藻类监测及治理技术的发展

卢 健 谷金钰

藻类监测技术

1.显微镜测量技术

显微镜测量技术又称个体技术法，是利用透镜放大及成像技术进行藻体个数观测，一般是取一定体积的样本，进行固化，后计数换算而来。传统的显微镜技术可同时获得浮游植物组成和数量。但是对于许多脆弱的物种，如有些鞭毛藻，采集时活着，过滤或保存时就分解破碎了;而且微型浮游植物，特别是微微藻因外部形态特征不明显而难以识别。另外，取样不均匀，样本数量小，自养、异养生物分开观察等，均可造成常规方法分析结果严重误差。虽然使用高倍扫描电子显微镜可以鉴别微微藻，但单个样品检测时间冗长，工作量大，且重现性不好，费用较高，需要专业人员进行操作，无法在大规模生态调查中使用。

尽管如此，显微镜技术目前仍然是藻类种类鉴别和数量测定的经典的基本方法，是确定其他分析方法有效性的参考。

2.图像测量技术

近年，国外的研究者应用图像技术根据藻的形态和色素成像不同进行浮游植物种类识别，其中，peeh－pacheeo等在墨西哥托多斯桑托斯海湾，利用光学—数字系统识别了5种角藻，其识别准确率大于90%。研究者计划在此方法基础上建立浮游植物种类的自动识别系统，国内也先后开展该研究。目前利用卫星测量大面积藻暴发也是基于此技术。但是由于图像对环境要求较高，且图像解析较为困难，目前应用比较有限，国内主要是采用卫星图像进行大面积监测和识别。

3.高效液相色谱法

该方法自20世纪80年代开始用于浮游植物色素组成分析，是目前唯一一种被广泛接受的准确测量叶绿素含量的方法。高效液相色谱是色谱法的一个重要分支，以液体为流动相，采用高压输液系统，将具有不同极性的单一溶剂或不同比例的混合溶剂、缓冲液等流动相泵入装有固定相的色谱柱，在柱内各成分被分离后，进入检测器进行检测，从而实现对试样的分析。19世纪，澳大利亚的Mackye等开发出程序CHEMTAX，利用HPLC分析浮游植物的色素组成，来估算不同类别浮游植物的数量。这一成果得到澳大利亚及美国、英国、日本、西班牙等国家研究者的广泛认可。鉴于高效液相色谱技术需要有机溶剂萃取浮游植物色素，并且高效液相色谱仪不适合在一般调查中使用，所以无法实现浮游植物的现场快速自动测量。

4.吸收光谱法

光谱分析法是指在光的作用下，通过测量物质产生的发生光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析，由于不同藻含色素不同，依据其对光的选择性吸收而建立起来的分析方法。吸收光谱法起初主要用于浮游植物叶绿素的估计、某些物质的测量、光合成色素的分析以及非藻类颗粒物的测量。尽管已有不少有关应用可见分光光度法识别浮游植物种类和数量测量的报道，但主要限制在实验室应用，因为可见分光光度法有灵敏度的限制，使用该技术一般需要浓缩或萃取浮游植物所含色素等前处理再行分析，因此难以实现现场自动监测。

5.化学发光流动注射分析

流动注射化学发光分析技术是将化学发光分析和流动注射相结合的一种高灵敏度的微量及痕量分析技术，可用于特定赤潮浮游植物的检测。东京大学的研究人员建立了两种化学发光流动注射分析系统来检测赤潮异湾藻。在一个系统中, H.carterae释放出的超氧负离子与超氧化物探针反应;在另一个体系中,H.carterae释放出的过氧化氢在过氧化氢酶催化下与发光体(luminol)反应。化学发光由光电倍增管检测。该系统能够进行H.carterae的快速检测，检测时间对于依靠McLA发光的约需2分钟，对于luminol/ARP发光的仅需1分钟，在100～100000个/ml的H.carterae细胞密度区间呈线性响应关系。其他浮游植物在该体系中无响应，但是该方法的检测限适合于在赤潮形成初期检测赤潮异湾藻，而且在内河中很少见应用的报道。

