淡水硅藻水华成因与控制技术研究进展

在全球气候变暖和人类活动的共同影响下,硅藻水华爆发趋势加剧,并对水生态及供水安全产生负面影响.因此明确其形成原因并探索高效的防控技术至关重要.目前关于淡水硅藻水华已有较多研究成果,但缺少系统性整理.淡水硅藻水华爆发的关键因素为温度、光照、营养盐和流速.在原位防控方面,生态调度和扬水曝气等物理技术较为成熟,低剂量的化学药剂处理效果不佳,而生物方法的实施会受到环境条件的限制.联合使用混凝剂和助凝剂或氧化剂可以有效去除硅藻,但硅藻水华范围的扩大致使部分水厂未能及时调整工艺,影响制水效率.本文对硅藻水华的成因及防治方法进行了分析和总结,与蓝藻水华进行比较,并展望后续研究热点,对确保饮用水安全和水体污染控制与治理有着重要意义.

大洋硅藻席沉积与冰期旋回中的碳-氮循环

成席硅藻勃发与沉积埋藏过程链接了海洋有机碳生成-输出-埋藏以及大洋深部溶解无机碳的生成与储存的全过程,该过程及其对大洋碳-氮循环的潜在重大影响正引起学术界的关注。通过搜集整理一系列文献及数据,对成席硅藻在细胞层面的特殊功能、勃发机制以及硅藻席沉积物的时空分布特征进行了总结,尝试讨论硅藻席沉积对轨道时间尺度上全球碳-氮循环的潜在影响。由于成席硅藻具有一系列特点,包括在弱光条件下生存、利用大液泡来存储营养盐和调控浮力、与固氮蓝细菌共生、尿素循环等,导致成席硅藻在寡营养的层化水体中或者大洋锋面处容易获得生存竞争优势并发生勃发。根据沉积记录,在第四纪冰期,热带-亚热带大西洋以及热带西太平洋-东印度洋出现大规模的Ethmodiscus rex硅藻席勃发并向海洋内部输出大量有机碳。有机碳中的绝大部分都在水柱中发生降解,只有少部分保存到海底沉积物中。推测硅藻席勃发贡献了冰期深海内部“呼吸碳库”的增长以及大气二氧化碳浓度的降低。由于E.rex勃发加快了海洋上层营养盐的周转速率,因此也可能促进了冰期海洋氮储库的扩张。此外,氧同位素14/12期和4/2期间同时出现大洋无机碳碳同位素重值事件和热带-亚热带硅藻席勃发事件,二者之间可能存在机制上的关联。因此,成席硅藻是耦合大洋碳-氮循环的重要组成部分,进一步厘清地质历史时期硅藻席勃发规模及其在海洋元素循环中的作用,有助于解开冰期旋回尺度上的全球碳-氮循环之谜。

曝气扰动下弱光照促进蓝藻水华向硅藻优势演替

为研究持续的曝气扰动下,遮光和蓝藻水华浓度对蓝藻水华尤其藻类群落结构的影响,在玻璃温室中进行蓝藻门微囊藻属(Microcystis)水华的调控实验。实验为2个藻类浓度和2个光照强度的正交实验,共4个处理。按微囊藻水华初始浓度分为低浓度(处理Ⅰ、Ⅲ)和高浓度(处理Ⅱ、Ⅳ),以叶绿素a(Chla)浓度分别表示为384.32μg·L^(-1)和736.21μg·L^(-1);处理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ、Ⅳ分别对应弱光条件(遮光率为99.4%)和强光条件(遮光率为72.8%)。实验过程中,各处理Chla浓度由高到低排序为Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ(P<0.01),均出现了微囊藻向其他藻类的演替。其中弱光条件下的处理Ⅰ、Ⅱ以硅藻门菱形藻属(Nitzchia)为最大优势属,其湿质量占比分别达到90.48%±9.29%和93.64%±2.28%。处理Ⅲ、Ⅳ中,蓝藻门仍占最大优势,处理Ⅲ以席藻(Phormidium)为最大优势属,微囊藻和菱形藻次之,处理Ⅳ以微囊藻为最大优势属,菱形藻和席藻次之。研究表明,持续的曝气扰动下,遮光形成的弱光照是影响蓝藻水华向硅藻优势演替的重要因素,利用水动力扰动进行蓝藻水华调控时需要同时考虑弱光照条件和蓝藻水华生物量的影响。

