蓝藻和蓝藻水华的发生机理和富营养化

1、蓝藻和蓝藻水华的发生机理和富营养化蓝藻和蓝藻水华的发生机理藻类和蓝藻简介蓝藻水华蓝藻水华形成机理湖泊水库富营养化蓝藻水华应急监测实例第一部分 藻类和蓝藻简介一 藻类及其分类系统藻类是一类形态多变的、近似植物的生物；藻类缺乏根、茎、叶等高等植物典型的结构；微型藻类被称作浮游植物；蓝藻被认为是地球上最早出现的生命形态。 藻类主要特征1、藻类是低等植物，分布广，绝大多数生活于水中 。2、个体大小相差悬殊，小球藻3-4m ，巨藻长60m。3、具叶绿素chlorophyll，能进行光合作用的自养型生物autotrophic plant。4、没有真正的根、茎、叶的分化，又称叶状体植物。5、繁殖器官简单，以

2、单细胞的孢子或合子进行繁殖，无胚，又叫孢子植物spore plant。总之，藻类是无胚而具叶绿素的自养叶状体孢子植物。五界生物系统 (5 kingdoms)动物界Animal Kingdom植物界Plant Kingdom真菌界Fungi原生生物界Kingdom Protista Eukaryotic Algae + protozoans + slime molds 原核生物界Kingdom Monera Prokaryotic Algae + BacteriaPROKARYOTES(原核）EUKARYOTES（真核）蓝藻CYANOPHYTA所有其它藻类原绿藻PROCHLOROPHYTA藻类既

3、有原核也有真核 色球藻（蓝藻） 眼藻（裸藻）藻类（Algae）藻类一词并非指某一分类单元，它是一个集合名词，泛指一类具有光合色素，没有真正根茎叶，生物体为叶状体（thallus），不会形成种子，生殖细胞没有包被的一类植物。也称之为隐花植物或孢子植物。 “Algae are an unnatural group of organisms!”.Bold & Wynne（1985）把藻类分为10个门蓝藻门（Cyanophyta）原绿藻门（Prochlorophyta）绿藻门（Chlorophyta）轮藻门（Charophyta）裸藻门（Euglenophyta）褐藻门（Phaeophyta）金藻门（

4、Chrysophyta）甲藻门（Pyrrophyta）隐藻门（Cryptophyta）红藻门（Rhodophyta） 把金藻、定鞭藻、黄藻、真鞭藻、针胞藻、硅藻都作为“纲”的阶元置于金藻门内。1979年,中国藻类学会在已故饶钦止院士、曾呈奎院士及黎尚豪院士领导下经讨论确认藻类分为11个门蓝藻门（Cyanophyta）红藻门（Rhodophyta） 隐藻门（Cryptophyta）甲藻门（Pyrrophyta）黄藻门（Xanthophyta）金藻门（Chrysophyta）硅藻门（Bacillariophyta）褐藻门（Phaeophyta）裸藻门（Euglenophyta）绿藻门（Chloro

5、phyta）轮藻门（Charophyta）近年又加上一个门:原绿藻门(Prochlorophyta)目前我国出版的中国藻类志都按这一系统。近年深入分析并结合分子生物学对系统学研究成果，Hoek等提出的藻类10个门的大类的分类比较广泛的被接受。蓝藻门（Cyanophyta=Cyanbacteria）原绿藻门（Prochlorophyta）红藻门（Rhodophyta）异鞭藻门（Heterokontophyta）1 金藻纲（Chrysophyceae）2 (Parmophyceae)3 (Sarcinochrysophyceae)4 黄藻纲（Xanthophyceae）5 真鞭藻纲（Eustigm

6、atophyceae）6 硅藻纲（Bacillariophyceae）7 针胞藻纲（Raphidophyceae）8 硅鞭藻纲（Dictyochophyceae）9 褐藻纲（Phaeophyceae）定鞭藻门（Haptophyta）隐藻门（Cryptophyta）甲藻门（Dinophyta）裸藻门（Euglenophyta）绿裸藻门（Chlorachniophyta）绿藻门（Chlorophyta）本系统中把轮藻纲(Charophyceae),细绿藻纲(Prasinophyceae)等置于绿藻门。二 蓝藻的主要特征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

7、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, 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)。5.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

8、裂，特殊为藻殖孢繁殖。 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。 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。 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。形状与一般细胞不同，圆形色淡，成熟的异形胞是透明的，其细胞壁在与相邻细胞相接处有钮状增厚部(极节球)。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。 三 湖泊藻类生态系统colonialunicellularfil

9、amentousscumbranched unicell湖泊藻类季节演替规律湖泊藻类季节演替藻类生物量在初春由于低温和低光照，生物量很低；随着光照加强，以及地表径流的增加，硅藻生物量上升当水温度和光照时间增加，绿藻生物量上升；蓝藻在温度较高时适宜生长能够储存P固定 N2不被捕食 漂浮能更好利用光秋季水体混合、光限制、营养盐输入、摄食减少过多、单一的藻类容易形成水华/outreach/importance.php光的生态作用植物在光合作用中并不能利用光谱中所有波长的光能，仅仅可见光部分(波长为380760nm)的大部分光能被植物的色素所吸收和利用。通常把这部分辐射称为生理有效辐射，它约占太阳总辐

