遮光法控藻的中试研究

梦岩

遮光法控藻的中试研究
陈雪初 ，孙扬才 ，张海春 ，李春杰 ，王晓冬 ，孔海南 ，
1．上海交通大学环境科学与工程学院，上海2002402．温州水务集团公司，温州325000
收稿日期：2006—07—07 修回日期：2007—10-08 录用日期：2007—11—21
摘要：进行了遮光法控制富营养化水池中藻类的中试研究．结果显示，9d试验后，叶绿素a浓度、COD、浊度、DO分别由遮光前的130．5ug/L、30．9mg/L、20.0NTU、12.0mg/L 下降至处理后的24．8ug/L 、1．7mg/L 、5．4NTU、3，1mg/L ，TP、TN浓度则变化不明显．表明遮光处理能够在营养盐浓度变化不大的状况下大幅度削减藻类生物量；遮光1d后，105cm处的叶绿素a浓度、COD、浊度都较水面表层浓度高，显示遮光之后藻类出现了沉降的现象；遮光2d后，水深30cm以下的净生产量都为负值，显示遮光显著抑制了藻类的光合产氧速率，并促使藻类消亡．
关键词：遮光；藻；叶绿素a；抑制作用
文章编号：0253-2468(2007)11—1830—05 中圈分类号：X172，X524 文献标识码：A
1 引言(Introduction)
近年来，我国饮用水源地的富营养化问题日趋严重，灾害性水华频发，直接威胁到城市供水安全．针对这一严峻现实，在全面实施控源策略、加强自来水厂预处理工艺的同时，开发能够直接在水源地域内消除有害藻类的技术亦成为关注热点．研究域内控藻除藻技术可从直接影响蓝绿藻增殖的诸多环境因素中人手，相对于温度、营养盐、pH等而言，光照度无疑是最为容易实施人为干预的因素，尹澄清等(1993)于20世纪90年代初在巢湖围隔实验中观测到在有风天气时湖水透明度降至10～16cm，1m深处光照度仅有70 lx，这导致整个水层的净生产量为负值，由此提出巢湖是光限制型水体的观点；接触氧化法发明人小岛贞男博士则于2000年指出可采用局部遮光法抑制水库或蓄水池的水华(KOJIMA，2000)，在此观点启发下，本课题组结合.
我国水源地的实际情况，开展了有关遮光控藻技术的人工气候室内摇瓶研究、自然水域人工围隔研究，本文则为该系列研究的中试部分，其目的在于掌握遮光法控藻的基本规律，为更大规模的研究提供依据．
基2 中试水池概况(Introduction of the experimentalpond)中试水池位于温州市郊某花圃内，为灌溉用水储蓄池．该池长25m，宽15m，水深1．2～1．8m，总储水量562．5m3 ；池水则处于严重富营养化状态，镜检发现水中优势藻种为不定腔球藻．基本水质情况见表1．

3 材料与方法(Materials and methods)
3．1 遮光材料及其铺设方法
遮光材料为市售的遮光率分别为70％ 和85％聚乙烯遮阳网．将若干尼龙绳横向固定于水面，于其上铺设遮阳网．第1～6d铺设两层遮光率为70％的遮阳网；第6～9d加盖1层遮光率为85％ 的遮阳网．
3．2 采样及测试方法
池内布设6个采样点，遮阳网铺设后每隔2d采样，每个采样点于0、35、75、105cm 深度处各采500mL水样，将同一深度的6份水样混匀，测试结果即为该深度条件下的各项水质指标的平均值．测试项目包括叶绿素a、COD、浊度、TP、TN等，测试方法参照文献(金相灿等，1990)；DO和水下光照度在中试现场测定(早晨10：00～11：00)，分别采用830A便携式溶氧仪和ZDS一10自动量程光照度计．采用SPSS14．0软件对数据进行分析．
3．3 中试期间气候状况
试验在2006年9月上旬进行，第0—1 d阴有时有雨；第2—9d晴到多云．水温(20—24)℃ ，平均水温22．9℃ ．
4 结果与分析(Results and analysis)
4．1 遮光处理对水下光照度的影响
在试验的第1、阶段，即1—6d中采用双层遮光率为70％ 的遮阳网实施遮光．图1为实施遮光工程前后水下光照度的情况．结果显示，在入射光照度为650001x时，未遮光情况下水体表层光照度为530001x，遮光处理后使表层光照度得到显著削减，降低为13001x．遮光前后水下光照度随水深的垂直变化均符合比尔定律Y=A•eˉkx (其中， 为水深(m)，Y为该深度水-层光强度(1x)，k为光衰减系数)，即随着水深的增加，光照强度呈指数规律下降，拟合后的结果见表2，由于遮光处理在短时间内不引起水质变化，故而光衰减强度k无明显差别，分别为2．10和2．05．
在试验的第2阶段，即6～9d中，为提升控藻效果又增加了1层遮光率为80％ 遮阳网，此时，即使入射光照度高达800001x(晴天正午)，水表层光照度亦不到2001x，这已低于大部分藻类的光补偿点(华汝成，1986)．

