蓝藻水华爆发过程溶解性有机质产生及其降解过程研究

1、 1 学号：学号： 20141226552 南 京 信 息 工 程 大 学南 京 信 息 工 程 大 学 研究生学位论文开题报告研究生学位论文开题报告 及 论 文 工 作 实 施 计 划及 论 文 工 作 实 施 计 划 所在院（所）所在院（所） 应 用 气 象 学 院 学学 科科 专专 业业 生 态 学 研研 究究 生生 孙 伟 学学 位位 级级 别别 硕 士 导导 师师 李 琪 开题报告日期开题报告日期 2 0 1 5 . 1 2 . 2 3 入入 学学 年年 月月 2 0 1 4 年9 月 南 京 信 息 工 程 大 学 研 究 生 院 2015 年 12 月 23 日 2 说说 明明

2、1、论文开题报告由研究生向院（所）报告后，听取意见并整理成文后填写； 2、论文工作实施计划由指导教师填写； 3、博士生在第六学期结束前完成，硕士生在第三学期结束前完成； 4、本表一式一份，提交研究生院审核盖章后，由学院留存整理归档。 3 一、论文开题报告 论文题目 蓝藻水华爆发过程蓝藻水华爆发过程溶解性有机质产生及其降解过程溶解性有机质产生及其降解过程研究研究 研究方向 环境生态学环境生态学 题目来源 国家 部委 省 市 厂、 矿 自选 有无合同 经费数 有 题目类型 工程技术 应用研究 理论研究 跨学科研究 其它 4 开题报告内容： 一、研究背景一、研究背景 我囯湖泊众多，绝大部分已富营养化

3、，其中有部分蓝藻爆发或曾爆发。如 “三湖 ” （ 太湖 、巢湖和滇池）是蓝藻年年严重爆发的浅水型湖泊，其它有一部分湖库发生间隔性蓝藻 爆发或轻度爆发，鄱阳湖和洞庭湖等大型湖泊虽已富营养化但因为换水次数多而未蓝藻爆发，洪泽湖虽换水次数较多但也发生多次轻度蓝藻爆发及数次较重蓝藻爆发，三峡水库支流的 回水河段也发生间隔性或轻度蓝藻爆发或藻类爆发1。蓝藻是一类极其古老、微小的原核生物,长期的进化形成了极强的生态竞争优势, 在适合的环境条件下即可获得最大生长率, 并以指数级迅速增长2-3。研究发现蓝藻具有自我强化机制作用的生态生长调节素, 可使其产生尽可能多的后代, 从而使产毒菌株密度增加, 获得竞争优

4、势,形成种类少而数量大的蓝藻水华4。 研究发现蓝藻具有自我强化机制作用的生态生长调节素,可使其产生尽可能多的后代, 从而使产毒菌株密度增加, 获得竞争优势, 形成种类少而数量大的蓝藻水华5-8。蓝藻水华有多种相近似的定义。目前大多数学者普遍认同蓝藻水华是在富营养化水体中蓝藻大量增殖，水体中叶绿素 a 浓度超过 10mg/m3或藻细胞超过 1.5 107个/L，并在水面形成一层蓝绿色或有恶臭的浮沫。 我国报道的发生水华的蓝藻共 26 种， 其中微囊藻属 10 种， 鱼腥藻属( Anabaena) 12 种，拟鱼腥藻属( Anabaenopsis) 、束丝藻属( Aphanizomenon) 、浮

5、丝藻属( Planktothrix) 和拟浮丝藻属( Planktothricoides) 各 1 种; 国外记载了约 89 种9。Dokulil 和 Teubner10使用温带和(亚) 热带地区各种浅水和深水湖泊的原始数据和文献资料分析并讨论了蓝藻优势形成的机制， 认为蓝藻的长期优势通常是由多种因素( 营养浓度，湖泊形态，水温，水底光可用性，混合条件等) 引起的。孔繁翔和高光11分析了导致蓝藻水华形成的化学、物理和生物等主要环境因素，论述了蓝藻，尤其是微囊藻属( Microcystis) 成为水华优势种的可能原因，并提出了蓝藻水华成因的“四阶段理论” 。2008 年出版的 Hudnell 主