太湖流域水库型水源地硅藻水华发生特征及对策分析

基于溧阳市天目湖沙河水库2009—2014年的硅藻群落结构及水质调查,以及宜兴横山水库等硅藻水华期藻类和水质调查数据,分析了太湖流域水库中硅藻水华群落结构特征及受气温、水位、营养盐等环境条件的影响.结果表明,太湖流域硅藻水华的主要发生期为5—7月,快速生长期发生在气温为16-26℃期间,当气温超过26℃时,硅藻的生物量开始下降.硅藻的优势属包括针杆藻、曲壳藻、小环藻和颗粒直链藻.其中沙河水库和横山水库中针杆藻是主要危害,其生物量主导了硅藻总生物量.大溪水库有时以针杆藻为主,有时以颗粒直链藻为主.当总氮浓度低于1.0 mg/L的Ⅲ类水上限时,水体氮浓度能大大限制硅藻生物量,当总磷浓度低于0.025 mg/L的Ⅱ类水上限时,也可能对硅藻生物量产生限制.高于此营养水平,硅藻水华的严重程度主要受气温、降雨等因素影响.研究表明,对于处于中营养水平的太湖流域水库而言,硅藻生物量既受气温、降雨、水位等气象水文条件的控制,又受氮、磷、硅等营养盐供给的影响.硅藻水华的防控既要关注气候和气象条件,也要尽量削减氮、磷营养盐入湖通量,维持较低营养盐水平是确保硅藻水华不形成危害的关键.

换水率和营养水平对太湖流域横山水库硅藻水华的影响

为探讨水文过程对水库硅藻异常增殖的影响,对江苏宜兴横山水库的硅藻生消过程中浮游植物、水质、降水、水位、气温等指标进行观测研究.结果表明,横山水库硅藻年际生物量波动很大,9月出现明显的异常增殖,总生物量达到14.27 mg/L,硅藻的优势属为针杆藻(Synedra)、小环藻(Cyclotella)、曲壳藻(Achnanthes)和直链藻(Melosira),以针杆藻的优势度最高;浮游植物生物量与营养盐浓度关系不明显,与总氮浓度甚至呈负相关,但小环藻生物量与水体溶解性磷浓度呈正相关;水库的换水率与浮游植物生物量、硅藻的异常增殖过程和营养盐浓度水平均密切关联,总氮、溶解性磷浓度与水库换水率呈正相关,而硅藻生物量与水库换水率呈指数负相关.数值拟合分析显示硅藻生物量可以用换水率和磷浓度推算而得.研究表明,对于中营养水平的水库,硅藻生物量变化可能受水文过程与水质条件共同控制,在水库的硅藻水华防控中,既要加强营养盐水平的严格控制,也需考虑水文过程的调控手段.

汉江水华硅藻生物学特性初步研究

为探寻汉江中下游早春硅藻水华频繁暴发的原因,于2010年早春硅藻水华暴发的前期,对取自汉江的原水样,从水流速度、光照强度和水体温度3个方面研究了水华硅藻——汉斯冠盘藻(Stephanodiscus hantzschii)的生物学特性。研究结果表明:在试验设定的流速范围内(0～0.5 m/s),汉江水华硅藻生长状况良好,在2℃环境条件下长势较好;15μE/(m2.s)和25μE/(m2.s)两组光强条件下培养的冠盘藻密度没有显著性差异,表明春季汉江流速偏低和适宜的气候条件是汉江早春硅藻水华频繁暴发的主要诱发因子;汉江水体中的营养盐浓度足以满足硅藻快速增殖的需要而形成水华,显示了汉江近年来污染负荷较重。

汉江下游突发“水华”的调查研究

对１９９２ 年春汉江下游水体暴发“水华”进行了调查研究，对“水华”的特征，产生的原因以及对策、建议等进行了分析、探讨。结果表明，其直接原因是以小环藻为主的硅藻的急剧增殖（ 硅藻密度达１０７ 个／Ｌ 以上） 造成的。通过对汉江“水华”发生时某些水文参数如水温、水流量、水流速等和某些水质参数如ｐＨ、ＤＯ、色度、ＣＯＤＭｎ 等发生的相应变化的研究，提出汉江“水华”的“敏感因子”（ 或“指示因子”） 及其“警界值”的概念和对汉江“水华”预警预报的设想。