6.分子探针技术

生物技术在浮游植物种类识别研究中的应用已成为一种趋势。Murayama-kayano等研究的随机放大多形态DNA技术可用于浮游植物的识别;新西兰的科学家报道了识别亚历山大藻属物种的SSU和LSUrDNA基因顺序，为设计物种或种属特异的分子探针提供了数据。于志刚等发明了快速定量检测中肋骨条藻的遗传标记和方法以及对藻类进行定性定量分析的方法，但该方面目前很少应用，更多的是在重金属测量中应用。

7.荧光分析技术

荧光分析技术是基于荧光的产生原理而发展出来的一种分析方法，叶绿素荧光技术是一种以光合作用理论为基础，利用体内叶绿素作为天然探针，研究和检测植物光合生理状况及各种外界因子对其影响的新型植物活体测定和诊断技术，可以通过叶绿素荧光的变化来检测微藻受环境因子影响的状况。由于具有灵敏度高、选择性好、取样量少、方法快速简便等特点，该技术在生命科学、环境科学、材料科学以及工农业多领域中的应用与日俱增。

（1）基于单颗粒荧光分析——流式细胞仪

将样品细胞悬浮于液体中，并在流动过程中逐个经过测量区进行快速测量。它的特点是可同时测量每个细胞的多个参数，根据这些特征参数对细胞群体进行分类分选，进而对各亚群分别进行研究。与传统方法相比，采用流式细胞仪对四类超微型生物进行同步监测，可避免以往不同类群生物不同方法观测所造成的系统误差，并可快速批量处理样品。

基于单颗粒检测的流式细胞分析具有直接测量水体样品、快速、可同时定性和定量的优点，但是流式细胞仪价格昂贵，使其应用受到限制。

（2）基于群体荧光光谱分析

荧光光谱分析最先用于现场浮游植物分类和数量测量。美国的研究者通过现场测量藻红蛋白荧光发射光谱波长的位移，推断了海水中含藻红蛋白的浮游植物种类和数量的变化。欧洲研究者利用荧光光谱特征研究了浮游植物群落组成。芬兰的研究者利用三维荧光光谱，检测了浮游植物群落结构的变化，研究了春夏季节Riga海湾浮游植物的分布以及溶解有机物的分布情况。

众多研究者将浮游植物的吸收光谱、荧光光谱联系起来考虑，研究了天然浮游植物样品吸收光谱与其激发荧光光谱间的差异，并仔细地研究了单一浮游植物藻种的吸收光谱、激发荧光光谱随光照增强而发生的变化。

8.藻类测量方法比较说明

上述方法各有利弊，有各自的适用场合，在藻类种类和数量测定中都是有意义的。荧光分析无需前处理，可直接测定水体样品，实现现场智能监测藻类种类和数量。相比较而言，基于单颗粒检测的流式细胞分析结合了藻的荧光特征和形态特征，但价格昂贵;德国bbe荧光藻类分析仪使用方便，但尚不能将甲藻和硅藻分开;荧光光谱仪价格适中，操作简便，三维荧光光谱提供了更多的指纹信息，能够检测出藻群落结构的变化。目前能快速且在线测量藻的技术，主要是基于荧光光谱法的测量设备。

藻类治理技术

1.生物方法治理水华

（1）利用鱼类控制藻类

①放养滤食性鱼类：鲢鱼和鳙鱼是典型的吃浮游生物的鱼类，它们靠滤食器官滤取食物。由于二者滤取食物的鳃耙形状、结构、排列致密程度不同，所以鲢鱼主要吃浮游植物，鳙鱼主要吃浮游动物。据测算，100t鲢鱼和鳙鱼一年就能消耗5.5万t蓝藻。而且它们能通过自身的代谢活动，将有害的蓝藻毒素转化成无害物质，并以动物蛋白的形式被捕捞出水体，从而使氮磷等营养元素脱离湖泊。②控制肉食性或浮游生物食性鱼类：从经典的生物操纵理论、营养级联反应、上行/下行理论入手，合理配置湖泊中肉食性、浮游生物食性鱼类的数量，使滤食性鱼类和浮游动物正常生长，这对于控制藻类的过度生长也是有效的。

