蓝藻水华暴发机制

1、教师姓名：刘 斌 学 院：城市建设与环境工程学院 专 业：环境工程 小组成员：罗华瑞 贾如雪 刘孟秋 陈怡汀 阚世豪 梁丽媛 陈溆东 杨 立 钟凯文 中国重庆 重庆大学 城环学院二一七年六月摘要：本文旨在介绍以太湖为例的蓝藻水华的爆发机制及控制对策。文章简述了蓝藻的构成及对蓝藻水华的定义；从内外两个方面深入探讨引起蓝藻爆发的原因；详述了如何以控污截源、生态修复、流域管理等手段控制蓝藻水华的持续爆发；并概括了蓝藻水华对当地水生态系统带来的危害及如何有效利用蓝藻水华。关键词：太湖，蓝藻水华，爆发机制，控制对策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. 蓝藻1.1基本特征1）细胞壁由纤维素（内层）和果胶质（外层）组成，细胞外有的具胶被或胶鞘。2）无色素体，色素均匀地散在细胞周围的原生质内。色素成分主要为叶 绿素a、胡萝卜素、藻胆素。 藻胆素是蓝藻的特征色素，包括蓝藻藻蓝素（c-phycocyanin

5、, C34H47N4O8）、蓝藻藻红素(c-phycoerythrin, C34H42N4O9) 和别藻蓝素(Allophycocyanin)等。3）无细胞核，只具核质而无核仁和核膜。属原核生物，称为蓝细菌（Cyanobacteria）4）同化产物主要是蓝藻淀粉(Cyanophycean starch)。1.2繁殖方式主要为营养繁殖和孢子繁殖，未发现有性繁殖，可产生的孢子有：内生孢子、外生孢子、厚壁孢子（休眠孢子）、藻殖孢。营养繁殖常见为细胞分裂，特殊为藻殖孢繁殖。（1）段殖体是蓝藻藻丝上两个营养细胞间生出的胶质隔片(凹面体)或由间生异形胞断开后形成的若干短的藻丝分段，又称藻殖段或连锁体。 图

6、1 繁殖方式图（2）厚壁孢子系由普通营养细胞增大体积，积累丰富营养，然后细胞壁增厚而成。厚壁孢子有极强的生命活力，能在不利环境条件下长期休眠。（3）异形胞是丝状蓝藻类(除了颤藻目以外)产生的一种与繁殖有关的特别类型的细胞，它是由营养细胞特化而成的。具有异形胞的蓝藻能固氮，当水中氮缺乏时，异形胞的数目显著增加。2. 蓝藻水华蓝藻水华指淡水水体中蓝藻大量繁殖的一种自然生态现象，是水体富营养化的一种特征，主要由于生活及工农业生产中含有大量氮、磷的废污水进入水体后，蓝藻大量繁殖后使水体呈现绿色的一种现象。3. 蓝藻水华的暴发机制与控制对策-太湖3.1太湖概况太湖是我国第三大淡水湖，同时也是个浅水湖泊，

7、面积2338km2，平均水深1.9 m。太湖又是我国最大的存在严重蓝藻水华的湖泊，是国务院指定重点治理的富营养化水域之一。如图1所示，太湖位于我国人口密集、经济发达的长江三角洲地区，太湖流域行政区划分属江苏、浙江、上海和安徽三省一市，流域总面积36895 km2，其中在江苏和浙江两省的区域占据了流域总面积的85.4%。太湖流域犹如巨大的引擎，推动着长江三角洲经济的腾飞和社会的进步。但由于长江三角洲地区经济多年来的高速发展，导致太湖沿岸生活污水和工业废水排放量猛增，畜禽养殖和农田肥料使用等造成的非点源污染面积不断扩大，加快了太湖流域水体富营养化进程，致使藻类频发，饮用水安全受到严重威胁.空间分布

8、西部沿岸发生蓝藻水华概率最大，其它湖区依次为大太湖、梅梁湾、南岸沿岸、竺山湖和贡湖。各湖区中蓝藻水华发生级别由高到低基本上沿袭北东南方向分布。 图2 太湖区域位置示意图 图3 太湖分区3.2蓝藻水华暴发模式太湖蓝藻水华的“暴发”实际经历了4个阶段. 第一阶段是蓝藻细胞增殖阶段: 在适宜的温度、光照和营养盐条件下, 蓝藻单细胞通过分裂与增殖从发育成小的多细胞群体, 而小细胞团的形成很可能是外部环境胁迫下胞外多糖分泌产生的粘合作用的结果. 第二阶段是蓝藻细胞团形成阶段: 水柱中具有一定生物量基础的蓝藻颗粒(或蓝藻小细胞团)在风浪扰动下发生碰撞, 在短时间内快速形成大细胞群体; 这样的过程可能会重复

