xiàn)一種反線性函數(shù)關系，小雨攜帶入湖的大氣TN、TP污染物通量高于中雨和大雨。降雨中TP最大濃度出現(xiàn)在蘇州，TN最大濃度出現(xiàn)在無錫，而二者的最大是沉降率都出現(xiàn)在蘇州。這就證明了大氣中的營養(yǎng)成分大多數(shù)來自太湖的東部和西北部地區(qū)。太湖富營養(yǎng)化因子來自太湖水體多年來形成的沉積物。沉積物是湖泊營養(yǎng)物質(zhì)地球化學循環(huán)的重要環(huán)節(jié)與界面。營養(yǎng)物質(zhì)在水/沉積物界面的地球化學行為對湖泊，尤其是淺水湖泊的水環(huán)

12、境與生態(tài)系統(tǒng)有著極為重要的影響11。太湖中沉積物體積大約有1.86×109m3，在大部分區(qū)域沉積物的深度為0.52.0m。如圖所示，絕大部分的沉積物從梅梁灣順著西部沿岸一直延伸到太湖南部。研究表明，只要是營養(yǎng)負荷高的水體，不管是在缺氧還是在好氧的條件下，磷都會從上層水體中沉淀到底泥中；相反，在底泥和水的接觸面生存的有機生物能刺激底泥釋放磷，且它們的新陳代謝能改變周圍的微環(huán)境條件。磷在底泥與水界面的釋放與吸收過程同時受到光線、溫度和溶解氧等因素的影響。圖5太湖沉積物分布情況長期持續(xù)高溫、降雨量少、水位偏低也會加劇藍藻水華爆發(fā)的過程，溫度:有關研究表明微囊藻的最佳生長溫度高于其它藻類，室

13、內(nèi)實驗證明, 太湖微囊藻的最適生長溫度為30 35，水庫中的圍隔實驗證實當水溫為26時,，最適宜于微囊藻的聚集、上浮而形成水華。 水體中微量元素充足會促進藍藻發(fā)生; 藻類種類不豐富，與藍藻競爭營養(yǎng)鹽的藻類少，繼而藍藻成為優(yōu)勢種發(fā)生水華; 水文、氣候、氣象等條件也可以通過影響湖泊水體的分層、混合以及光照、營養(yǎng)鹽的可利用性等, 從而直接或間接地影響藍藻種群的細胞密度、種群組成、垂直分布、生命周期等。直接作用是由于風浪和湖流的運動將湖區(qū)內(nèi)的藍藻吹向湖岸,形成水華; 而間接作用, 尤其在大型淺水湖泊中, 可能更多的是由于風浪的擾動, 導致了大量的營養(yǎng)鹽從沉積物中釋放出來, 大大增加了水體中藻類可利用的

14、營養(yǎng)鹽含量.光照：由于藍藻細胞體內(nèi)除了具有葉綠素外, 還同時具有藻膽蛋白(包括藻藍蛋白、別藻藍蛋白) , 這些色素使得藍藻可以利用其它藻類所不能利用的綠、黃和橙色部分的光(500 600nm ) , 從而比其它藻類具有更寬的光吸收波段, 能更有效地利用水下光的有效光輻射并可以生長在僅有綠光的環(huán)境中。此外, 長期暴露在強光條件下對許多藻類來說可能是致命的, 但微囊藻通過增加細胞內(nèi)類胡蘿卜素的含量而保護細胞免受光的抑制, 因此, 對強光有較大的忍受性。3.3.2內(nèi)因藍藻可借助假空泡來調(diào)節(jié)其在水中的位置，進而選擇適宜的光照和養(yǎng)分的吸收，使其在種間競爭中占優(yōu)勢。在外壓作用下螺旋魚腥藻假空泡破裂后的恢復

15、受到氮、磷限制的影響;固氮藍藻能固定空氣中游離的氮; 部分藍藻能夠通過自身產(chǎn)生的毒素而成為優(yōu)勢種; 藍藻有一套屬于自己的休眠機制，當環(huán)境條件不適宜時，產(chǎn)生厚壁孢子等便進入休眠狀態(tài)，一旦環(huán)境好轉(zhuǎn)，便萌發(fā)成新個體; 藍藻的細胞壁由外層的果膠質(zhì)和內(nèi)層的纖維質(zhì)組成，使其具有很重要的生理生態(tài)功能，大多數(shù)藍藻濾食性動物難以消化而減少其食物選擇性，從而使其在種間競爭中占優(yōu)勢; 藍藻細胞可以貯存過量營養(yǎng)物質(zhì)以備不時之需; 藍藻相對于其他藻類有較高的高溫耐受性，含有多種輔助色素，可以捕獲的光譜更寬.3.4藍藻水華的控制對策 控污截源（1）源頭控制首先，要提高流域污水處理廠的脫氮除磷能力，并且開發(fā)科學施肥技術，降