4．2 叶绿素a浓度的变化
图2为水体不同深度的叶绿素a浓度及其均值随遮光时间的变化趋势．就均值而言，试验第1阶段1—6d内缓慢下降，第2阶段降幅则明显增大．这与第6d加盖85％遮阳网有关，第1阶段平均去除速率稳定在7u g/L/d。。，第2阶段6—7d平均去除速
率达到25u g/L/d，即加盖遮阳网后去除速率提升3倍多，7—9d由于叶绿素a浓度已较低，去除速率减低为13ug/L/d，仍为初期的两倍．试验前叶绿素a浓度均值为130．5u g/L，第9d试验结束时仅为24．8u g/L，去除率为81．0％ ，这表明遮光之后，不但抑制了藻类增殖，还能够显著地降低水体中藻类生物量．另一方面，遮光后第1d沿不同深度叶绿素a浓度差别明显，表层叶绿素a浓度仅为53．0 ug/L，深度35cm、75cm 处浓度上升为135．1 ug/L 和133．2 ug/L，105cm 处则高达164．9u g/L，即随着深度增加，叶绿素a浓度有升高的趋势，这显示，遮光之后出现了藻类沉降现象，可能是由于低光照度条件下藻类活性降低所导致；此后，随着时间推移，不同深度叶绿素a浓度逐渐趋同，到试验结束时几乎没有差别．

4．3 浊度、COD、DO及营养盐浓度的变化
图3为水体不同深度的浊度及其均值随遮光时间的变化趋势．试验前浊度均值为20．0NTU，遮光ld后，浊度即有所下降，1～3d变化不大，第3d起呈直线下降之趋势，均值为5．4NTU，去除率为73．1％．另一方面，遮光1d后，出现了与叶绿素a浓度相同的沉降趋势，表层水体浊度仅为7．9NTU，远低于其它各层水体浊度．然而随着时间的推移，各层水体浊度亦逐渐接近，试验结束时无明显差别．

图4为水体不同深度的COD及其均值随遮光时间的变化趋势．试验前COD均值为32．2mg/L，遮光1～7d期间去除速率较为稳定，平均值为2．6mg/L/d，7—9d去除速率提升两倍多，达到6．0 mg/L/d，试验结束时COD均值已极低，仅为0．5mg/L，这显示，遮光处理极显著地削减了水体中COD水平．就不同深度的COD浓度变化而言，遮光第1d出现了较为明显的底层高于表层的现象，表层COD为103cm层COD的1／3，但此后，各层COD的变化则无明显规律可

梦岩

循．

图5为DO变化趋势，发现试验开始时由于藻类生物量较大，光合作用强烈，水体中DO可高达12mg/L，处于过饱和状态，在实施遮光后第1d DO即显著下降，均值下降速率为3．4mg/L/d，随后降幅趋缓，至第6d提升遮光强度后降幅又有所增加，均值下降速率为0．9mg/L/d；另外由图5还可以发现，在试验过程中各深度DO都十分接近，其变化趋势也几乎相同，这说明水中DO并不像其他指标那样明显地受到水深变化的影响．

图6为TN及TP浓度的变化趋势，由图6可见，试验过程中TP浓度基本不变，而TN略有上升，但变化也极小，说明遮光法虽然能够有效控藻，但却并不能够对水中营养盐产生影响．这显然是遮光法的局限之处，不过若能够消除有害藻类，那么源水中的营养盐浓度即使达到富营养化的水平，也不至于直接妨碍水质安全．

4．4 遮光处理后的氧净生产量
在遮光第2d，采用黑白瓶法对水体各个深度的净生产量进行了测定．结果如图7所示．发现在水层30cm处氧净生产量已为负值，为一0．6mg/L/d，即由于遮光后光照度的下降，藻类光合作用受到抑制，光合产氧速率显著下降，低于该层水体中生物群落的呼吸速率，使得水体由产氧状态转为耗氧状态；随着深度的增加，光照度持续下降，氧净生产量的负值趋势增加，但0．9～1．2m之间净生产量下降不多，这是因为在此次深度下光照度不到50 lx，水下几乎处于黑暗状态，光合作用已完全受到抑制，仅存在生物群落的呼吸作用．