9、多次, 并随着风速的变化再现多阶段和间歇性的发展. 第三阶段是蓝藻细胞团上浮阶段: 水柱中的蓝藻生物量积累至一定程度, 且大群体细胞团占多数; 同时, 风速小于细胞(团)上浮的临界风速(<3m/s)条件下蓝藻细胞团快速向水面聚集. 在聚集过程中, 细胞群体碰撞几率增加, 较小体量的细胞团更容易粘合形成更大的群体从而加速蓝藻水华的出现.第四阶段是蓝藻水华暴发阶段: 漂浮在水面上的蓝藻华在湖流的辐合或辐散作用下, 发生水平方向的漂移和聚集, 最终呈现蓝藻水华“暴发”的态势.图4太湖蓝藻水华“暴发”的概念性解释框图. (a) 蓝藻细胞分裂增殖; (b) 碰撞形成大细胞团; (c) 大细胞团上浮

10、形成可见水华; (d) 湖流携带的迁移与堆积3.3蓝藻水华发生的内外因素人们认为富营养化主要是内、外因相互作用的结果.导致水体富营养化的因素主要有:3.3.1外因营养物质的过度增加，总氮和总磷分别超过0.5和0.02mg /L，就会有水华爆发的隐患; 大气沉降对太湖氮、磷浓度的增加也产生了很大的影响。太湖每年总氮（TN） 、总磷（TP）的平均沉降率分别为2.0 tkm-2year-1和0.03 t km-2year-1。太湖每年通过湿沉降获得的TN和TP的总量分别为7500 t和4720 t，占到每年由进湖河流中TN和TP中输入量的7.3%和16.5%。湿沉降，特别是对于氮元素来说，对太湖的富

11、营养化已经产生了显著的影响。而大气TP污染则主要来自气溶胶等固体物质的干沉降，TN总沉降率曲线在春季35月出现高峰值的现象对太湖水体的富营养化具有潜在的促进影响，研究表明，太湖水域内TN和TP的浓度与沉降量之间呈现一种反线性函数关系，小雨携带入湖的大气TN、TP污染物通量高于中雨和大雨。降雨中TP最大浓度出现在苏州，TN最大浓度出现在无锡，而二者的最大是沉降率都出现在苏州。这就证明了大气中的营养成分大多数来自太湖的东部和西北部地区。太湖富营养化因子来自太湖水体多年来形成的沉积物。沉积物是湖泊营养物质地球化学循环的重要环节与界面。营养物质在水/沉积物界面的地球化学行为对湖泊，尤其是浅水湖泊的水环

12、境与生态系统有着极为重要的影响11。太湖中沉积物体积大约有1.86×109m3，在大部分区域沉积物的深度为0.52.0m。如图所示，绝大部分的沉积物从梅梁湾顺着西部沿岸一直延伸到太湖南部。研究表明，只要是营养负荷高的水体，不管是在缺氧还是在好氧的条件下，磷都会从上层水体中沉淀到底泥中；相反，在底泥和水的接触面生存的有机生物能刺激底泥释放磷，且它们的新陈代谢能改变周围的微环境条件。磷在底泥与水界面的释放与吸收过程同时受到光线、温度和溶解氧等因素的影响。图5太湖沉积物分布情况长期持续高温、降雨量少、水位偏低也会加剧蓝藻水华爆发的过程，温度:有关研究表明微囊藻的最佳生长温度高于其它藻类，室

13、内实验证明, 太湖微囊藻的最适生长温度为30 35，水库中的围隔实验证实当水温为26时,，最适宜于微囊藻的聚集、上浮而形成水华。 水体中微量元素充足会促进蓝藻发生; 藻类种类不丰富，与蓝藻竞争营养盐的藻类少，继而蓝藻成为优势种发生水华; 水文、气候、气象等条件也可以通过影响湖泊水体的分层、混合以及光照、营养盐的可利用性等, 从而直接或间接地影响蓝藻种群的细胞密度、种群组成、垂直分布、生命周期等。直接作用是由于风浪和湖流的运动将湖区内的蓝藻吹向湖岸,形成水华; 而间接作用, 尤其在大型浅水湖泊中, 可能更多的是由于风浪的扰动, 导致了大量的营养盐从沉积物中释放出来, 大大增加了水体中藻类可利用的