16、低農(nóng)田氮磷流失；其次，要努力推廣生活節(jié)水措施，減少生活污水產(chǎn)出量，并且要減少面源污染，這是實現(xiàn)太湖流域水環(huán)境治理目標的最重要前提。水生植物的恢復需要以環(huán)境條件改善為前提，只有營養(yǎng)負荷降到一定程度，藍藻水華才會逐漸消失，代之以水生植物為主的健康生態(tài)系統(tǒng)才能得到恢復。（2）截污控污利用已有的水利工程設施，調(diào)整流域河網(wǎng)水系功能結構和水力過程，保育植被，恢復景觀生態(tài)，有效發(fā)揮灌木和水生植物的水質(zhì)凈化功能，充分利用河網(wǎng)水系對流稀釋、動力復氧、沉降吸附能力，建立生態(tài)干流與河渠，削除進人流域湖蕩的污染物。具體實施措施如下： ：前置庫是富營養(yǎng)化治理的有效技術之一， 通過前置庫延長水力停留時間， 增強泥沙及營養(yǎng)

17、鹽的沉降量，攔截營養(yǎng)鹽。 濕地處理技術：湖濱濕地和入湖河道堤岸濕地是攔截非點源污染的有效措施。 水力學方法：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，加快水的換水周期使得藍藻來不及生長。 底泥疏浚：該法是減少內(nèi)源負荷和治理富營養(yǎng)化湖泊的一種重要措施，適用于面積較小、 風浪較弱的水域。3.4.2生態(tài)修復建立以水生植物為主的生態(tài)系統(tǒng)水生植物在湖泊中對環(huán)境有很大的影響。水生植物在生長過程中可以吸收同化湖水和底泥中的氮、磷等礦質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)，對 降低湖水營養(yǎng)水平、防止富營養(yǎng)化起到了重要作用；同時水生植物通過光合作用合成大量有機物質(zhì)，創(chuàng)造了可供收獲利用的植物產(chǎn)品；另外，水生植物能抑制風 浪、固持底泥、

18、抑制藻類從而提高水體透明度，為經(jīng)濟水生動物提供了優(yōu)良的棲息環(huán)境，同時水生植物表面有類似于生物膜的凈化功能。生物除藻技術藍藻能釋放生物毒素類次級代謝物，含一定濃度藻毒素的水 體可使魚卵變異，蚤類死亡，魚類行為及生長異常，水華暴發(fā)也常使大量水生生物死亡。從生態(tài)學角度分析，太湖藍藻水華的暴發(fā)產(chǎn)生了大量的藍藻，嚴重破壞了水體生物的食物網(wǎng)，進而破壞了水體生態(tài)系統(tǒng)平衡。通過品種改良、搭配和養(yǎng)殖新技術的使用，在生態(tài)功能區(qū)投放濾食性魚類和貝類可以進行生物控藻，達到穩(wěn)定生態(tài)群落、平衡生態(tài)區(qū)系之目的。通過鰱、鳙魚的濾食作用，一方面可以直接消耗水體中過剩的藻類，另一方面可消耗利用水體中其它的浮游生物，從而降低水體的

19、氮、磷總含量，達到水體修復的目的。據(jù)測算，每產(chǎn)出1kg花白鰱將從水中帶走29.40g氮、1.46g磷、118.6g碳。只要水體中鰱、鳙魚的量達到46g/m350g/m3，就能有效地遏制藍藻水華。此外，投放底棲動物對水體中浮游生物的控制效應也十分明顯，并有利于提高水體透明度。另外，貝類是底棲動物，以浮游植物和有機碎屑為食物源，且對浮游植物的吸收高于有機碎屑，因此也是一種控制藍藻水華的良好生物材料。湖濱帶的生態(tài)修復湖濱帶生態(tài)修復是湖泊治理與修復的重要內(nèi)容。河岸植被帶的緩沖能力表現(xiàn)為使溶解的以及顆粒狀的營養(yǎng)物沉淀、結晶、非生物吸收；或由緩沖帶內(nèi)的植物和微生物群落消耗或轉(zhuǎn)化。這樣，減少入湖河道的營養(yǎng)物

20、質(zhì)，從而改善水質(zhì)。3.4.3 流域管理管理體制改革太湖流域水污染問題很大程度上是由于管理力度不足所致， 而管理不足在很大程度上又是由于管理體制存在缺陷所致。管理體制改革是太湖流域綜合治理的根本保障。流域機構管理重點應放在四個方面： 推進流域管理的法制化進程，加快形成太湖流域水污染控制總體方案和長效管理機制。 對流域水資源和水環(huán)境進行統(tǒng)一規(guī)劃，科學核定流域水域納污能力、允許排污總量及其時空分布，并在建立與地方?。ㄖ陛犑校﹨f(xié)調(diào)機制的基礎上，完成 允許排污總量分配，審查排污口設置，確定省界交接水質(zhì)標準。 加強流域水環(huán)境與水生態(tài)狀況的監(jiān)測，建立流域水環(huán)境與生態(tài)科學評估體系，明確湖水環(huán)境管理的責任主體。