6、编的书中，提出了有害蓝藻水华研究的理论框架，确定研究的 9 个主要方向并进行了详细的论述12-15。 蓝藻水华通过产生毒素、死亡分解时使水体缺氧和破坏正常的食物网威胁到饮用水安全、公众健康和景观， 会造成严重的经济损失和社会问题。 蓝藻大量生长改变了水体的理化环境, 透明度降低, 水体散发腥臭味, 溶解氧减少16。当水体中的营养素被蓝藻耗尽时, 蓝藻大量死亡,各种有害气体及蓝 藻毒素大量释放, 最终导致水生态系统的迅速崩溃。蓝藻水华也给水产养殖业、供水及旅游业带来极大的危害。蓝藻水华发生机理是阐明蓝藻水华发生规律的生态学理论17。近年来，特别是 2007 年太湖蓝藻水华引起的饮用水危机以来，蓝

7、藻水华一直备受各级管理部门和社会各界关注，这一重要生态学领域在不断取得新成果。深入研究蓝藻水华的爆发过程及其机理，加深对蓝藻水华产生及消亡机理的科学认识，可以为蓝藻水华的防治提供可靠的理论支撑18。 二、二、藻源性藻源性 DOM 研究国内外现状研究国内外现状 在蓝藻水华的爆发过程中必然伴随着蓝藻死亡分解。在藻类死亡和分解的过程中，由于氧气的大量消耗会造成一个厌氧的环境导致水生生物的死亡；在分解的过程中还会伴随着 N、P 等无机营养盐和有机质的释放19-22。 溶解性有机质(DOM)是水生生态系统中一种重要的、活跃的化学组分。DOM 在水环境中会影响水体的酸碱特性、营养物质的有效性和污染物质的环

8、境行为特性，如污染物质的毒性、迁移转化特性及生物可降解性等；同时，对重金属元素和有机污染物在水环境中的迁移行为也具有重要影响23。 溶解性有机质可以吸收 UV-B 辐射，减少紫外对水生生物的伤害：从溶解性有机质中有色溶解性有机质的吸收光谱来看，其对紫外光吸收最强，在近红外光处吸收趋向于零24。由于有色溶解性有机质对紫外辐射的强烈吸收，因此限制了对生物有害的 UV-B 辐射的深度。因为在藻型湖泊中溶解性有机质的较高含量，造成短波长的光在水体中衰减较快，减少了紫外光对水体生态系统的影响25-26。 溶解性有机质可以直接或间接被微生物利用。在溶解性有机质中含有大量有机营养物质，有利于 5 上层藻类特

9、别是具有气囊的微囊藻大量生长繁殖；藻类能够较快地运用有机营养物质，高溶解性有机质为其快速生长提供了必要的条件。藻类的生长周期短，藻类生长繁殖死亡的过程中经过光合作用积累和生产的有机质也会被溶解于水体，又加剧了水体中可溶性有机质浓度的增大，这样反过来又促进了藻类的生长繁殖，而形成了溶解性有机质的循环。溶解性有机质本身也可以进行光的降解作用产生大量游离态的离子基团从而改变水体的环境27。 溶解性有机质可以和金属（如 Fe、Cu）作用，影响金属的生物可利用性；可以调节湖泊的 pH 值，起到缓冲作用。 溶解性有机质（DOM）来源主要有两个方面：内源输入和外源输入。内源与生物活动密切相关，主要为水体中的