14、营养盐含量.光照：由于蓝藻细胞体内除了具有叶绿素外, 还同时具有藻胆蛋白(包括藻蓝蛋白、别藻蓝蛋白) , 这些色素使得蓝藻可以利用其它藻类所不能利用的绿、黄和橙色部分的光(500 600nm ) , 从而比其它藻类具有更宽的光吸收波段, 能更有效地利用水下光的有效光辐射并可以生长在仅有绿光的环境中。此外, 长期暴露在强光条件下对许多藻类来说可能是致命的, 但微囊藻通过增加细胞内类胡萝卜素的含量而保护细胞免受光的抑制, 因此, 对强光有较大的忍受性。3.3.2内因蓝藻可借助假空泡来调节其在水中的位置，进而选择适宜的光照和养分的吸收，使其在种间竞争中占优势。在外压作用下螺旋鱼腥藻假空泡破裂后的恢复

15、受到氮、磷限制的影响;固氮蓝藻能固定空气中游离的氮; 部分蓝藻能够通过自身产生的毒素而成为优势种; 蓝藻有一套属于自己的休眠机制，当环境条件不适宜时，产生厚壁孢子等便进入休眠状态，一旦环境好转，便萌发成新个体; 蓝藻的细胞壁由外层的果胶质和内层的纤维质组成，使其具有很重要的生理生态功能，大多数蓝藻滤食性动物难以消化而减少其食物选择性，从而使其在种间竞争中占优势; 蓝藻细胞可以贮存过量营养物质以备不时之需; 蓝藻相对于其他藻类有较高的高温耐受性，含有多种辅助色素，可以捕获的光谱更宽.3.4蓝藻水华的控制对策 控污截源（1）源头控制首先，要提高流域污水处理厂的脱氮除磷能力，并且开发科学施肥技术，降

16、低农田氮磷流失；其次，要努力推广生活节水措施，减少生活污水产出量，并且要减少面源污染，这是实现太湖流域水环境治理目标的最重要前提。水生植物的恢复需要以环境条件改善为前提，只有营养负荷降到一定程度，蓝藻水华才会逐渐消失，代之以水生植物为主的健康生态系统才能得到恢复。（2）截污控污利用已有的水利工程设施，调整流域河网水系功能结构和水力过程，保育植被，恢复景观生态，有效发挥灌木和水生植物的水质净化功能，充分利用河网水系对流稀释、动力复氧、沉降吸附能力，建立生态干流与河渠，削除进人流域湖荡的污染物。具体实施措施如下： ：前置库是富营养化治理的有效技术之一， 通过前置库延长水力停留时间， 增强泥沙及营养

17、盐的沉降量，拦截营养盐。 湿地处理技术：湖滨湿地和入湖河道堤岸湿地是拦截非点源污染的有效措施。 水力学方法：引水冲刷是减少和稀释湖泊水体营养物质的有效方法，加快水的换水周期使得蓝藻来不及生长。 底泥疏浚：该法是减少内源负荷和治理富营养化湖泊的一种重要措施，适用于面积较小、 风浪较弱的水域。3.4.2生态修复建立以水生植物为主的生态系统水生植物在湖泊中对环境有很大的影响。水生植物在生长过程中可以吸收同化湖水和底泥中的氮、磷等矿质营养物质，对 降低湖水营养水平、防止富营养化起到了重要作用；同时水生植物通过光合作用合成大量有机物质，创造了可供收获利用的植物产品；另外，水生植物能抑制风 浪、固持底泥、

18、抑制藻类从而提高水体透明度，为经济水生动物提供了优良的栖息环境，同时水生植物表面有类似于生物膜的净化功能。生物除藻技术蓝藻能释放生物毒素类次级代谢物，含一定浓度藻毒素的水 体可使鱼卵变异，蚤类死亡，鱼类行为及生长异常，水华暴发也常使大量水生生物死亡。从生态学角度分析，太湖蓝藻水华的暴发产生了大量的蓝藻，严重破坏了水体生物的食物网，进而破坏了水体生态系统平衡。通过品种改良、搭配和养殖新技术的使用，在生态功能区投放滤食性鱼类和贝类可以进行生物控藻，达到稳定生态群落、平衡生态区系之目的。通过鲢、鳙鱼的滤食作用，一方面可以直接消耗水体中过剩的藻类，另一方面可消耗利用水体中其它的浮游生物，从而降低水体的

19、氮、磷总含量，达到水体修复的目的。据测算，每产出1kg花白鲢将从水中带走29.40g氮、1.46g磷、118.6g碳。只要水体中鲢、鳙鱼的量达到46g/m350g/m3，就能有效地遏制蓝藻水华。此外，投放底栖动物对水体中浮游生物的控制效应也十分明显，并有利于提高水体透明度。另外，贝类是底栖动物，以浮游植物和有机碎屑为食物源，且对浮游植物的吸收高于有机碎屑，因此也是一种控制蓝藻水华的良好生物材料。湖滨带的生态修复湖滨带生态修复是湖泊治理与修复的重要内容。河岸植被带的缓冲能力表现为使溶解的以及颗粒状的营养物沉淀、结晶、非生物吸收；或由缓冲带内的植物和微生物群落消耗或转化。这样，减少入湖河道的营养物