21、 完善促進流域水循環(huán)的工程總體布局，加強流域水資源的統(tǒng)一調(diào)度。建立預警和應急機制為保障太湖流域居民飲水安全，迫切需要建立太湖水源地藍藻暴發(fā)期預警和應急機制。 認識藍藻生長與水華形成的基本規(guī)律，建立以衛(wèi)星遙感監(jiān)測、氣象監(jiān)測、自動在線監(jiān)測、人工現(xiàn)場觀測和實驗室分析為主體的預警監(jiān)測體系，提前采取措施。 在水廠取水口，進行 攔截、打撈、粉末活性炭吸附、改性粘土絮凝沉降 等方法去除藍藻及其代謝污染物。目前，江蘇無錫、蘇州，浙江湖州等地都已經(jīng)建立了相應的應急預案，但相關適用效果還有待進一步探討。4.藍藻水華帶來的危害1、消耗溶解氧的同時阻隔水面和空氣的氣體交換（1）影響水中植物的光合作用，造成水生植物的死

22、亡（2）影響水中動物的呼吸作用，造成水生動物大量死亡2、影響當?shù)厣铮ㄈ琰S顙魚）的遺傳多樣性以及當?shù)厣锏纳锒鄻有浴?、太湖水中懸浮物濃度上漲，水體透明度下降。4、水體中氮、磷的含量逐年上升。5、爆發(fā)時間不斷提前，持續(xù)時間越來越久，越來越頻繁。6、產(chǎn)生大量有毒有害物質(zhì)（藍藻毒素、大量羥胺及硫化氫等）7、生物死亡以及有毒物質(zhì)等共同作用導致水體富營養(yǎng)化、水質(zhì)敗壞。8、影響正常供水，居民在藍藻水華爆發(fā)的時候用水困難。5.藍藻水華的有效利用5.1提取有用物質(zhì)5.1.1 提取天然色素 藍藻中含有豐富的天然色素物質(zhì)。如葉綠素、胡蘿卜素、藻藍素、葉黃素等。脂溶性色素和水溶性色素可分別通過不同萃取方式提取出

23、來,太湖等淡水湖的藍藻中色素含量比較豐富,100kg的干藻可分別提取4kg葉綠素、170g胡蘿卜素和170g葉黃素等。5.1.2 提取藻膽蛋白 藍藻能進行光合作用,其胞內(nèi)含有一類特殊的光合輔助色素藻膽蛋白,含量可達藍藻細胞干重的15%。它包括別藻紅蛋白、藻藍蛋白和別藻藍蛋白三大類。它們主要作為天然色素用于食品、化妝品等工業(yè)中。藻紅蛋白可以發(fā)出橙色熒光,將其制成熒光試劑用于生物及醫(yī)學研究,生物大分子的分析。藻藍蛋白能發(fā)出紫色熒光,將可作為生物體內(nèi)的熒光示蹤物質(zhì)用于臨床醫(yī)學診斷,由于其可吸收光能,可用于癌癥病灶的處理。5.1.3 提取胞外多糖 很多藍藻在細胞外能產(chǎn)生大量的黏液質(zhì)的多糖物質(zhì),這些多糖

24、通常稱之為細胞外被多糖,是一種生物多聚物,其含量可達細胞干重的5%左右。5.2資源再利用 制作有機肥料 60年代初時,蘇聯(lián)、印度、日本等已有研究,在水稻田中接種固氮藍藻,這些藍藻是水生的,適宜在稻田中生長,仍能使水稻獲得增產(chǎn)。稻田中接種固氮藍藻后,水稻長勢良好,秧苗移植后返青快,分蘗力強,稻谷產(chǎn)量提高710%。 日本對藍藻資源化利用的措施主要是將藻類作為有機肥料,它的肥效優(yōu)于一般化肥,氮、磷、鉀含量均高于豆餅、紫云英等植物性有機肥料,藍藻中不含對作物及人體有害的重金屬,使用后不會污染土壤。 生產(chǎn)單細胞蛋白 將藍藻變害為利、變廢為寶,達到綜合治理的目的,是一項非常有意義的工作,藍藻經(jīng)過生物轉(zhuǎn)化處理得到的大量酵母蛋白將是一個很有潛力的蛋白質(zhì)資源,酵母蛋白含量高,營養(yǎng)均衡,目前價格為6000元/噸,可替代豆餅等蛋白質(zhì)產(chǎn)品,用作飼料行業(yè)的原料。 這類研究立足飼料方向,利用酵母發(fā)