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湖泊蓝藻暴发的机制与防治
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湖泊蓝藻暴发的机制与防治
李波
重庆市水产科学研究所，重庆 400020
摘要：近年来，蓝藻在我国多个重要淡水湖泊频频暴发导致水环境进一步恶化。蓝藻暴发是湖泊富营养化之后生态系统的一种异常响应，其发生的原因与气候、湖泊营养条件如氮、磷浓度及其氮、磷比值等因素有重要关系，并与蓝藻自身的生理特性有密切关系。部分蓝藻种类由于其独特的生理特性，在对光照和营养盐的竞争中处于优势地位，导致其在特定条件下暴发性生长而形成“水华”。对于湖泊富营养化的治理与控制应以源头控制为主，对于暴发性生长的蓝藻可以采用物理化学、机械和生物的办法进行治理。
关键词：蓝藻；富营养化；水华；治理
水资源是人类赖以生存的物质基础，但近年来，我国的江河、湖泊及近海海域的氮磷污染呈加重趋势，内陆主要湖泊的水体富营养化程度加深。水土富营养化导致部分藻类以及其他水生生物大量繁殖，造成水土透明度下降，产生异味，水体功能遭到破坏。蓝藻暴发发生次数、发生的规模及危害有逐年加大的趋势，给工农业生产和人们的生活带来了严重的影响。现今全国许多湖泊，水库已经进入富营养化，甚至严重富营养化状态，如滇池、太湖、巢湖等。据统计，目前我国已有60 %的水体发生了富营养化,超出了国际平均水平[1] ，其中包括长江的三峡库区[2]。2007年太湖、滇池以及巢湖蓝藻暴发进一步引起了人们对水体富营养化的关注。因此，治理富营养化水体，防治水华，恢复水体的综合功能，已成为当前水环境与水资源保护研究的中心问题之一。
1、水华发生的机理
水华又称“水花”或“藻花”，是当水体处于富营养状态时，只要具备适当的温度、光照、风浪悬浮等有利于藻类滋生的气象、水文等自然地理条件,就能促使淡水水体中某些蓝藻类过度生长繁殖或聚集并达到一定浓度，引起水体颜色变化，并在水面上形成或薄或厚的绿色或者其他颜色的藻类的漂浮物的现象[3]。水华的暴发也是水体富营养化特征之一。
（1）营养物质对水华形成的影响。
水华的发生首先是水体中的营养物质（如氮、磷等）过量增加，致使水体达到富营养状态，这是水华发生的最重要的物质基础。不同的国家和不同的学者对于水体中的营养物质达到富营养化水平的量也提出了不同的标准[4,5]。
缓流水体中的自养型生物主要是藻类，通过光合作用以太阳光能和无机物合成本身的原生质[6,7,8]。Stumn 提出了藻类的“经验分子式”为：C106H263O110N16P1 [9,10]。
106CO 2 + 16NO3- + HPO42- + 122H2O + 18H+ + 能量 + 微量元素→C106H263O110N16P1 + 138O2
由该经验反应可知，无机的氮、磷是藻类繁殖的控制因素，尤其是磷的作用更为突出。美国EPA建议总磷浓度0.025mg/L和正磷酸盐浓度 0.05mg/L是湖泊和水库的磷浓度的上限。除氮、磷营养盐的浓度外，氮、磷比值与蓝藻暴发具有密切关系。临界的氮磷比按元素计应为16 : 41，按重量计应为7.2 : 1。
（2）微量元素对水华的影响。
铁、钼等微量元素是蓝藻光合作用和固氮过程中的必须元素，可以单独，或是与氮或磷共同限制藻类的增长，尤其是在以蓝藻为主的湖泊水体[11]。