（2）软体动物的引入

通常用于藻类水华防治的软体动物主要指淡水双壳类（即蚌类）。其原理是蚌类为滤食性种类，食物主要为浮游植物、细菌、腐屑和小型浮游动物。由于双壳类的滤食能力极强，可使水体浮游生物量大为减少，从而增加水体透明度，提高水体的自净能力。

（3）原生动物的引入

原生动物是水生食物链中的重要环节，很多原生动物都以摄食藻类为生，以原生动物作为控藻生物有以下优点：①原生动物取食范围广，已经分离到取食微囊藻、鱼腥藻、束丝藻等滇池优势藻种的原生动物；②原生动物食量大，实验室中观测到只要原生动物数目达到某一阈值，体系中的藻细胞会被迅速消耗殆尽；③很多原生动物在食物耗尽时会形成包囊，度过食物缺乏期，当藻类重新增多时，包囊又会破壁复苏成为食藻营养体；④包囊结构具有很强的抗逆性，这种形式容易于包装和运输；⑤繁殖力强，原生动物可以利用有机培养基扩大培养。

（4）高等水生植物的引种

研究表明多数高等水生植物还能分泌化感物质抑制藻类生长，已发现多种高等植物对藻类的抑制作用。高等水生植物的这些优点已广泛应用在富营养化湖泊的生态修复中。

（5） 微生物及其附加产品的应用

①裂解藻类的微生物的应用：用细菌、真菌等来裂解藻类水华还有些问题需要解决，如特异性不强，效率不高，有存在二次污染的可能等等。②降解藻毒素的细菌筛选：形成水华的多种藻类会分泌毒素，对水产养殖和饮用水安全带来危害。③微生物絮凝剂的应用：微生物絮凝剂是一种由微生物产生的具有絮凝功能的高分子有机物，主要有微生物细胞絮凝剂、微生物细胞壁提取物絮凝剂和微生物细胞代谢产物絮凝剂三种类型。利用微生物本身或产生的多肽、酯类、糖蛋白、黏多糖、纤维素和核酸等作絮凝剂，可以絮凝沉降水华，效果好于黏土。

2.物理方法治理水华

（1）底泥疏浚

底泥释放的营养物对藻类的增长影响很大，尤其在浅水湖泊中。在夏季水温升高，水体底部趋于厌氧状态，氧化还原电位急剧下降，表层底泥的还原状态，促使储藏在底泥中的营养物质以还原状态释放出来。

（2）向水体充气

改善通气可改变水体底部还原状态为氧化状态，钝化底泥，减少底泥释放的营养盐。机械搅拌或向水体中剧烈通气来人为地使水体水层混合，可消除或防止热分层，限制藻类的光合作用，使透光区的平均温度降低，从而使藻细胞减少，降低浮游植物的生物量，控制藻类生长。

（3）投加黏土

黏土除藻技术源于絮凝原理。在海洋上赤潮暴发时，黏土曾被作为一种应急技术来使用，取得了一定的效果，但直接将黏土应用于淡水除藻却并不成功。针对目前黏土技术投加量大的缺点以及淡水中离子强度低，不利于黏土絮凝藻细胞的特点，有研究者发现用天然生物高分子阳离子聚电解质——壳聚糖对黏土进行包覆改性,可大幅度提高黏土的除藻效率,降低黏土的使用量。高效黏土絮凝除藻不是通过传统的静电吸附机理，而是通过一种架桥网捕作用，就像蜘蛛网一样，将藻细胞黏网后共同沉入水底。