10、浮游动植物有机体光降解、细菌降解、浮游动植物和浮游细菌细胞渗漏等;而外源主要为地表径流引起的周围土壤中动植物残体及有机质的汇入以及工农业污水、 生活污水的排入， 此外，河水输入也是湖泊 DOM 的重要外源，一般情况下外源输入对湖泊溶解性有机质的影响从湖边到湖心区域成依次递减的，所以在湖心区域主要以内源输入为主，而在靠近陆地的湖区外源输入占主要部分28。 目前在国内外研究方面：傅平青等利用荧光发射光谱、三维荧光光谱研究云贵高原湖泊红枫湖和百花湖中的 DOM 的组成、 荧光光谱特性及其在湖泊水体中的垂直分布情况29。 张运林等利用三维荧光对太湖溶解性有机碳的来源也进行了分析，并取得了丰富的研究成果

11、。胡素征等通过测定 2014 年 2、3 月份长江口表层水中有色溶解有机物(CDOM)吸收光谱及溶解有机碳(DOC)质量浓度，探究CDOM 的来源及其与 DOC 的关系31。Stedmon 和 Mmarkager32通过藻类降解实验，运用三维荧光分析法追踪内源 DOM 的生成与降解，研究了在不同无机营养状态下浮游植物对 DOM 的产生以及利用情况。 通过文献的查阅，发现藻源性 DOM 产生是随着藻类的消亡降解而产生的。藻源性 DOM 在湖泊生态系统中的循环主要要有两条路径33-35。其中一条是藻源性 DOM 经过自然光的降解作用产生DON、NH4+、NO3-、NO2-、PO43-等离子可以提供

12、给藻类促进藻类的生长，从一方面促进了蓝藻水华的爆发；另一条途径是藻源性 DOM 经过细菌的分解，产生 N、P 等无机营养盐,无机营养盐的增加进一步加剧蓝藻水华的爆发，部分的蓝藻和细菌被浮游动物所捕食，大部分蓝藻自动消亡降解又会产生藻源性 DOM。这就形成了 DOM 在湖泊生态形态中的循环过程36。但现有研究大多为室内培养藻类研究其 DOM 的释放；且对其后续的光降解和生物降解缺乏系统的研究，导致对 DOM 的不同组分的光解和细菌降解性质了解不深入， 为此本研究将从蓝藻水华爆发过程 DOM 的产生、 DOM 的转化 （光降解和细菌降解）进行系统的研究。 三、实验三、实验内容内容 本文研究基于原位

13、和人工控制实验， 利用吸收光谱和荧光等技术,揭示蓝藻水华爆发过程溶解性有机质的产生和降解过程。具体研究内容包括以下几个方面； 1、 DOM 的变化研究 设计不同浓度蓝藻的围格来模拟蓝藻爆发和消亡的过程，在其过程中采集水样，分析和测量其中溶解性有机质的变化过程、各种水质参数和组分。 2、 DOM 光降解研究 通过控制不同的受控因素如光强、波长、溶解氧、PH、光照时间等情况下，研究 DOM 的分解情况分解情况及其影响因素。 3、 DOM 细菌降解实验 将藻源性 DOM 稀释后接种取样湖水避光培养，取样进行分析三维荧光和吸收光谱、细菌丰度的测定，来研究细菌降解藻源性 DOM 的过程及其影响因素。 6

14、 四、四、DOM 表征表征方法方法 现阶段对于 DOM 的研究主要集中于对 CDOM 的研究，表征的方法主要有紫外可见吸收光谱和三维荧光光谱法。 （一）紫外光可见吸收光谱 紫外分光光度计测量 CDOM 的光谱吸收系数通常采用通过 GF/F 过滤的水样在 UV2401 分光光度计下测定其吸光度 , 然后根据 (1) 式进行计算得到各波长的吸收系数。 a () = 2 . 303 D ()/ r （1） 式中 , a()为波长入未校正的吸收系数 (m -1)，D ()为吸光度, r 为光程路径 (m )。 （二）三维荧光光谱法 三维荧光技术( 3DEEM) 能够获得激发波长和发射波长同时变化时的荧