10、射的40%50%。在有效辐射中，各种光的作用也是不一样的。普遍存在于各种藻类中的叶绿素a，对辐射能的吸收高峰在光谱中为405nm和640nm两部分；仅绿藻和裸藻含有叶绿素b，其吸收高峰在440nm和620nm两部分；藻蓝素和藻红素吸收的高峰在500600nm部分。因此，在光合作用中被吸收最多的是红色、橙色和黄色光线。只有类胡萝卜素(carotenoid)能吸收范围最为广泛的光谱成分，在水生植物对光照条件适应上起着极重要的作用。与藻类有关的重要元素氮：氮是蛋白质的主要成分，是构成生物体最重要的基本物质。除某些蓝藻外，一般水生生物只能利用溶解的有机氮、铵氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，而不能利用溶解的气

11、体氮，因而水中氮的含量常不能满足生物的需要；磷：磷也是蛋白质的重要成分，高等动物(包括鱼类)的脑和神经中也需要磷。水中磷的含量通常很少，因此，浮游植物的繁殖和发育常因磷的不足而受限制。硅：硅是硅藻的细胞壁和某些动物骨骼所必需的成分，对于硅藻尤其重要。据朱树屏(1949)的培养试验，天然水中硅的不足对硅藻有限制作用，但硅量稍多对绿藻有抑制作用。但在一般情况下，淡水中硅的含量能满足硅藻的需要； 磷、氮和硅是水生生物，特别是藻类极需要而水中含量又很微量的物质，一般称为营养盐类或生源物质。氮（Nitrogen）N是藻类的主要营养元素之一，在水体中无机N主要以三种形态出现：硝态氮（NO3-，Nitrat

12、e）、亚硝态氮（NO2-，Nitrite）和氨态氮（NH4+，Ammonium）；Ammonium: 能直接被植物所利用的形态，在未被污染的自然水体中，氨的含量很低，主要由有机物质和动物分泌物通过细菌降解所得；而在受生活污水和养殖废水严重有机污染水体（河流、湖泊和近岸海域），氨浓度往往超标；Nitrate：是浮游植物最重要的氮源。在未受污染的水体中，硝态氮的含量要远远高于氨态氮。硝态氮是通过硝酸盐降解酶（NR）降解为氨，然后被植物吸收利用；Nitrite：在自然水体中含量很低，往往被忽略。它是通过亚硝酸盐还原酶（NiR）降解为氨从而被植物利用。磷（Phosphorus） 在自然水体中，P主要以

13、溶解态的无机和有机形态出现。在湖泊和海洋里，植物体主要P来源是磷酸盐（orthophosphate）植物细胞有储存P的能力，当水环境中P的浓度较高时，植物细胞可以将剩余的P储存在细胞内，当水环境中P浓度下降时，植物就可以利用细胞储存的P进行生长繁殖。这样可以解释为什么在P浓度很低的条件下，藻类还可以维持生长。 许多藻类还可以利用有机磷作为P源。通过酶的作用将这些有机磷降解为无机磷，然后被植物吸收。研究比较多的酶有碱性磷酸酶（Alkline Phosphatase，APA）。 第二部分 蓝藻水华Microcystis aeroginosaSource: Lake Erie Center, Uni

14、versity of Toledo 太湖蓝藻水华 滇池蓝藻水华蓝藻水华的危害 降低水体溶解氧。蓝藻可以消耗水中的溶解氧，当蓝藻大量繁殖时，水中的溶解氧浓度也迅速降低，造成鱼虾、螺蛳等水生物的死亡，使水体遭受污染。臭味。藻体死亡时还会散发恶臭，影响生活用水。 产生毒素。主要是神经毒素和肝毒素。其中肝毒素分布最为广泛，是肝癌的诱因之一。人类对蓝藻毒素的摄入并不一定主要通过饮水，由于蓝藻毒素可通过食物链累积，供食用的水产品如鱼类、贝类等也可能携带蓝藻毒素进而危害人类，另外，那些用地表水进行喷灌的农作物以及室外养殖的微藻食品都有受到蓝藻毒素污染的危险。 皮肤过敏。人们在洗澡、游泳及其它水上运动时，接触

15、含藻毒素水体可引起眼睛和皮肤过敏。动物中毒或死亡。家畜及野生动物饮用了含藻毒素的水后，会出现腹泻、乏力、呕吐、嗜睡等状，甚至死亡。破坏景观。水面被厚厚的蓝绿色湖靛所覆盖，甚至在岸边堆积 ，严重破坏景观，人类蓝藻毒素染毒途径饮用水湖泊休闲（亲水活动）口服, 皮肤接触洗澡吸入, 皮肤接触藻类食物片剂口服蓝藻毒素中毒事例 A large epidemic in Brazil involving human deaths occurred in 1988. Over 2,000 residents suffered from gastroenteritis over an 8-week period,