5 讨论(Discussion)
生物生长受限制因子影响是生态系统的基本特征之一，在一定程度上，藻类生长的限制因子的量决定了藻类生长速度和最高阈值．基于这一原理，控制水体营养盐特别是磷素被认为是防治我国湖、库水源地富营养化的最主要手段之一．然而，近年来的有关研究及工程实践发现，对磷浓度较高的湖泊，(如TP>0．2mg/L )，藻类生长与总磷的相关性已不明显；另一方面，在我国现阶段，要想完全截断外源污染困难重重，且部分富营养化水源地营养本底就较高；再加之一些国家的实践表明，控源策略耗资巨大，一般只能在实施近10a以后才能见效，因此，单纯控制营养盐并不足以应对我国水源地频繁发生的水华灾害(孔海南，2000；濮培民等，2005)．光照度亦是藻类生长的限制因子，本中试试验结果显示，遮光9d之后叶绿素a浓度、浊度、COD都显著下降，去除率分别达到80．1％ 、68．0％ 、93．8％ ，证实了遮光法控藻的可行性．这提供了一种新的控藻思路，即从限制因子光照度出发，通过工程手段调控取水口附近水域光照度，抑制藻类光合作用，有可能在较短的停留时间内、较低成本条件
下将藻类浓度削减到很低水平．从现有的研究结果来看，遮光法控藻机理基于以下几个方面：
1)低光照度条件下藻类比增殖速率显著下降，从而抑制了藻类的增殖．这已为众多研究报道所确认，如林毅雄等人(2000)的实验结果表明，光照度在1000～50001x之间，滇池铜绿微囊藻的比增殖速率随光照度降低而减小；陈德辉等(2000)进一步提出藻类生长受光照度限制符合Monod方程，据此测定并计算出铜绿微囊藻和斜生栅藻生长的半饱和常数和最适光照度；我们的前期研究则发现，针对于铜绿微囊藻在上海宝钢水库源水中的增殖而言，当光照度≤5001x时，比增殖速率显著下降，不到最适光照度43001x时的1／2．
2)低光照度导致藻类的光合产氧速率显著下降，甚至低于呼吸速率，迫使藻类不断消耗自身有机营养，趋于消亡．按经典的光合作用学说，对于特定藻类存在“光补偿点”，光照强度超过光补偿点时，光合产氧速率高于呼吸作用速率，藻类生物量表现出增加的趋势；反之，低于光补偿点时，藻类生物量表现出减少的趋势(华汝成，1986)．本研究中随着深度增加，藻类的净生产量也由正值转为负值，显示藻类光合作用由于光照度下降而逐渐受到
抑制，甚至弱于呼吸作用，造成藻类自身生物量持续下降；第2阶段增加遮光强度使得入射光强低于2001x时，叶绿素a浓度和DO下降幅度明显增大，这应当与水下光照度都显著低于光补偿点有关．
3)低光照度条件下藻细胞活性下降，具有较高沉降性能．在本文的实验中观察到遮光后藻类出现了沉降现象，吴生才等(2004)的水柱试验亦发现低光照度下以单细胞存在的铜绿微囊藻一直处于下沉状态，还计算出了沉降速率约为1．7cm/h．天然条件下，许多浮游藻类具有浮力调控机制，以微囊藻为例，近年来Walsby(2006)，WMlace(2000)，Visser(1997)等人的野外现场研究和数学建模结果证实，当群体微囊藻处于光抑制的最表层时，能够通过糖源合成提高自身密度，快速下沉，当下沉到一定深度，特别是低于光补偿深度后，由于糖源不再合成而处于不断消耗之中，浮力转而上升，快速上浮，因此，它能够在种群竞争中取得优势．本文的实验结果在一定程度上与藻类自身的浮力调控机制相违背，较为合理的解释是它仅在持续的昼夜交替时存在，而在长期低光照条件下可能丧失，这一推测有待今后的深入研究予以证实．
5 结论(Conclusions)
1)遮光9d之后，叶绿素a浓度、COD、浊度、DO分别由遮光前的130．5iug/L、30．9mg/L、20．0NTU、12．0mg/L 下降至24．8u g/L、1．7mg/L、5．4NTU、3．1mg/L，TP、TN浓度则变化不明显；在试验第6d，加盖1层80％ 遮阳网使水表层光照度低于2001x时，叶绿素a平均去除速率由7ug/L/d 提升为25u g/L/d．
2)遮光1d后105cm处的叶绿素a浓度、COD、浊度都较水面表层浓度为高，显示遮光之后藻类出现了沉降的现象．
3)遮光2d后，水深30cm处净生产量已为负值，为一0．6mg/L /d，显示遮光显著抑制了藻类

梦岩

长江口边滩水库藻类增殖潜力及遮光控藻研究’
孙扬才 陈雪初 孔海南 梁喻 吴德意 李春杰
(上海交通大学环境科学与工程学院，上海200240)
摘  要: 从长江口及两个长江口边滩水库(陈行水库和宝钢水库)采集水样在人工气候室内进行了藻类增殖潜力研究。结果表明，在完全不添加营养成分的前提下，在培养未灭菌水样时蓝绿藻可成为优势种而大幅增殖‘在灭菌水样中人工接种铜绿徽囊藻时该藻的翻细胞数最大现存量可达5.65xl06个/mL。另一方面，采用遮光控藻思路，在上海交通大学致远湖中设置软体浮式人工圈隔，待其发生水华后将圈隔遮光，7d后叶绿索口从发生水华时的”179.6ug/LL降至21.4ug/l.因此，使用避光技术可以达到有效控藻的目的。
关 键 词 长江边滩水库富营养化光照强度围隔遮光
近年来我国饮用水水源地的富营养化问题日趋严峻，灾害性水华频发，直接威胁到城市供水安全。上海为我国人口最多的城市，目前正大力开发长江口边滩水库作为饮用水源。已有的长江口边滩水库包括陈行水库、宝钢水库和墅沟水库，规模更大的青草沙水库也在建设中。一些调查研究表明.长江口的总氮达2mg/L左右，总磷达0.lmg/L左右，已处于富营养化水平;宝钢水库的叶绿素a一度达到200ug/L以上，显示长江口边滩水库存在蓝绿藻爆发的风险。因此，进一步明确长江口边滩水库藻类爆发潜力，并探索有效的控藻技术，对于确保上海市饮用水水源地的安全具有重要意义，对于我国其他地区的类似水环境问题也具有重要的参考意义。笔者采用室内人工培养的方法，研究了长江口边滩水库藻类增殖潜力，并采用野外人工围隔的方法研究了遮光控藻技术阁的可行性。
1 材料和方法
1，1 藻种
试验用铜绿微囊藻(Mcrocystasaeronosa)购自中科院武汉水生生物研究所，试验前扩大培养1周，取一定体积的藻种以3O0 r/min的速度离心15min，弃去上清液，用15mg/L的NaHCO3溶液洗涤后离心，重复3次，用无菌水稀释后再饥饿培养48h用于接种，接种的藻细胞数为5XI04个/mL。
1.2 试脸用水样的采集
于 2006 年5月初从陈行水库、宝钢水库以及长江口采集水样，采样时水温16℃，气温24 ℃，主要水质指标状况见表1。陈行水库和宝钢水库位于上海市宝山区罗径镇长江边岸，地处长江口南支河段，均为滩地圈围而成的边滩水库。陈行水库承担着上海市饮用水的供水任务，取水规模130万m3/d，水力停留时间为7d;宝钢水库以蓄水为主，一般仅供宝钢使用，在咸潮期作为上海市的备用饮用水源，其水力停留时间为30d。水力停留时间的不同导致两水库水体浊度等有较大差异。