15、光强度信息，能够对多组分复杂体系中荧光光谱(发射/激发， Ex/Em) 重叠的对象进行光谱识别和表征， 是一种很有效的光谱指纹技术36。当前用来定量描述和区分 CDOM 荧光特性的指标主要有 5 种：荧光指数、新鲜度指数、腐殖化指数、氧化还原指数和荧光强度比值37。 (三)平行因子分析法在三维光谱图中的应用。 平行因子分析（PARAFAC）是基于三线性分解理论，采用交替最小二乘算法实现的一种数学模型，广泛应用于三维和高维数据的分析和应用。一方面，与一些二维数据分析方法（如主成分分析法）相比平行因子分析的解是唯一的， 因而较好的避免了由于研究者本身的随意性而造成的分析结果的差异；另一方面平行因子

16、分析法可以将荧光信号分解为相对独立的荧光现象而加以鉴别，从而提高了准确性。近年 Stdemon 来等利用 PARAFAC 方法来对 CDOM 的三维荧光光谱进行解谱，可客观地识别出样品中各个荧光组分的特征及其浓度38。 7 五、实验设计及方案五、实验设计及方案 （一）（一）不同浓度蓝藻降解（消亡）过程产生的不同浓度蓝藻降解（消亡）过程产生的 DOM 1、实验围格的设计 按下图进行实验围格的设计。 2、实验地点和时间选取 此次实验地点选在安徽巢湖，实验的时间为 2015 年 7 月和 8 月。 3、采样时间 从施加不同的藻浓度起第二天开始采样，采样的周期为隔天采样，采样的次数预计为 10 次。

17、4、样品采集 上层水 下层水 此次实验采集水样按上图进行，分上下层取样，即每个围格都需要取其上下层水样，一次采样为6 种水样。每层水样都做以下处理； （1）取原水样 40ml 装瓶，测总氮总磷（TN、TP） ； （2）取 45ml 原水样至 Corning 离心管加 0.1mol/L 的硝酸使得 PH2，测总金属含量； （3）用事先蒸馏水浸泡 1 小时的 0.45um的玻璃纤维膜过滤原水样直至很慢，记录体积，滤膜保存 2ml 离心管，测叶绿素； （4）经 0.45um过滤的水样装瓶，测溶解性氮磷和三氮一磷； （5）使用事先经过马弗炉烧过并称重的 0.7GF/F 膜过滤原水样，记录过滤体积直至很

18、慢，滤膜用锡箔纸包好后装入塑封袋，测总悬浮物（TSS）和烧失量（LOI） ； （6）用没有称重的 GF/F 膜过滤原水样，记录过滤体积直至过滤很慢，滤膜用锡箔纸包裹装入塑封袋，测 POM； （7）经过 0.7umGF/F 膜过滤的水样用 30ml 棕色瓶避光保存，测 DOC； （8）将经过 0.7umGF/F 过滤的水样用 0.2um膜过滤，过滤后的水样用 60ml 的棕色瓶避光保存，测有色溶解性有机质（CDOM） ； （9）将上述经过 0.2um过滤的水，用 50ml 康宁管装好，测溶解性金属； （10） 将上述经过 0.2um滤膜过滤的水样取 0.4ml， 先后加入事先配好的 0.5ml

19、的缓冲溶液和 0.4ml菲啰嗪后用锡箔纸包好避光保存，测 Fe2+； 上述水样和膜都需要冷冻保存， 带回来后进行测样分析， 导出数据运用数学模型分析， 得出结论。 1 号有底围格叶绿素浓度 12.47mg/l 2 号有底围格叶 绿素浓度 25.5mg/l 3号有底围格叶素浓度 56.38mg/l 5m 5m 3.5m 0.3m 0.2m 8 （二）藻源性（二）藻源性 DOM光降解光降解 1、藻源性 DOM 的获取 在太湖蓝藻水华爆发时，在爆发区采集水样，离心得到蓝藻；用超纯水洗涤干净后再将蓝藻放到超纯水中。避光，过程中蓝藻细胞死亡后会释放出 DOM。用 0.22um的滤膜过滤得到的溶液即为藻源