Martin 等[12]发现在太平洋某些区域的表层海水中含有较高的磷盐和硝酸盐，但藻类的生长量却很低，在向试验海域施放铁以后，科学家们测量到叶绿素水平有了明显的提高。在蓝藻固氮的过程中，所需要的铁量是其他藻类按相同速率增长的10倍。当铁浓度在0.1～1.0mg/L时，藻类群落开始从绿藻向蓝藻演替。
钼元素是固氮酶的重要辅因子，是藻类固氮必不可少的营养元素，Goldman首次发现钼在一年内的某些时段限制藻类的增长，从而开创了微量元素对藻类增长限制影响的研究和应用。
（3）水体中营养物的内循环与水华形成的关系。
营养物在水体中的内循环、营养物与底泥沉积物的相互关系对藻类生长也有重要影响。当外源营养物切断后，底泥中营养物的释放对藻类的增长有着重要的影响，尤其是浅水湖泊，底泥营养物是提高蓝藻水华的主要营养源。夏季水温升高使湖泊底部趋于厌氧，氧化还原电位急剧下降、表层底泥的还原状态，促使储藏在底泥中的营养物质以还原态释放出来，加入水体中营养的循环。例如，沉积在底泥中的磷酸铁就会溶解成二价铁和磷酸根，有机磷可能作为在厌氧微生物的作用下，发生C-P键的断裂，被还原生成磷化氢吸附于沉积物中，在一定条件下，不断向水体释放。在太湖沉积物中可检测到磷化氢的含量为826ng/kg，超过了富营养化湖泊磷浓度均值[13]。6～7月份水华暴发季节，太湖水体、沉积物及水体上空大气中磷化氢平均浓度比其他月份高出几到几十倍。沉积物中磷化氢由湖下层迁移至氧化还原电位高的表层水面后，在阳光照射下，极易被氧化成次磷酸盐、亚磷酸盐和磷酸盐。
由于水中的营养素被水生生物吸收后成为其机体的一部分，水生生物死后营养素又重新回到水体中再次被利用，从而形成营养物质的循环。因此，已经形成富营养化的水体即使切断了外源污染，也很难恢复。
2、形成水华的藻类种类
形成水华的生物主要是蓝藻门的藻类。常见的水华，按优势种类可以分为15个基本类型，包括隐藻水华、膝口藻水华、裸甲藻水华、角藻水华、颤藻或席藻水华、鱼腥藻或拟鱼腥藻水华、微囊藻水华、尖头藻水华、微型蓝球藻类水华、团藻目水华、绿球藻目水华、裸藻水华、囊裸藻水华、硅藻水华、金藻水华[14]。其中一个重要的优势类群是微囊藻（Microcystis），它也是世界各国湖泊中分布广、规模大、持续时间长的一类水华蓝藻。引起微囊藻水华暴发的成因很多，主要的影响因子有结构组成和生理节律等内因子以及外界环境中的生态因子。微囊藻死后可分解产生羟胺、硫化氢、甲烷和微囊藻毒素等有毒物质，这些有毒物质和毒素对其他水生生物造成不同程度的损害效应，这样即使有些鱼和蚤类可以以微囊藻为食，也可能因中毒而致死。因此，这一代谢机制使微囊藻易于在水生生态系统的种间竞争中取胜，也获得了关阔的增值空间。
由于不同门类的水华藻类所含的光合作用色素不同，所以，它们引起的水色变化和在水面形成的漂浮物的颜色也有所不同，如微囊藻等一些蓝藻门的种类所含的光合色素为叶绿素a和藻胆素，它们形成的水华漂浮物和水的颜色多为蓝绿色；绿藻门中的衣藻所含的光合色素为叶绿素a和b，它所形成的水华漂浮物常为绿色或黄绿色；硅藻门中的藻类如小环藻等含有叶绿素a和c，还含有较多的墨角藻黄素等褐色素，它们形成的水华常为黄褐色等。在一个水体中形成的水华藻类种类有的可能是1~2种至几种，也可能是多种，但其中最占优势的种类常为1~2种。水华形成的颜色就是由其中占最大优势的藻类的颜色所决定的[15]。
3、水华的危害
（1）危害水域生态环境中栖息生物的生存与发展。