1.3 培养方法
250m L 锥形瓶中置人原水样(未灭菌)或灭菌后接种铜绿微囊藻的水样100 ml，在光照强度4000 1x、光暗比(光照时间与遮光时间的比)14 h:10h、温度22℃或28℃的条件下培养。每天人工摇动2一3次，同时每天取样2ml，采用血球计数板计数的方法测定生物量。当每天生物量的平均增长率低于5%时，即认为藻类已达到最大现存量。
1.4 围隔遮光控藻试验
试验在上海交大致远湖内进行。该湖位于E121O05‘、N31O04‘，水面面积150m×200m，平均水深18m，与黄浦江相连(有闸门调节湖内水位)。206年8月9日至，月4日期间湖水主要水质指标的平均值为:浊度19.0NTU，总氮3.7lmg/L，总磷0.14mg/L.
试验设置的软体浮式围隔采用HLPE防渗膜材料，规格为1.2mxl.2m，有效水深1.4m。遮光材料为黑色聚乙烯遮光网，其单层遮光率约为75%。使用两个相同大小的围隔，放置于湖北岸的同一位置。2006年8月10 日在两围隔内投加NaNO3和KH2PO4 ，使总氮达6.0 mg/L，总磷达0.50mg/1 跟踪观察围隔内水华发生情况，在明显出现水华(水表有明显的绿色漂浮物聚集)时，对其中一个围隔进行遮光，观察遮光前后水质以及藻类的变化，并与另一围隔进行对比。
1.5 侧试方法
采 用 ZD S一01 型自动量程光照度计测定光照强度。叶绿素a、pH、浊度、总氮、总磷的测定见文献。
2 结果与讨论
2.1 原水样中藻类的增殖情况
由于取水时水温较低，加之长江口和陈行水库浊度较高，因此长江口和陈行水库水样中藻类较少，宝钢水库水样也仅有少量硅藻出现。28℃下直接培养原水样，使藻类自然增殖2周后观察时发现，3种水样均出现了蓝绿藻大量增殖的现象，藻细胞数均在1×105个/mL以上，并且形成明显的优势种(见表2)。由于3种水样都源于长江，经过演替后出现的优势种也具有一定的相关性。

22 铜绿微囊藻在灭菌水样中的增殖情况
图1为铜绿微囊藻在灭菌水样中的增殖情况。
由图1可见，3种水样灭菌接种铜绿微囊藻后进行培养时，其藻类增殖趋势有一定的相似性，均在第2天进人对数增长期，第12 天铜绿微囊藻细胞数达到最大现存量，并结束对数增长。与22℃ 比较，3种水样均在28 ℃增殖更快，铜绿微囊藻细胞数最大现存量更高，反映了温度对藻类增殖的促进作用。在相同的温度下，长江口水样的铜绿微囊藻细胞数最大现存量最高，陈行水库水样次之，宝钢水库水样最低。不同水样的藻类增殖能力的差异主要与水样中含磷量的不同有关(见表1)，这也表明3种水体中磷是藻类增殖的限制性因子。由于3种水体均源

于长江水，初步分析造成3种水体含磷量差异的主要原因是长江水进人两边滩水库后(尤其是水力停留时间更长的宝钢水库)，随着作为磷的主要储存库的悬浮颗粒物的沉降，以及由此带来的固相颗粒与水的接触界面的下降，导致了边滩水库水样中磷浓度下降，其中水力停留时间长有利于颗粒物沉降，浊度最低的宝钢水库的总磷浓度最低。
图1还显示，即使藻类增殖潜力最低的在22 ℃下培养的宝钢水库