（4）明矾浆除藻技术

采用改性明矾浆应急除藻主要基于下列作用特点：首先，该物质颗粒细，比表面积大，范德华力作用范围广，吸附力强，扩散速度快，能覆盖整个水面并沉降；其次，明矾浆水解可电离生成Al3+，与水中颗粒态磷及有机颗粒物的电荷相反，易发生混凝作用，因而对水体中的磷和浮游藻类有特殊的去除效果。

（5）打捞蓝藻

采用人工或机械装置（如藻类收集船）将水体中蓝藻富集、收集，并移出水体进行处置，该方法可应用于突发事件或特定敏感水域应急处理，可以见到瞬时效果，有时在大规模除藻行动的开始阶段或除藻前的准备阶段, 适当捞藻清理水面也是必要的。

（6）水利工程控藻

即通过水利工程建设和调度，改变湖泊水文水动力状况，采用换水和调水、稀释和冲刷等方法消除蓝藻水华暴发适宜的水文条件，控制水华暴发。

3.化学方法治理水华

化学除藻是使用最多，也是较成熟的杀藻技术。它是利用化学药剂来控制藻类生长，化学药剂一般要求为：高效、毒性较小或无毒、无污染、无腐蚀，成本低，生产及运输安全，投药方便等。化学除藻主要可以分为两大类：间接除藻，通过降低水体中营养盐浓度而控制藻类生长；直接除藻，通过干扰藻类细胞壁合成，光合作用和一些酶活性而直接抑制蓝藻生长或杀死蓝藻。

化学除藻方法操作简便，在投药后能立即见到成效，但有些化学物质也会对其他的水生生物产生毒害，这将不可避免地造成环境污染甚至破坏生态平衡。对大型水体来说，使用杀藻剂的工作量大，费用较高，效果也难以保证，一旦杀藻剂失去作用，藻类还会大量繁殖，被杀死的藻类仍存留在水中，所以化学除藻不适合长期使用。

4.超声波法

超声除藻法是一种新的除藻方法，但目前应用研究有限。其除藻的原理是以藻细胞内的伪空胞结构作为空化核，外加超声使之发生空化效应，从而破坏藻细胞结构。超声的空化效应所产生的瞬时高温高压足以破坏藻细胞伪空胞结构。

超声波除藻具有操作简便，不引入化学物质，条件温和，速度快等。但是现阶段对超声除藻的研究仍存在不足之处，尤其是对超声强化混凝除藻研究尚不够深入。

5.藻处理方法比较说明

物理法中部分方法比如打捞法不能很好的根除，但其治理方法对水体无影响，而疏浚等方法虽然在除藻的同时可以有效去除泥土中的化学物质含量，但工程量巨大，物理法是目前很多湖泊常用的方法，但其耗费大量的人力物理。

化学法除藻目前虽然技术逐渐成熟高效，但实际应用中弊端也较多，主要表现在:①除藻剂的生物富集和生物放大作用对水生生态系统可能产生负面影响，对水体中水生动植物产生毒害作用；②铜离子易在生物体内累积，危害水生生物及人体的健康；③使用ClO2过程中也会产生对人体有害的亚氯酸盐和氯酸盐；④长期使用化学除藻剂还会使藻类产生抗药性；⑤藻类易再复发；⑥除藻剂设备成本较高（循环设备，加药装置），运行成本较高（耗电，药剂费用)，且需要专人管理。

生物除藻主要利用的是生物链的原理进行治理，是目前比较安全可靠的方法，但其当水温度低于15℃时，功能微生物的生物活性减弱；净化能力降低且投资成本高；目前各种除藻方法均存在一定的局限性，单独使用并不能达到理想的效果。

因此，研制灭藻效果好、成本低、无二次污染且适合我国河湖及景观水体实际情况的灭藻设备，具有十分重要的意义，且市场潜力大，推广应用前景广阔。目前国外已大规模研究超声波灭藻技术，并开发出超声波灭藻产品，国内虽然已有少数机构代理类似产品，但还没有在湖区、景观水池中应用的研究报道。