在湖泊、水库和池塘中，浮游藻类的大量繁殖且在水面高度密集，其危害在于：密集的浮游藻类阻挡了阳光的光线透射，底栖的水生植物因得不到充足的太阳能使其光合速率降低，减少了光合产物的产量，进而影响其正常的生长发育，同时还因其强烈吸收可见光的短波部分使水温升高影响了对水温敏感的生物种群的生存。水华藻藻体死亡后腐败，使水体中生化需氧量激增，急剧降低了水体的溶解氧含量，造成水体严重缺氧，进而导致鱼类浮头，直至死亡。浮游藻类分泌粘液到水体中吸附在鱼鳃上，会导致鳃丝气体交换发生障碍，最终鱼类因缺氧而死亡，或释放毒素如水华鱼腥藻的α-变性毒素[16]、微囊藻毒素，导致水生浮游动物和鱼类以及水生植物因缺氧或中毒而死亡，其最终结果就是既降低了水生群落的生物多样性，又造成经济损失。
（2）破坏水域生态景观。
浮游藻类的大量繁殖往往密集在水面形成一层薄皮或泡沫，水体颜色变绿，加之死亡的浮游生物和鱼类漂浮在其中，不仅使原来干净、清澈、透明的水体变得色泽混杂，浮游藻类死亡后沉入水底并堆积使水体变浅，加速了湖泊水库的沼泽进程，破坏了原有的生态景观;还不断发出鱼虾腐烂分解时令人厌恶的硫化氢臭味和浮游藻类的鱼腥味，大大降低了景观的使用价值，影响旅游业的发展。
（3）威胁人类身体健康。
位于江河上游的湖泊、水库等大型水体若发生有害水华，浮游藻类释放的毒素和死亡的浮游生物污染了水源，导致水质下降，影响下游城乡居民的生活用水质量，造成用水不便与困难；浮游藻类产生的毒素还可以在鱼虾体内存留和富集，通过生态系统的食物链对人类的身体健康造成潜在的威胁。如铜绿微囊藻产生的微囊藻毒素对小白鼠2～2.5 h的半致死剂量为9.9 g/kg·体重[17]，该毒素是一种分子量为1300～2600，且不易为蛋白酶分解的环状七肽肝毒素[16]，能一方面提高乳酸脱氢酶( LDH)释放率和自由基(ROS)的释放率[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/脱磷酸化的平衡，造成肝损伤或坏死[19]。最新研究表明，它还是一种强烈的促癌剂，长期饮用含有该毒素的水可引发肝癌[20]。另外，浮游藻类的生命活动会产生亚硝酸盐类致癌物质，也可使水体pH值升高促进霍乱弧菌的生长与繁殖，危害人体健康[21]。
4、水华的防控和治理
（1）水华发生的预防。
防治湖泊水华发生的关键是防止水体富营养化，措施包括控制流域上的各种外源氮、磷营养负荷输入以及湖泊沉积物释放所产生的内源氮、磷营养负荷。
外源氮、磷营养元素输入主要有两种途径，一是污水排放带来的氮、磷元素，二是农业生产过程中氮、磷营养元素流失进入湖泊。随着点源污染排放的控制，面源污染越来越成为水体营养盐的主要来源。有数据认为农业面源污染占河流和湖泊营养物质负荷总量的60%～80%，在欧洲发达国家的地表水中，农业排磷所占的污染负荷比为24%～71%。农业生态系统的养分流失是水体中硝酸盐的主要来源，同时还是磷的第二大来源，我国每年土壤流失量达50亿t，带走的氮、磷、钾及微量元素等养分相当于全国一年的化肥使用总量，其中相当一部分进入了水体中。
对于外源氮、磷等营养元素输入湖泊的控制，一方面要强化污水处理设施的除磷控制效果，引进新的除磷工艺，最大限度降低城市生活及工业废水排放带来的氮、磷负荷，另一方面对农业面源污染可以根据其特点采取针对性的措施减轻其危害。水体富营养化中的农业面源污染可以采用“控源节流”方法进行治理，“控源”即科学合理施肥，也就是平衡农田中的养分，使其输入与输出基本一致，减少营养物质的积累量与流失量。“节流”即对水土流失进行控制，减少营养物质流失量。除了以上两个方面外，还必须对流域进行全面规划，科学管理，从而达到综合治理农业面源污染的目的。