梦岩

水样，其铜绿微囊藻细胞数最大现存量也能达到1.42XI06个/mL，表明3种水体均具有相当的藻类增殖潜力。
2.3 长江口边滩水库富营养化的严峻形势和对策
通过营养状态指数法对本文所涉及的3种水体富营养化程度进行初步评估，卡森指数TSI(总磷)值依次为:长江口81，陈行水库71，宝钢水库60，即3种水体均处于富营养化状态。结合图1可知，长江口边滩水库水具有较强的藻类增殖潜力，在适宜的温度等环境条件下具有藻类爆发的风险。
3种水 的富营养化程度均较高，在现场实际条件下，水下光照强度有可能成为藻类增殖的决定因素闭。宝钢水库由于较长的水力停留时间，其浊度仅为3.7NTU，导致其水下光照强度较高，有利于藻类的增殖。黄晓深203年现场实测宝钢水库的叶绿素a为204. 5ug/L，而陈行水库为69.2ug/L。因此，对长江口边滩水库而言，水力停留时问对藻类增殖影响很大，对水力停留时间的调控非常重要。然而，长江口的来水水量和水质具有显著的季节性，同时建设长江口边滩水库时必须采取“避咸蓄淡、避污蓄清”和“以空间换时间”的策略以减少来水水质对饮用水的影响，这就要求水库必须有较大的库容和较长的水力停留时间，如正在建设的青草沙水库库容为5.55亿m3，水力停留时间大约为5Od。考虑到水力停留时间为30 d左右的宝钢水库在实际运行中出现了藻类猛增的严峻现状新建的青草沙水库同样面临着蓝绿藻爆发风险，必须寻找调控水力停留时间之外的、行之有效的控藻技术。
现行的控藻、除藻技术以水源地原位控藻和给水厂除藻为主。其中给水厂除藻成本较高，同时给水厂的处理能力有限，难以处理含藻量高的源水;水源地原位控藻技术采取营养盐控制和生态控藻相结合为主，能够从根本上解决水源地的藻类问题.
但成本较高，而且见效慢。长江口边滩水库面临的严峻富营养化形势迫切需要开发一种成本低且能迅速控藻的水源地原位控藻技术。
2.4 遮光控藻的实际效果
图 2为 2 006年8月9日至2006年9月4日围隔遮光控藻中叶绿素a的变化。人工添加氮、磷营养盐的1、2号围隔均出现了水华，其中2号围隔在试验进行到第17天中午时开始发生水华，水面聚集大量绿色漂浮物，在第19天时叶绿素a达到176，9ug/L.
在第19天对2号围隔进行遮光处理，遮光后第2天水华现象即消失，叶绿素a降至45.5ug/L。在此之后，水体叶绿素a进一步下降，至第26 天水体叶绿素a降到21.4ug/L，达到围隔水华发生前的叶绿素a水平，表明已成功控制住了2号围隔内藻类的增殖。与此相反，未遮光的1号围隔内藻类持续增殖并发生水华，试验期间叶绿素a最高达到262.0ug/L.

2.5 遮光后水体的光合作用状况
图3为遮光前后围隔内光照强度随水深的变化。由图3可知，在晴天的中午，遮光围隔水下0.10m的光照强度从不遮光时的70000lx降至800lx.在水下0.80 m处的光照强度从不遮光时的12000lx降至50lx左右，说明本研究使用的遮光材料能够有效地降低水下的光照强度.

图3显示 ，遮光前，发生水华状态时的2号围隔内水下0.80m处的光照强度为12O0Olx(正午)，而由图4知，此时净光合放氧速率(以每小时内每毫克叶绿素a释放氧气的摩尔数计，下同)达到517.3
umol/(mg•h)。光照强度对光合作用影响非常显著，遮光后，正午时水下0.30 m光照强度为40 lx.
其水体净光合放氧速率为一4.2umol/(mg•h)(见图4)，接近于。，即光合作用产氧的速率与呼吸作用耗氧的速率接近，此时的光照强度即为光补偿点。可见围隔内藻类的光补偿点约为400lx，此时对应的正午时水深为0.30 m。也就是说，在正午最大光强下，遮光后的光补偿深度小胡为0.30m，超过此深度净光合放氧速率为负值，呼吸作用大于光合作用。因此，遮光有效抑制了藻类光合作用的进行。

遮光处理能迅速降低水体叶绿素a浓度，控制水华。对光合作用的抑制以及呼吸消耗显然是重要的作用机制。但很可能还存在其他作用机制，例如遮光可能导致藻细胞活性降低并促进其沉降作用等。相关的研究目前正在进一步进行中。
3 结论
(1 )长江口及两边滩水库中总氮、总磷已处于富营养化水平，且有较强的藻类增殖潜力。未来新建的边滩水库存在水力停留时间较长的问题，有蓝绿藻爆发的风险。
(2 )采用遮光材料对发生水华的围隔进行遮光，7d后水体叶绿素a由176.9ug/L降至21.0ug/L，围隔内水华得到了快速有效地控制。
(3 )物理遮光能够显著降低水下的光照强度，提高光补偿深度，抑制藻类的光合作用，控制藻类水华的发生