20、质，从而改善水质。3.4.3 流域管理管理体制改革太湖流域水污染问题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体制存在缺陷所致。管理体制改革是太湖流域综合治理的根本保障。流域机构管理重点应放在四个方面： 推进流域管理的法制化进程，加快形成太湖流域水污染控制总体方案和长效管理机制。 对流域水资源和水环境进行统一规划，科学核定流域水域纳污能力、允许排污总量及其时空分布，并在建立与地方省（直辖市）协调机制的基础上，完成 允许排污总量分配，审查排污口设置，确定省界交接水质标准。 加强流域水环境与水生态状况的监测，建立流域水环境与生态科学评估体系，明确湖水环境管理的责任主体。

21、 完善促进流域水循环的工程总体布局，加强流域水资源的统一调度。建立预警和应急机制为保障太湖流域居民饮水安全，迫切需要建立太湖水源地蓝藻暴发期预警和应急机制。 认识蓝藻生长与水华形成的基本规律，建立以卫星遥感监测、气象监测、自动在线监测、人工现场观测和实验室分析为主体的预警监测体系，提前采取措施。 在水厂取水口，进行 拦截、打捞、粉末活性炭吸附、改性粘土絮凝沉降 等方法去除蓝藻及其代谢污染物。目前，江苏无锡、苏州，浙江湖州等地都已经建立了相应的应急预案，但相关适用效果还有待进一步探讨。4.蓝藻水华带来的危害1、消耗溶解氧的同时阻隔水面和空气的气体交换（1）影响水中植物的光合作用，造成水生植物的死

22、亡（2）影响水中动物的呼吸作用，造成水生动物大量死亡2、影响当地生物（如黄颡鱼）的遗传多样性以及当地生物的生物多样性。3、太湖水中悬浮物浓度上涨，水体透明度下降。4、水体中氮、磷的含量逐年上升。5、爆发时间不断提前，持续时间越来越久，越来越频繁。6、产生大量有毒有害物质（蓝藻毒素、大量羟胺及硫化氢等）7、生物死亡以及有毒物质等共同作用导致水体富营养化、水质败坏。8、影响正常供水，居民在蓝藻水华爆发的时候用水困难。5.蓝藻水华的有效利用5.1提取有用物质5.1.1 提取天然色素 蓝藻中含有丰富的天然色素物质。如叶绿素、胡萝卜素、藻蓝素、叶黄素等。脂溶性色素和水溶性色素可分别通过不同萃取方式提取出

23、来,太湖等淡水湖的蓝藻中色素含量比较丰富,100kg的干藻可分别提取4kg叶绿素、170g胡萝卜素和170g叶黄素等。5.1.2 提取藻胆蛋白 蓝藻能进行光合作用,其胞内含有一类特殊的光合辅助色素藻胆蛋白,含量可达蓝藻细胞干重的15%。它包括别藻红蛋白、藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白三大类。它们主要作为天然色素用于食品、化妆品等工业中。藻红蛋白可以发出橙色荧光,将其制成荧光试剂用于生物及医学研究,生物大分子的分析。藻蓝蛋白能发出紫色荧光,将可作为生物体内的荧光示踪物质用于临床医学诊断,由于其可吸收光能,可用于癌症病灶的处理。5.1.3 提取胞外多糖 很多蓝藻在细胞外能产生大量的黏液质的多糖物质,这些多糖

24、通常称之为细胞外被多糖,是一种生物多聚物,其含量可达细胞干重的5%左右。5.2资源再利用 制作有机肥料 60年代初时,苏联、印度、日本等已有研究,在水稻田中接种固氮蓝藻,这些蓝藻是水生的,适宜在稻田中生长,仍能使水稻获得增产。稻田中接种固氮蓝藻后,水稻长势良好,秧苗移植后返青快,分蘖力强,稻谷产量提高710%。 日本对蓝藻资源化利用的措施主要是将藻类作为有机肥料,它的肥效优于一般化肥,氮、磷、钾含量均高于豆饼、紫云英等植物性有机肥料,蓝藻中不含对作物及人体有害的重金属,使用后不会污染土壤。 生产单细胞蛋白 将蓝藻变害为利、变废为宝,达到综合治理的目的,是一项非常有意义的工作,蓝藻经过生物转化处理得到的大量酵母蛋白将是一个很有潜力的蛋白质资源,酵母蛋白含量高,营养均衡,目前价格为6000元/吨,可替代豆饼等蛋白质产品,用作饲料行业的原料。 这类研究立足饲料方向,利用酵母发