东海春季赤潮前后沉积物-海水界面营养盐交换速率的研究

应用实验室培养法现场研究了3~5月东海硅藻赤潮发生前后10个站位的营养盐在沉积物-海水界面的交换,并应用连续函数拟合法计算了营养盐的界面交换速率.结果显示,NO3--N在赤潮前向沉积物中汇聚[-1.33^-0.68 mmol/(m2.d)],赤潮后却基本由沉积物向海水中释放[-0.69~0.82 mmol/(m2.d)].NH4+-N在赤潮前后大都从沉积物中释放[-0.65~1.46mmol/(m2.d)],赤潮后释放速率小于赤潮前.NO2--N赤潮前后除Zc17站外都向沉积物中汇聚[-0.09~0.05 mmol/(m2.d)],赤潮后汇聚速率稍高.SiO23--Si在所有站位都由沉积物向海水释放[0.85~9.23 mmol/(m2.d)],其赤潮后速率高于赤潮前.PO34--P在赤潮前向沉积物中汇聚[-0.06^-0.01 mmol/(m2.d)],在赤潮后却由沉积物向海水中释放[0~1.26 mmol/(m2.d)].NO3--N和PO43--P向东海近海沉积物的汇聚在春季不利于硅藻赤潮的暴发,但其在硅藻赤潮暴发后从沉积物的大量释放为后面紧接的大面积甲藻赤潮的暴发提供了重要的营养物质补充.

2015-2016年汉江中下游硅藻水华发生成因分析

为了探究汉江中下游多年春季易发生硅藻水华的成因,2015年和2016年早春水华发生期在汉江干流布设8个点位(黄家港、襄阳、皇庄、沙洋、兴隆闸、泽口、仙桃、蔡甸),进行密集的浮游植物定性定量监测,同时监测总氮、总磷、硅酸盐、水温、p H和溶解氧等水质理化指标,并搜集水华期汉江中下游干流各水文站的流量数据,分析理化指标与水华细胞密度之间的相关性以及流量与水华细胞密度之间的关系。结果表明,自皇庄以下,水华发生期浮游植物密度高于107个/L,优势种为冠盘藻属(Stephanodiscus),达总生物量的95%以上;各样点浮游植物细胞密度与硅酸盐浓度、硅氮比均呈显著正相关(P<0.01);在考虑上下游点位距离和时间推移的交互作用下,通过逐步向前回归方法拟合多元线性回归模型,发现采样时间和采样点位间距与细胞密度呈极其强烈的显著正相关(P<0.001),流量与细胞密度呈极其强烈的显著负相关(P<0.001)。适宜的早春气候条件、较高的硅氮比、低流量是汉江中下游硅藻水华发生的原因。建议在控源截污的基础上,应注意早春时节对重要站点的流量监控,适时增加下泄流量以防控硅藻水华的发生。

一种淡水水华硅藻--链状弯壳藻(Achnanthidiu mcatenatum)

作为区域重要饮用水源的浙江绍兴汤浦水库于2010年5月期间暴发以硅藻和蓝藻为主的藻类水华.对库尾、库中和坝前3处浮游植物样品进行采集和分析,结果表明,汤浦水库浮游植物密度在1.13×108～1.56×108cells/L之间,水华优势种之一为我国大陆地区首次报道的羽纹纲硅藻———链状弯壳藻(Achnanthidium catenatum),另一种为丝状蓝藻———湖泊假鱼腥藻(Pseudanabaena limnetica),两者的平均相对丰度分别为65.6%和28.2%;链状弯壳藻是弯壳藻属中唯一适应浮游生长的种类,具有独特的带面观,能以壳面相连形成2～3个细胞的短链状群体;对国内外3次链状弯壳藻为优势种的水华案例进行分析,发现该藻为广温性种类,适应低光强和低磷浓度生长;水华生消机理则需进一步研究.

