浅论富营养化湖泊除藻技术

杨颖 颜冬

(重庆市九龙坡区环境监测站 重庆 401329)

湖泊是地球水资源的重要载体和生态环境的基本要素。我国湖泊众多,以占地1km2以上共有湖泊759个,总面积达91019km2,占国土面积的0.95%。进入21世纪后,我国湖泊富营养化呈现高速发展,对全国130余个湖泊的调查表明,富营养化和中富营养化湖泊已达到88.6%,39个代表性水库中,达富营养化程度的有12座,占30%。导致湖泊富营养化的原因主要有:一是氮磷营养物大量排入水体,破坏原有的生态平衡,引起藻类大量繁殖、水中溶解氧急剧下降,导致鱼类等浮游生物缺氧死亡及水质恶化。二是大量的营养物质进入水体,破坏湖泊水体的水化学平衡,从而为水华藻类的疯长提供适宜生长环境,当湖水氮磷对藻类生长已达到饱和情况下,碳可能成为限制性因子。

1 富营养化成灾机理研究进展

1.1 富营养化湖泊微囊藻毒素研究进展

蓝藻水华暴发是水体富营养化的一个突出表现。在湖泊水体中,蓝藻快速大量繁殖,会形成肉眼可见的蓝藻群体并导致水体颜色发生变化,严重时可在水面漂浮积聚形成绿色的藻席甚至藻浆,这种现象称之为蓝藻水华。蓝藻水华暴发所引发的各种衍生物污染,特别是微囊藻毒素(MC)污染已对水质、水生生态系统的安全和人类健康造成严重威胁,并成为一个重大水环境问题。

(1)藻毒素污染现状

天然水体水华暴发时,水体中的藻毒素含量至多只有0.1-10ug/L,但短时间内若发生大量蓝藻衰亡,就会导致水体藻毒素达到较高浓度1800ug/L,无疑会对水生生态系统,人类健康造成潜在危害。在对某些城市自来水厂出水样品的检测结果表明,所检水样中均含有MC;部分水样中MC的最大浓度接近甚至超过1ug/L的安全限值。对经常接触蓝藻水华的巢湖渔民血液样本分析结果显示,他们血清中的微囊藻毒素(MC)的平均含量为0.39ng/mL。

(2)微囊藻毒素(MC)的化学结构

微囊藻毒素(MC)其化学成分为一种单环七肽化合物,并含有多种MC变体。迄今已发现的MC变体高达70余种。其中,MC-LR、MC-RR和MC-YR是目前发现存在最为普遍、毒性较大、含量较高的三种变体。

(3)迁移转化

水环境中光照强度、温度、pH值、溶解氧、营养盐浓度、可溶性有机质及其他水生生物的生命活动等,纯MC在日光照射下是稳定的,溶于蒸馏水的MC-LR在太阳光或日光灯下照射26天,仍有86%以上的MC-LR稳定存在。环境因素均会影响MC在水体中的迁移转化。

(4)对水生生物的致毒机制

具有明显的嗜肝性和肝毒性,会促进肝癌的发生,还与肝坏死以及肝内出血有密切关系。是极强的蛋白磷酸酶抑制剂。

可能通过他感作用与产生毒素的藻类和其他藻类发生相互作用,对水生植物种类的多样性产生影响,从而帮助蓝藻获得竞争优势,直至形成水华。

1.2 富营养化湖泊藻华衍生物氨氮研究进展

在蓝藻水华暴发成灾的过程中,除了产生藻毒素外,还产生多种次级代谢产物和分解的衍生物(如氨氮、异味物质、亚硝酸盐等),其中氨氮的污染最为严重。

(1)氨氮对沉水植物的影响

沉水植物是水生生态系统中重要的建群种,虽然氨氮是沉水植物生长需要的重要营养物质,但高浓度的氨氮会产生氨害,能抑制沉水植物的光合作用、引起氧化应激,并导致体内的碳、氮代谢不平衡,从而导致一些富营养化湖泊沉水植被的恢复受阻。

(2)氨氮对鱼类的影响

水体中氨以非离子形态(NH3)和离子形态(NH4+)两种形式存在,其中非离子氨对鱼类具有强烈的毒害作用。

2 富营养化湖泊除藻技术研究进展

目前富营养化湖泊除藻技术分为物理、化学、生物和生态方法四大类。物理方法有机械捕捞、过滤、气浮除藻;化学方法有投加化学药剂杀藻、絮凝剂沉藻;生物方法有放养食藻性的鱼类、培养高积累的植物吸收水体中的营养物质以抑制藻类的生长;生态方法有生态浮岛技术、微生物控藻和植物浸出液的他感作用抑藻以及利用调整鱼群结构、保护大型牧食性浮游动物达到控藻的生物调控。