梦岩

顶一下！！！！！！！

梦岩

遮光围隔中铜绿微囊藻的时空分布特征
梁 瑜，陈雪初，孔海南’，吴德意，黄莹莹
(上海交通大学环境科学与工程学院，上海200240)
摘要：为了解遮光控藻技术的机理，研究了遮光围隔中铜绿微囊藻的时空分布特征．2006年1O月末在人工围隔内诱发铜绿微囊藻水华后开展遮光试验，遮光前水中叶绿素a浓度、DO、pH值分别为107．1ug/L、9．7mg／L、9．1，遮光7d后显著下降为44．5ug/L、2．6mg／L、8．0．在群体形态方面，遮光前约71．4％群体直径>50um,而遮光后几乎都在50um以下，证实了遮光法对铜绿微囊藻水华的控制效果．对水体不同深度处的叶绿素a浓度的监测结果表明，遮光后5d内铜绿微囊藻群体出现上浮聚集现象，分析认为该现象与藻类自身的浮力调控机制有关．
关键词：遮光；铜绿微囊藻；时空分布：光补偿点；浮力调控
中图分类号：X171．4 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2007)06—0821—05
近年来。我国湖泊、水库水源地的富营养化问题日益严峻，有毒有害水华现象频繁发生．因此，开发适应我国国情的控藻技术，是城市供水安全保障工作的迫切需求．遮光控藻法因其低成本、易维护等优点受到关注，该技术通过遮盖约1／3左右的水源地水面可抑制藻类增殖．作者前期通过开展人工气候室内的模拟研究，自然水域的人工围隔研究，以及人工水池中试研究，证实了遮光法对藻类水华的控制效果．但其控藻机理尚不明了，特别是对于铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)类能够形成较大群体的藻类更是如此．刘春光等研究发现，围隔内叶绿素a浓度随深度增加而降低，藻的平均生物量先升高后逐渐降低．唐汇娟观察到围隔内微囊藻存在昼夜垂直迁移现象。而其他藻类并无这一特性．但对遮光条件下藻类(特别是微囊藻类)的动态变化与分布缺乏研究．本研究采用软体浮式人工围隔开展了相关试验，研究了遮光后铜绿微囊藻在水体中的时空分布特性，探讨了遮光控藻的机理，旨在为遮光控藻技术的实际应用提供依据．
1 材料与方法
1．1 材料
铜绿微囊藻购自中国科学院武汉水生生物研究所，试验前扩大培养1周，再饥饿培养48h．取一定体积的藻种以3000r／min离心15min，弃掉上清液。用15mg／L 的碳酸氢钠溶液洗涤后，3000r／min离心，重复3次．最后用无菌水稀释后用于接种．接种量为5×l0 ～l×l04 个／mL；其他藻种均源自上海交通大学致远湖．
试验在上海交通大学致远湖内进行．试验设置的软体浮式围隔采用HLPE防渗膜材料，规格为1．2mx 1．2m，有效水深1．4m，采用PVC管外加塑料泡沫提供浮力，将内外湖水隔离，项部无遮盖，
底部密封无底泥．遮光材料为黑色聚乙烯遮光网．
试验期间，致远湖水呈现弱碱性，pH 值为7．5～8。3．围隔内TN 浓度为11．4-4．1mg／L，总体呈下降趋势；围隔外湖水TN 浓度为8．7～2．4mg／L，
波动较大．围隔内TP浓度为0．3–0．5mg／L，围隔外湖水为0．02-0．10mg／L．
1．2 实验方法
2006年8月初于围隔内接种实验室培养的铜绿微囊藻．于2006年8月l0日和l0月l0日2次投加NaNO3和KH2PO4，调节围隔内水体的TN为6mg／L．TP为0．5mg／L．正式试验时间为2006年l0月30日-2006
年11月l4日．每隔1日在16：00分别于围隔内0．2，0．4，0．6，0．8，1．0，1．2m 深度处采样．观测围隔内外pH值、TP、TN、叶绿素a浓度、DO、铜绿微囊藻密度(经超声波破碎群体后计数)等变化．
1．3 测定方法
细胞密度采用平板计数法，在Olympus双筒显微镜下测定；pH值采用便携式HACH LDO pH计测定：光照度采用ZDS．10型自动量程光照度计测定；DO采用830A便携式溶氧仪测定：TP、TN、叶绿素a等水质指标的测定参照文献，光合产氧速率的测定参照文献进行，
2 结果与讨论
2．1 水华发生时围隔内藻类生长及环境变化
2006年10月末上海地区为多云有风天气，昼夜温差约为l0℃．10月30日围隔表面漂浮大量绿色颗粒物经镜检确认出现了以铜绿微囊藻占优势的水华暴发．此时围隔内叶绿素a均值为66．1 ug/L表层为81．60ug／L),藻细胞密度约为2．5xl04个／mL(表层约为3x104个／mL),pH值均值为8．8(表层为9．1)．4d后水华加剧，围隔内叶绿素a均值为107．Iug/L,pH值均值为9．1,DO均值为9．7mg／L．
10月30日16：00采样发现，铜绿微囊藻主要分布在围隔表层(水下0．2m以上)和下层(0．6m以下)，细胞密度分别约为3．4×l04 ，3．3×l04 个／mL；中层(0．2～0．6m)密度较小，约为1．0×l04 个／mL；而底层(水下0．8m以下)细胞密度约为2．4×l04 个／mL．由图1可见，铜绿微囊藻群体直径主要集中在25～175um。而>50um的群体约占71．4％．