黄海两种典型硅藻的磷胁迫生理研究

在实验室批次培养条件下,研究黄海两种浮游植物优势种玛氏骨条藻(Skeletonema marinoi)和旋链角毛藻(Chaetoceros curvisetus)在低磷条件下的生长特性、环境中不同形态磷浓度的变化以及磷饥饿状态下浮游植物的营养吸收动力学和碱性磷酸酶动力学。结果表明,玛氏骨条藻在磷胁迫情况下可利用自身较高的吸收速率和较小的细胞体积有效摄取环境中的无机磷快速生长并取得优势,而旋链角毛藻在无机磷的利用上并无优势,其比玛氏骨条藻需要更多的细胞颗粒磷去维持细胞活性,而且更容易诱导碱性磷酸酶分解利用有机磷,推测在有机磷丰富的环境下旋链角毛藻会在二者竞争中取得优势。这些生理特性有可能是二者在黄海季节性水华发生过程中大量存在的原因。

不同浓度蓝藻水华在好氧条件下的光合作用

为研究不同浓度蓝藻水华在曝气形成的好氧条件下的光合作用,本文按叶绿素a(Chla)浓度32.5,346.8,1413.7和14250.0μg/L设4个处理组(从低到高编号依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)进行实验.结果表明,各处理Chla浓度均总体呈下降趋势,但均未出现发黑或发褐现象;各处理溶氧、pH值、NH4^+-N浓度和最大光合作用能力Fv/Fm均有一定差异(P<0.05).快速光响应曲线的特征参数α、ETRmax和Ik表明,处理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ中出现较高的绿藻、硅/甲藻的光能利用效率(P<0.05),而处理IV中所有藻类的光能利用效率较低(P<0.05).曝气增氧可以防止高浓度蓝藻水华形成黑水团;蓝藻水华初始Chla浓度约为32.5、346.8、1413.7μg/L时,在曝气形成的好氧条件下,蓝藻水华中会出现其它藻类如绿藻、硅/甲藻的生长,即藻类群落结构朝着多样化变化,对蓝藻水华形成控制.

营养盐在东海春季大规模赤潮形成过程中的作用

为研究营养盐在东海大规模赤潮形成过程中的作用,分别于2004,2005年春季在东海赤潮爆发前进行了2个航次的海上调查。调查结果显示:DIN,PO4-P,SiO3-Si浓度分别高达15,0.55,15μmol.L-1以上,调查海域整体上处于富营养化状态;受陆源输入影响,调查区域营养盐分布呈现出近岸高、外海低,等值线走向与岸线基本平行的特点。同2004年相比,2005年春季调查海域营养盐高值区明显外扩,营养盐水平整体升高:其中DIN浓度升高9%、PO4-P升高18%、SiO3-Si升高60%,硅磷比上升60%,硅氮比上升了47%。研究结果表明,较高的营养盐浓度水平,较高的硅酸盐含量以及较高的硅磷比、硅氮比值是2005年春季优先爆发大规模硅藻赤潮的重要原因之一。

汉江中下游硅藻水华形成条件及其防治对策

文章总结了汉江中下游五次硅藻水华开始发生的时间、地点及范围、持续时间、浮游植物最高密度以及浮游植物群落结构特点,1992-2000年汉江中下游硅藻水华呈现加重趋势,2000年以后,硅藻水华发生范围有所减小,但发生频度明显增加。在对历次硅藻水华形成的气象条件、水文条件、营养条件和生物条件进行分析的基础上,从控制汉江污染途径、提高汉江中下游硅藻水华预警时效和生态调水方式等方面,提出了防治汉江中下游硅藻水华对策。

台湾海峡南部上升流区浮游植物对磷的响应

取台湾海峡南部近岸上升流区表层海水,开展现场船基围隔实验.按照上升流区底层无机形态氮、磷和硅的浓度及比例,设置围隔袋中营养盐浓度,研究上升流输入的营养盐可能对海区表层浮游植物生物量及群落结构的影响,结合群体方法与单细胞酶标记荧光技术,检测浮游植物的碱性磷酸酶活性,指示海区浮游植物的磷营养生理状态.结果表明,营养盐的补充导致中肋骨条藻(Skeletonema costatum)、角毛藻(Chaetoceros spp.)、冰河拟星杆藻(Asterionellopsis glacialis)、菱形海线藻(Thalassionema nitzschioides)和尖刺拟菱形藻(Pseudo-nitzshcia pungens)等硅藻成为优势种,并形成藻华.随环境中营养盐的耗尽,硅藻藻华迅速消退.上升流的形成及其减弱、消失,造成表层海水营养盐水平的改变,是导致此次硅藻藻华生消的主因.通过上升流补充的磷源不足以满足浮游植物的生长需求,海区浮游植物的生长遭受磷胁迫,磷成为该海区浮游植物生长的主要营养盐限制因子.