16、 with 88 deaths. An epidemiologic investiga-tion implicated drinking water from a reservoir, even water that had been boiled before use. Infectious agents, metals or toxins were not found; however, the cyanobacterium genera Anabaena and Microcystis were found in great quantities in untreated water f

17、rom the reservoir. Algal toxins were not assayed, but the circumstantial evidence strongly implicated the cyanobacteria as the cause. The Capital Times, Madison Sept. 6, 2003Human Fatalities from Cyanobacteria: Chemical and Biological Evidence for Cyanotoxins. Wayne W. Carmichael et al. 2003An outbr

18、eak of acute liver failure occurred at a dialysis center in Caruaru, Brazil. 100 patients developed acute liver failure, and of these 76 died. the World Health Organization. microcystin was in the water used for dialysis was 19.5 times the level set as a guideline for safe drinking water supplies by

19、 the World Health Organization. Cyanobacteria can Cause Severe Skin Rashes in Sensitive Individuals蓝藻毒素引发的人类中毒事件（魏军艳，2007）影响水华形成、毒素产生和维持的因素藻华的形成无机营养盐水温pH值: 6-9光照浊度湍流水流毒素产生环境因素温度、光照、氮浓度、CO2和pH遗传差异代谢过程毒素释放持久性 在水体中保持稳定抗极端PH抗热性湖泊管理营养盐排放控制 蓝藻细胞移除絮凝，澄清，过滤，解毒不能破碎细胞毒素去除氧化 (臭氧); 其它如紫外,氯胺化和过氧化氢处理无效活性碳缓慢沙滤-生物降

20、解藻毒素的控制 第三部分 蓝藻水华形成机理关于水华成因的假设 不同阶段的关键因素不同 可以将蓝藻水华的形成分为四个阶段 1 休眠 2 复苏 3 生物量增加 4 上浮，形成水华蓝藻水华形成机理 （孔繁翔，2005）蓝藻水华形成机理1物理因素1.1 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。1.2 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(50

21、0 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。1.3 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

22、积物中释放出来, 大大增加了水体中藻类可利用的营养盐含量水文与气象因素作用途径水文与气象因素对水华形成驱动作用的可能途径： 间接途径：改变营养物质的形态和数量，对水华藻类生长产生影响 直接作用：直接驱动藻类的空间积聚，形成可见的水华Source: Jhnk et al. (2007) Simulation of phytoplankton populations under three sets of physical parameters.蓝藻水华形成机理2化学因素 伴随着湖泊的富营养化, 尤其是水体中磷浓度的增加, 通常会导致水体中浮游植物的种群组成朝着形成水华的蓝藻演替。同时, 水体中总

23、氮总磷比(TN :TP) 也会显著影响着浮游植物的种群组成, 通常当TN :TP55 富营养; 30-35 中营养 3 ,清污23 ,中污12 ,重污01 ,严重污染0生物多样性指数2 生物数量(密度) 变化 生物数量(密度) 是衡量水质变化的另一种重要指标。据资料报道,浮游植物的总量和蓝藻数量大幅度上升,则被认为是水体富营养化的又一种特征。定量的生物指数Bip 值,主要以浮游藻类为对象,按下式计算Bip 值:式中:A 含叶绿体个体数; B 不含叶绿体个体数一般标准Bip : 08 为天然净水；820 为弱污染；2160 为中污染；60100 为重污染生物多样性指数3、Marglef 多样性指

24、数 以底栖动物为对象，按下式计算: 式中:S -底栖动物总种数，N -底栖动物个体数，d -多样 性指数 一般标准是: d :1040 为天然清洁水；710 为轻污染；16 为一般污染；d 1，认为水体富营养化。 营养状态质量法（NQI）NICCOD/SCOD + CTN/STN + CTP/STP + CChla/SChla式中：NI 营养指数；CCOD、CTN、CTP、CChla 分别为水体中的化学耗氧量、总氮、总磷、叶绿素a的实测浓度；SCOD、STN、STP、SChla 分别为水体中的化学耗氧量、总氮、总磷、叶绿素a的评价标准。SCOD=3.0 mg/l， STN=0.6 mg/l，

25、STP=0.03 mg/l，SCHLa=10g/l当营养指数大于3时，认为海水达到富营养化。ASSETS 是一种综合方法，对河口和沿海水域富营养化状况进行综合评价。 ASSETS 包括定量和半定量组份和一组压力状况响应 Pressure-State-Response (PSR) 指标. ASSETS 方法的核心是开展3种诊断: 压力评价 (人类活动总体影响Overall Human Influence)以症状为基础的状况评价 (富营养化总体状况Overall Eutrophic Conditions) 管理措施评价 (确定未来趋势 Definition of Future Outlook).河口营养状况评估第二代评价方法：综合评价 压力状况响应评价指标（参照条件）驱动力 Agriculture loss of fertilizer, etc Urban and industrial discharges Aquaculture Atmospheric deposition Internal (secondary) sources (e.g. P from sediments) Advection from offshore (e.g. N and P, certain ty