在浅水的富营养化湖泊中，要恢复湖泊生态系统良好功能，内源营养盐负荷控制是另一个关键。控制内源释放的物理化学方法、物理机械方法和生物方法。物理化学方法包括沉积物氧化、化学沉淀、底泥覆盖等, 使底泥处于氧化状态或增加沉积物对磷的束缚能力或在沉积物表面形成覆盖层, 从而抑制内源磷的释放。物理机械方法包括引水冲刷和底泥疏浚。引水冲刷是减少和稀释湖泊水体营养物质的有效方法。2007年太湖突发性蓝藻暴发的临时控制措施就采用了该方法。但由于会排放出营养盐含量高的湖水，将加重下游受纳水域的污染，因此，是治标不治本的临时性方法[22]。
底泥疏浚也是降低富营养化湖泊内源氮、磷负荷的一种重要措施。适当的疏浚可在短期内改善水质，但长期结果表明疏浚底泥不是控制湖泊富营养化的充分必要条件[23]。生物法对于减轻湖泊富营养化也有一定作用，在小型湖泊中加入微生物制剂后，水中的溶氧（DO）大幅增加，而COD、总氮、总磷等则明显降低。
（2）微生物在蓝藻暴发后的应急治理中的作用。
除藻方法有工程物理方法、化学药剂法和生物方法三大类。在藻类暴发后采用人工捞藻或投加硫酸铜等化学药剂可以在一定程度上降低水华危害，改善水体表观性状。但作为庞大的富营养化湖泊的藻类控制技术，利用工程物理方法和化学药剂法显然是行不通的，而且化学药剂会带来二次污染，因此，对环境友好的生物控藻技术受到越来越多的关注。
在利用生物控藻上，目前主要有三个方面，一是以鱼类控制藻类的生长；二是以水生高等植物控制水体富营养盐及藻类；三是以微生物来控制藻类的生长。微生物由于其繁殖快的特点，使得微生物控藻成为生物控藻里最有前途的一种控藻方式。某些细菌能够抑制藻细胞生长，甚至有裂解藻细胞之功效。石苗等[24]从滇池藻类中分离到一株根瘤菌属的细菌G2，该菌能够分泌一种耐高温的裂解水华鱼腥藻的物质，这为研制菌剂治理水华提供了重要的信息。部分真菌对水华中的蓝藻有裂解作用，如一种翅孢壳属的真菌，据报道能裂解蓝藻，这可能是与其产生头孢类菌素有密切关系，通过其产生这种抗生素对这类蓝藻起杀灭作用。藻病毒有可能成为治理水华的有效方法。如一种赤潮异弯藻病毒（hetero-sigma akashiwo virus，HaV）01株，能专一性感染这种赤藻类，有利于清除它，其优点还有：除专一性攻击靶目标水华之外，其他浮游植物不受影响。这样，有可能将其研制成灭藻藻病毒制剂，由于该病毒复制速度快，研制制剂费用相对较低，可满足规模生产。
结语
湖泊富营养化在中国已是一个突出的环境问题，中国的湖泊环境非常脆弱，主要表现在湖泊中营养盐背景浓度异常高、营养盐来源多、湖泊富营养化进展迅速以及许多城市湖泊已处于富营养状态。因此必须采取措施进行预防和综合治理，以降低危害，减缓湖泊富营养化进程甚至使水质趋向好转。湖泊富营养化治理，控制污染物进入水体是最基本和最优先的环节。由于各个湖泊类型不同，因此，各种治理的技术应该结合具体的情况来实施。
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来源:《江苏科技信息》2007年07期
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