围隔实验研究台湾海峡2005年夏季小型浮游动物对硅藻水华的摄食

为了研究小型浮游动物对近岸浮游植物藻华的摄食调控作用,于2005年7月,应用"稀释法"并结合高效液相色谱(HPLC)光合色素分析技术,研究了台湾海峡船基围隔实验条件下浮游植物生长率及小型浮游动物摄食率的日变动。结果表明:由于营养盐添加的影响,迅速形成了以尖刺伪菱形藻(Pseudo-nitzschia pungens)为优势种的藻华,生物量(叶绿素a)从实验初始7月6日的1.45μg/dm3迅速增加到7月8日的29.80μg/dm3,随后消退。镜检和光合色素分析的结果显示,实验期间一直以此硅藻占绝对优势。浮游植物的生长率在藻华峰值(7月8日)前保持了较高的生长速率(>1.0/d)且大于小型浮游动物的摄食率;小型浮游动物的摄食率也逐渐增加,7月7日时达到0.86/d,显示有57%以上的浮游植物现存量被摄食。7月8日后,水华迅速消退,摄食率除13日外,均大于浮游植物的生长率。小型浮游动物主要由急游虫(Strombidiumspp.)、侠盗虫(Strobilidiumspp.)等无壳纤毛虫、异养甲藻-螺旋环沟藻(Gyrodinium spirale)及砂壳纤毛虫等组成,其对浮游植物的生长迅速作出了反应,各类群的丰度在水华峰值后的7月9日均几达最大值,水华后期(11日)大型的无壳纤毛虫达最大值。小型浮游动物的这种组成及变动特点是其保持较高摄食率及一定程度上控制和促进藻华消退的原因之一。

不同浓度微囊藻水华在曝气扰动下的光合作用

水动力扰动可以调控蓝藻水华,该文为研究不同浓度微囊藻水华在曝气扰动下的光合作用,获得适宜的影响微囊藻水华中浮游植物变化的初始藻类浓度,于2019年8月10日-9月15日在玻璃温室中进行曝气扰动实验。实验按微囊藻水华初始的叶绿素a(Chl a)浓度分为低、中、高3个梯度处理组:68.37、468.67、924.09μg/L,浓度从低到高依次编号为处理组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,均进行曝气扰动。结果表明,处理Ⅲ的最大光合作用能力Fv/Fm显著低于处理Ⅰ和Ⅱ(p<0.05)。浮游植物快速光响应曲线的3个特征参数α、ETRmax和Ik值方面,处理Ⅰ、Ⅱ中蓝藻的α、ETR_(max)、Ik值均显著低于处理Ⅲ(p<0.05);处理Ⅰ的绿藻的α值、ETRmax、Ik值均显著高于处理Ⅱ和Ⅲ(p<0.05);处理Ⅰ的硅/甲藻的α、ETR_(max)、Ik值显著低于处理Ⅱ、Ⅲ(p<0.05)。在曝气扰动下,微囊藻水华的光合作用受到初始微囊藻水华浓度的影响:在微囊藻水华初始的Chl a浓度为468.67和924.09μg/L时,微囊藻水华出现显著的绿藻、硅/甲藻的光合作用,即这2个浓度下蓝藻水华的藻类群落结构趋向多样化,有助于对蓝藻水华形成有效控制。

控制汉江中下游春季硅藻水华的关键水文阈值及调度策略

导致汉江水华暴发的主要因素为高营养盐负荷、缓慢的流速、较小的流量、晴好的气候条件等原因。对水华暴发期间的汉江中下游主要水文站点的水文学特性进行了分析,研究提出了汉江中下游春季水华暴发的关键水文阈值,并提出了控制汉江中下游春季硅藻水华暴发的生态调度策略,研究结果可为南水北调中线工程的科学调度提供依据和参考。

含硅复合营养素对控制蓝藻水华作用的研究

向水体中添加不同浓度的含硅营养素以确定该营养素控制蓝藻水华的最优作用浓度,同时在不同温度及光照条件下按照最优作用浓度添加该营养素以确定该营养素的作用效果与环境变化的关系.结果表明,该营养素能抑制蓝藻水华,加入后蓝藻比例下降,硅藻和绿藻比例上升,水体中的氮含量增加,其最佳作用浓度为312.5μL/L,其作用效果在不同的光照和温度条件下均具有有效性.该研究为蓝藻水华的治理提供有效的实践基础.