20、性 DOM 溶液。测定 DOC 浓度。 2、光照实验 将得到的藻源 DOM 溶液用超纯水配制为 DOC 浓度为 10 mg/L 的溶液，进行光照实验，研究藻源性DOM 在光降解过程组成的变化和光源（强度和光波长）、溶解氧和 pH 对光降解的影响 3、实验过程：将藻源性 DOM 溶液（经 0.22m 过滤）加入到光反应器中(图 3)，开启转动盘；控制反应温度为（25 C） ，最好溶液放在里面半个小时保证温度，开启汞灯的电源，并以此时作为反应的开始时间（t=0） 。在不同的反应时间(通常为 012 h)进行取样（取样的时候记得带墨镜） ，分析和溶液的荧光光谱、吸收光谱变化。 4、强的影响：500

21、W 汞灯， 300W 汞灯和 100W 汞灯 波长的影响：加不加滤光膜 溶解氧的影响：曝氧气气，不同流量的氧气 3m3,6m3,9m3 pH 的影响： pH=6， 7， 8 光照时间： 012h，时间间隔为 1 小时 图 3 光化学反应仪 （1-光源；2-石英冷阱；3-滤光片；4-石英反应器；5-磁力搅拌子） （三）细菌降解实验（三）细菌降解实验 将得到的藻源 DOM 溶液用超纯水配制为不同 DOC 浓度的溶液。 按照 1:100 的比例接种取样点湖水。避光培养 10 天，每天取样进行三维荧光和吸收光谱、细菌丰度的测定，研究细菌降解过程对藻源性DOM 的组成和结构的影响。 51234345温度

22、显示转数显示旋转搅拌开关 9 （四四）技术路线图技术路线图 六、创新方面六、创新方面 1. 原位观察藻类消亡过程 DOM 的产生，更符合实际 2. 对藻源性 DOM 的产生和变化进行了系统的研究，明确藻源性 DOM 在湖泊生态系统的循环和变化过程。 10 七七、参考文献参考文献 1 吕桂才，赵卫红，王江涛平行因子分析在赤潮藻滤液三维荧光光谱特征提取中的应用J中国分析化学，2013，38(5)：1144-1150 2 程远月， 郭卫东 厦门湾有色溶解有机物光漂白的三维荧光光谱研究J 光谱学与光谱分析， 2010，29（） ：990-993 3 傅平青，吴丰昌，刘丛强，等高原湖泊溶解有机质的三维荧

23、光光谱特性初步研究J海洋与湖沼，2007，38（） ：512520 4 Rochelle-Newall E J, Fisher TR. Production ofchromophoric dissolved organic matter fluorescence in marine and estuarine environments: an investigation in to the roleofphytoplanktonJ.MarChem,2002,77:721. 5 方芳， 杨艳， 翟端端等 三峡回水区 DOM 的7000 三维荧光光谱特征J 三峡环境与生态， 2011，(6)：9-

24、14 6 方芳，翟端端，郭劲松，等三峡水库小江回水区溶解有机物的三维荧光光谱特征J长江流域资源与环境，2010，19（） ：323328 7 Cammack, W. K. L., J. Kalff, Y. T. Prairie, and E. M. Smith. Fluorescent dissolved organic matter in lakes: relationships with heterotrophic metabolism. Limnol. Oceanogr,2008. 49:20342045. 8 魏群山，罗专溪，陈强，等天然水体溶解性有机物（DOM）分级组分对典型城市源污

25、染的荧光响应J环境科学研究，2012， （10） ：1229-1235 9 程远月， 郭卫东 厦门湾有色溶解有机物光漂白的三维荧光光谱研究J 光谱学与光谱分析， 2009，29（） ：990993 10 Dokulil and Teubner. Using flow cytometry for counting natural planktonic bacteria and understanding the structure of planktonic bacterial communities. Sci. Mar.,2009,64:197. 11 孔繁翔， 高光， 大型浅水富营养化湖泊中