2.1 絮凝除藻

黏土絮凝除藻由于其独特的优点而被广泛采用。黏土来源广泛、无毒、播撒简单、处理费用低、不会带来二次污染,尤其是除藻速度快而被应用于突然暴发水华的应急除藻。

为了改变施加量过大问题,人们纷纷对黏土进行改性,以期减少其施用量。

(1)无机改性黏土

在黏土中引入聚羟基氯化铝(PACS)改性方法,不但能将去除效率提高20倍,还能将高岭土用量由原来的2g/L降至0.1g/L。

(2)表面活性剂改性黏土

吉米奇表面活性剂用量为2mg/L时就能够几乎100%的灭杀赤潮藻,改性后的两种黏土——有机高岭土和膨润土在改性剂用量固定的条件下,黏土用量与改性剂用量比例在14左右时,对赤潮藻的去除效果最好,此种改性黏土对赤潮藻的去除效果是改性剂对赤潮藻的灭杀作用和改性黏土对赤潮藻的絮凝沉降作用的总和。

(3)壳聚糖对黏土进行改性

研究表明,黏土表面壳聚糖的架桥网捕作用和电中和作用能有效起到凝聚除藻的效果。将壳聚糖对各种黏土进行改性处理后发现,在投加量仅为11mg/L时,经2h沉降后,藻类去除率均在90%以上,这一发现有效地解决了由于黏土投加量过高而造成的工程应用难题。但由于改性所用的壳聚糖价格昂贵,因此该技术在应用上仍受到一定程度的限制。

(4)优缺点

应急处理水体中藻类的大量暴发,改性黏土絮凝法无疑是首选办法。因为其处理速度快,效率高,费用省且使用简单,更重要的是相对于化学药剂杀藻来说,更有利于控制有毒藻类藻毒素的释放。

改性黏土所用的改性剂必须符合易被微生物降解、用量少、价格低廉、絮凝效果好和速度快、对环境副作用小等原则。

2.2 溶藻细菌控藻

生物控藻是一种专一性强、环境友好及低成本的控藻手段,主要包括水生植物的他感效应、鱼类和浮游动物的扑食作用和微生物抑藻。其中,微生物因其具有繁殖快、效率高和寄主特异性等特点,被认为是最具前途的控藻手段之一。溶藻细菌作为水生生态系统生物种群结构和功能的重要组成部分,对维持藻类的生物量平衡具有重要作用。水华和赤潮的突然消亡就与溶藻细菌的感染密切相关。

(1)溶藻细菌的种类

溶藻细菌是指能够通过直接或间接方式抑制藻类生长,或杀死藻细胞,从而导致藻细胞溶解的细菌。1942年,Geitler最早报道了一种致刚毛藻死亡的黏细菌。迄今为止,已发现多种细菌可以通过不同的方式,导致不同的藻类死亡或抑制其生长。溶藻细菌分为假单胞菌属和芽孢杆菌属。

(2)溶藻细菌的作用方式

①直接溶藻,即细菌与藻细胞直接接触,甚至侵入藻细胞内;

②间接溶藻,即细菌同藻竞争有限营养,或细菌分泌胞外物质溶藻。

近年来,文献报道较多的是间接溶藻,尤其是细菌分泌胞外物质到环境中,从而抑制藻类生长,导致藻细胞的溶解。

3 总结

国内外研究表明细菌对微藻的生消具有重要的调控作用,可使水环境保持生态平衡,从而达到防止赤潮和水华的目的,在控制藻华方面应用潜力巨大。

目前的研究与实际应用上还相距甚远,未来应对溶藻作用的分子机理,菌—藻群落之间的复杂调控等方面作进一步研究,并筛选出高效、安全且具实际应用价值的溶藻菌。

4 展望

湖泊富营养化的防治是一个长期和艰巨的任务,需要按照“调查辨识——分区基准——控制标准——总量控制——削减技术评估——生态修复”的总体思路持之以恒开展工作,通过几代人的努力,从根本上解决我国湖泊富营养化问题。

[1]范荣桂,朱东南,邓岚.湖泊富营养化成因及其综合治理技术进展[J].水资源与水工程学报2010(6)