2．2 遮光对水下光照度的影响
本研究采用的遮光材料能够有效降低水下的光照度，单层遮光率约为75％，双层遮光材料达到的遮光率约为99．3％(图2 ．在入射光照度为22600 Ix时，未遮光情况下水下0．2m处光照度实测为7600 Ix。遮光后显著降低至37．5 lx．遮光前后水下光照度随水深的垂直变化均符合朗伯一比尔定律，即随着水深的增加，光照度呈指数规律下降．方程拟合后得到的光衰减系数( 值为3．64m一1遮光后第6d，为提升控藻效果，增加了1层遮光网，此时入射光强削减率达到99．7％，水表层光照度已低于大部分藻类的光补偿点．
2．3 遮光后叶绿素a及DO、pH值的变化
1 1月4日铜绿微囊藻水华加剧，分层测得的叶绿素a浓度平均为107．1ug ／L．当天下午对围隔进行双层遮光处理，遮光控藻效果如图3所示．遮光后第2d水华现象减弱，水面绿色聚集物减少。叶绿素a浓度均值降至71．8ug／L．此后水质表观状况逐渐改善，遮光第7d，水质恢复清澈；第9d叶绿素a浓度均值降至33．9 ug／L，仅为遮光前的31．7％．遮光前后镜检未发现食藻浮游动物的明显增加，基本排除了浮游动物的摄食作用导致叶绿素a浓度突降的可能性．在遮光促使水华迅速消退的同时，由于微囊藻光合作用迅速减弱，使得呼吸作用速率远高于光合作用速率，围隔内水体DO均值由9．7mg／L逐渐下降至2．6mg／L．与此同时，围隔中pH均值也由初始的9．1逐渐降至8．0．这与微囊藻光合作用减弱，水中C02消耗量相应减少有关．除此之外，试验中还观察到随着遮光时间增加，微囊藻群体尺寸不断减小的现象．遮光7d后群体大小基本都在50um 以内，这与遮光前>50um群体占71．4％的情况迥异．

梦岩

遮光可导致铜绿微囊藻的比增殖速率显著下降，从而抑制它的持续增殖．以铜绿微囊藻在BG．1 1培养基中的增殖为例，当光照度≤500 Ix时，比增殖速率显著下降，不到最适光照度4300 Ix时的1／2．本试验也观察到了随着遮光时间增加，铜绿微囊藻的数量显著下降的现象．图4为人工气候室内纯培养的铜绿微囊藻在260C条件下的产氧速率与光照度的关系．当光照度为500 Ix时，产氧速率接近为0，此时呼吸作用耗氧与光合作用产氧相互抵消，即为光补偿点．低于光补偿点时，铜绿微囊藻呼吸作用占主导．随着光照度进一步降低，耗氧速率逐渐上升，这就迫使藻类不断消耗自身有机营养，趋于消亡．换言之，在低光照度条件下，初级生产力将受到光的限制，会出现负值的状况，这可能是导致围隔中铜绿微囊藻逐渐消亡的重要原因．尹澄清等于20世纪90年代初在巢湖现场实验中也观测到了湖水透明度低(10～16cm，lm深处光照度仅70 lx1时整个水层的净生产力为负值的现象．另一方面，遮光围隔中叶绿素a浓度、DO、pH值、铜绿微囊藻群体形态等特性变化又均与铜绿微囊藻数量变化有关．

2．4 遮光后铜绿微囊藻的空间分布
由图5可见，遮光前藻类积聚于水体表面，表层叶绿素a浓度高达125．4ug／L．随着深度增加，叶绿素a浓度逐渐递减．遮光第ld叶绿素a浓度大幅下降，但仍有部分藻类积聚于表面，而水体表层以下叶绿素a浓度基本呈均匀分布．值得关注的是，遮光第1d到第5d，虽然0．4m以下叶绿素a浓度基本呈均匀分布，但0．2m处叶绿素a浓度却由71．9ug/L 增加到80．6 ug／L，第5d更是出现了明显的越接近表层叶绿素a浓度越高的现象．即铜绿微囊藻出现了上浮聚集的趋势．第6d加盖一层遮光网后，水表层藻类积聚现象消失，到第7d整个水体叶绿素a浓度分布均匀；第9d则出现上层叶绿素a浓度低，底层浓度高的现象，显示了表层微囊藻逐渐下沉的迹象．

图6为相应的各层DO分布情况．由于遮光前围隔内发生水华，导致水体DO处于过饱和状态，表层高达l 1．2mg／L．遮光第ld，表层DO 降到8．1mg／L，从表层至0．8m处DO差别极小．0．8m以下时DO随深度增加下降很快，这可能与底层水体难以通过自然作用复氧有关．此后底层DO 下降不多，而表层DO下降速率较快，从总的趋势来看，各层DO逐渐接近，至第7d水体各层DO均一(2．6mg／L左右)．
由图7可见，遮光前围隔内pH值随水深增加而递减．这是由于越接近表层光合作用越强烈．水中CO2消耗量越大所引起．遮光第1d，表层pH值由9．2迅速降至8．4，而0．6m 以下变化不大．此后直 第5d，表层pH值都较其他各层低，可能与遮光后微囊藻浮聚于水体上层，呼吸作用强烈，C02释放量加剧有关．到第7d，各层pH值均低于8，且较为接近，恢复到水华发生前水平．