26、蓝藻水华形成机理J 生态学报， 2006， 16 （） ： 425-430 12 Hader and R. P. Sinha. Solar UV radiation-induced DNA damage in aquatic organisms: potential environmental impact. Mutat,2007, Res. 571:221233. 13 Kawasaki and R. Benner. Bacterial release of dissolved organic matter during cell growth and decline: molecular

27、origin and composition. Limnol. Oceanogr,2012, 51:21702180. 14 Grzybowski W. Effect of short-term sunlight irradiation on absorbance spectra of chromophoric organic matter dissolved in coastal and riverine water Chemosphere, 2000,40:1313-1318. 15 秦伯强,杨柳燕,陈非洲等.湖泊富营养化发生机制与控制技术及其应用J.科学通报, 2006, 51(16):

28、 1857-1866. 16 郭卫东，黄建平，洪华生，等河口区溶解有机物三维荧光光谱的平行因子分析及其示踪特性 J环境科学，2013，31（） ：14191427 17 张运林, 杨龙元, 秦伯强等. 太湖北部湖区DOM浓度空间分布及与其它要素的相关性研究. 环境科学, 2008, 29(6): 1457-1462. 18 Pinhassi, J., et al. Changes in bacterioplankton composition under different phytoplankton regimens. Appl. Environ. Microbiol,2008,70:675

29、36766. 19 Keith D J, Yoder J A, Freeman S A. Spatial and temporal distribution of coloured dissolved organic 11 matter (CDOM) in Narragansett Bay, Rhode Island: implications for phytoplankton in coastal waters J. Estuar. Coast. Shelf S., 2002,55(5): 705-717. 20 吴 生 才 , 秦 伯 强 , 等 . 太 湖 梅 梁 湾 有 色 可 溶

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31、 dissolved organic matter (FDOM). J. Exp. Mar. Biol. Ecol.,2006,332:96105 24 Romera-Castillo C，Sarmento H，Alvarez-Salgado X A，etalLimnology and Oceanography，2010,55:446 25 Del VecchioR, Blough NV. Spatial and seasonal distribution of chromophoric dissolved organic matter and dissolved organic carbon

32、 in the MiddleAtlanticBightJ.MarChem,2004,89(1-4):169-187. 26 Yamashita,Y.,andE.Tanoue. Productionofbio-refractoryfluorescent dissolved organic matter in the ocean interior. Nat. Geosci, 2011,1:579582. 27 Green S, Blough N. Optical absorption and fluorescence properties of chomophoric dissolved orga

33、nic matter in natural waters J. Limnol Oceanogr,2001,39(8):1903-1916. 28 Ferrari GM. The relationship between chromophoric dissolved organic matter and dissolved organic carbon in the European Atlantic coastal areaandin theWest Mediterranean Sea (GulfofLions)J.Mar Chem, 2011,70(4):339-357. 29 傅平青，刘丛

34、强，吴丰昌三维荧光光谱研究溶解有机质与汞的相互作用J环境科学，2004,25( 6) :140144 30 张运林，秦伯强，龚志军太湖有色可溶性有机物荧光的空间分布及其与吸收的关系J农业环境科学学报，2006，25（5） ：13371342. 31 胡素征，李奕杰，宋贵生.2014 年夏季长江口有色溶解性有机物（CDOM）的分布、化学特性及其来源探究J海洋与湖沼，2015,11（7） ：112-145 32 Smith REH, S.Markager，Furgal JA, Charlton MN et al. Attenuation of ultraviolet radiation in a

35、large lake with low dissolved organic matter concentrations. Can J Fish Aquat Sci, 2008, 56: 1351-1361. 33 Chen, J., E. J. LeBoeuf, S. Dai, and B. Gu. Fluorescence spectroscopic studies of natural organic matter fractions. Chemosphere,2005, 50:639647. 34 Kowalczuk P, Cooper W J, Whitehead R F, et al. Characterization of CDOM in an organic- rich river and surrounding coastal ocean in the SouthAtlanticBightJ.AquatSci,2003,65(4):384-401. 35 Fellman J B,Hood E，DAmore D V，et alBiogeochemistry，2012，95（） ：277 36 Ortega-R