遮光后5d内观察到的铜绿微囊藻随遮光时问逐渐上浮的趋势可能与该藻自身的浮力调控机制有关．Gibson发现随着光强和光照时间的增加，铜绿微囊藻糖合成量线性增加，从而导致藻细胞密度的线性增加．Visser等进一步通过测定藻类糖合成量间接计算出了微囊藻的密度变化．近年来，Visser等，Wallace等，及Walsbv等的野外现场研究和数学建模结果解释了在光限制条件下的微囊藻垂直迁移规律，即由于呼吸作用，细胞内糖类物质将不断消耗，导致群体密度下降，浮力提升，从而迅速上浮．本试验围隔中的铜绿微囊藻大部分以直径为25～175um的群体状态出现．遮光条件下水下光照度低于光补偿点，由于呼吸作用远大于光合作用，细胞内糖类物质不断被消耗，细胞密度持续减小，从而促使铜绿微囊藻浮力增加并向水面迁移，导致水表面叶绿素a浓度逐渐高于中下层．但在第6d加盖一层遮光网使得水下光照度低于90 lx时，微囊藻却出现了沉降现象，这与已有的研究结果不符．推测认为，可能是由于遮光时间以及遮光强度超过极限范围之后，微囊藻自身消亡和丧失活性所致，具体原因还有待今后深入研究．
3 结论
3．1 铜绿微囊藻水华发生时进行遮光，围隔内叶绿素a、DO、pH值分别由初始时的107．1ug／L、9．7mg/L、9．1下降为7d后的44．5ug／L、2．6 mg／L、8．0．遮光前直径>50um 的群体约占71．4％，遮光7d后群体直径基本都在50um以内．
3．2 遮光第1d到第5d，0．2m处叶绿素a浓度由71．9ug／L增加到80．6ug／L，且越接近表层叶绿素a浓度越高，表明遮光初期铜绿微囊藻群体存在逐渐上浮聚集的趋势．这与其自身的浮力调控机制有关．
参考文献：

梦岩

原帖由 梦岩 于 2009-6-23 05:15 发表
遮光可导致铜绿微囊藻的比增殖速率显著下降，从而抑制它的持续增殖．以铜绿微囊藻在BG．1 1培养基中的增殖为例，当光照度≤500 Ix时，比增殖速率显著下降，不到最适光照度4300 Ix时的1／2．本试验也观察到了随着遮光 ...

1111111111111111111111111111111111

梦岩

原帖由 梦岩 于 2009-6-23 19:41 发表

1111111111111111111111111111111111

22222222222222222222222222222222222222

梦岩

遮光控藻
    1为生态浮岛区，2为第一级生态透水坝，3为生态遮光区，4为第一级生态透水坝，5为水质稳定区
    具体实施过程如下:
    1.首先对水源地进行区域划分，根据图6-10，将饮用水源地依次分为生态浮岛区1>第一级生态透水坝2>生态遮光区3，第一级生态透水坝4，水质稳定区5o
    2.根据水源地日取水量V、区域平均水深H来确定各区域水面面积。
    若取水力停留时间为T，则各区域面积可按下式计算:
                                     S= V/(H*T)
    其中，生态浮岛区T一般为0.1-1天;生态遮光区T为7-10天;水质稳定区T为3-5天。
    3.水质稳定区内不设置任何人工构筑物，主要利用水体的自净作用，自然净化水体;水质稳定区划定后，在水质稳定区外围构筑生态透水坝，透水坝卞要有砾石构成，坝身高出日常水位0.3-0.7米，沿水流方向宽度为2-5米，坝上种植芦苇、菱白等湿生植物，在发挥砾石截留作用的同时，利用植物根系的水质净化功能来净化水质;沿生态透水坝外围打木桩，
同时在遮光区打木桩，将遮阳网相连接，形成遮光区，同时可根据水源地具体情况在遮阳网上种植空心菜、水芹菜等形成生态遮光;然后在遮光区外围构筑生态透水坝，以第一级生态透水坝为基础，构建生态浮岛区。
4.由于水质稳定区不断的取水，使得整个区域外围水体不断流入生态控藻区域，经过生态浮岛、生态透水坝和生态遮光区的共同作用，去除水体中的藻类和部分营养物质，并经过一定时间的水体自净后，进一步调理水质，减轻城镇自来水长的水处理压力，得到较为优质的饮用水。

梦岩

原帖由 梦岩 于 2009-6-24 08:55 发表
遮光控藻
    1为生态浮岛区，2为第一级生态透水坝，3为生态遮光区，4为第一级生态透水坝，5为水质稳定区
    具体实施过程如下:
    1.首先对水源地进行区域划分，根据图6-10，将饮用水源地依次分为生态浮岛区1> ...

水厂工艺遮光控藻

淡水鱼。。

遮光法控藻还是有一定效果的，我们在实际中就用过

不过像二沉池等圆形池子遮光实施起来就比较困难。