贡湖湾生态修复区沉水植物群落对蓝藻的消纳作用

张艳晴 潘辉 毕雪娟

摘要[目的]探讨沉水植物对蓝藻密度及水质的影响。[方法]在贡湖湾生态修复区现场试验和数据分析的基础上，通过建立贡湖湾生态修复区等比例缩放中尺度模型，研究沉水植物群落对蓝藻的消纳作用、对水质的净化效果和净化时间，同时研究了沉水植物在逆境胁迫下的生理反应。[结果]沉水植物群落能够在15 d消纳高浓度蓝藻，并使水体水质由Ⅴ类净化到 Ⅱ 类；在逆境胁迫下不同沉水植物酶的活性表现出差异，过氧化物酶（POD）活性较超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）高出很多。[结论]该研究可为贡湖湾生态恢复提供科学依据。

关键词沉水植物群落；蓝藻；水质净化；酶的活性

中图分类号X524文献标识码A文章编号0517-6611（2017）23-0046-04

Study of Submerged Macrophytes Community Absorptive on Cyanobacteria in Ecological Restoration Zone of Gonghu Bay

ZHANG Yanqing， PAN Hui， BI Xuejuan

（Jiangsu Jiangda Ecological Science and Technology Co. Ltd.， Wuxi，Jiangsu 214061）

Abstract[Objective]To study the effects of submerged macrophytes on the density of cyanobacteria and water quality. [Method]On the basis of field test and data analysis of ecological restoration zone of Gonghu Bay， the scale model was established in Gonghu Bay， the submerged macrophytes community absorptive on cyanobacteria and the purification effect on water quality and purification time were we studied， and the physiological responses of submerged macrophytes under abiotic stress were studied at the same time. [Result]The results showed that the submerged macrophytes communities can absorptive high density of cyanobacteria in 15 days， and purified water from V to class II； different submerged macrophytes enzyme act difference in abiotic stress， POD activity was higher than activity of SOD and CAT. [Conclusion]The study can provide a scientific basis for ecological restoration of Gonghu Bay.

Key wordsSubmerged macrophytes community；Cyanobacteria；Water purification；Enzyme activity

基金项目“太湖贡湖生态修复模式工程技术研究与综合示范”课题（2013ZX07101014）。

作者简介张艳晴（1990—），女，安徽宿州人，研究员，硕士，从事污染水体生态修复研究。

收稿日期2017-06-07

近年来，由于太湖富营养化水平持续居高不下，污染发生区域不断向湖滨靠近，水体中氮、磷逐年富集，导致水体蓝藻水华时有发生，进而引发贡湖草型生態系统破坏和生态服务功能衰退[1]，因此，有必要采取措施加以全面治理与保护。

当前湖泊污染治理的方法主要包括外源控制[2]、内源控制[3]、引清调水[4-5]和生物修复[6-7]。其中，引清调水是改善水环境的重要辅助措施。引清调水的目标是“以动制静，以清释污”，该方法适用于水系较为发达，拥有清洁水源，水利条件允许的区域。但太湖贡湖生态修复区周边河道水质较差，为了保持修复区沉水植物生长所需的生境条件，在示范区水位较低时，需从周边河道调入水质较差的河水；在雨季周边河道水位较高时也需向示范区引入河道水，经过示范区净化后向貢湖提供清水。太湖贡湖生态修复区尝试通过沉水植被的生态恢复，提高水生生态系统中生物多样性，吸收水体中多余的营养盐，最终达到水体净化的目的。但是沉水植物种类繁多，不同沉水植物对水质水文条件的适应性不同。贡湖生态修复区会定期补水，补水水源皆为太湖周边河道较差的水质，调入的河水水质与流场会影响沉水植物的生长分布情况。笔者通过中尺度试验，研究从周边河道调水的净化效果以及调水对沉水植物生长和生理活性的影响，以期为贡湖生态修复区沉水植物的恢复和引清调水提供参考。

1研究区概况与研究方法

1.1研究区概况

研究区域为国家“十二五”水专项课题太湖贡湖湾2.32 km2的生态修复示范区（图1），示范区的调水水源是示范区北部亲水河，调水点在许仙港和典基港2处位置，示范区南部通过闸门与太湖相连通，从而能够为太湖提供清水。该研究建立的贡湖生态修复区等比缩放中尺度模型（图2）容积650 m3，平均水深约1.3 m，位于生态修复区的东北角位置（图1），长宽缩放比例均为1∶50。根据示范区沉水植物分布及覆盖度调查结果，在中尺度模型中模拟示范区沉水植物分布。具体种植方式如图2所示，中尺度模型如图3所示。图2中北部2个箭头分别模拟生态修复区从许仙港和典基港的引水放流。

1.2研究方法

贡湖生态修复示范区通过前期在深水区种植先锋优势种形成种群，然后进行下层植被恢复，形成较成熟的生态修复区，通过生态修复区的净化作用，为太湖制造更多清水。然而，夏季蓝藻大量繁殖，从亲水河调入富含蓝藻的水入示范区会对沉水植物生长产生影响，过量的蓝藻甚至会导致沉水植物死亡，从而对示范区的净水功能造成影响。因此，为了探讨示范区的沉水植物群落配置能否消纳亲水河中高浓度的蓝藻，以及应对沉水植物自身的生理变化，在蓝藻暴发季节，该研究通过在贡湖湾等比例缩放模型中进行试验，从亲水河调高浓度蓝藻水入示范区，监测模型内蓝藻密度随时间、水质及沉水植物的生理变化。

根据前期研究结果[8]在实体模型中选用流量为25 m3/h的水泵调水，采用从西部入流口（模拟许仙港）和东部入流口（模拟典基港）（如图2红色箭头）同时调水1 h/d，连续调水5 d。该调水方式下水质改善效果最好，水力停留时间最短，且模型内正好完成1次换水，然后堵上出水口，静置。调水期间每天采样，采样点包括进水口、出水口及模型内5个断面上的5个点位。静置期间每3 d采样1次，采样点为模型内5个断面的5个点位。采集水样检测藻密度、总氮（TN）、

总磷（TP）含量、浊度、叶绿素a（Chl-a）含量等水质指标，以及沉水植物叶绿素、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）等生理活性指标。试验时间为2015年5月16—29日。

1.3监测指标与方法

藻密度计数方法采用显微镜法[9]，计数不同类型细胞群体数量和群体大小；TP含量采用钼酸铵分光光度法（GB/T 11893—89）测定；TN含量采用碱性过硫酸钾消解分光光度法（HJ 636—2012）测定；Chl-a含量采用分光光度法（《水和废水监测分析方法》第四版增补版）测定；沉水植物叶绿素含量采用95%乙醇浸提法测定；光密度OD值采用分光光度计测定；POD活性采用愈创木酚比色法测定；CAT活性采用紫外吸收法测定；SOD活性采用紫外分光光度计法测定。

2结果与分析

2.1调水对水质指标的影响

调水前模型内水质（Ⅱ类）：TP含量0.03 mg/L，TN含量0.34 mg/L，浊度 10.0 NTU，Chl-a未检出。调入水水质（Ⅴ类）：TP含量0.16 mg/L；TN含量155 mg/L；浊度 60.54 NTU；Chl-a含量37.78 mg/m3。进出水水质和调水期间模型内水质变化见图4。由图4可知，前5 d为连续调水期，后9 d为污染负荷停留时间。由于调水水质较差，调水后模型内TP、TN、浊度和Chl-a含量均高于调水前。前5 d连续调水过程中，模型内TP含量在0.028～0072 mg/L，TN含量在0.600～1.060 mg/L，浊度在10.52～3118 NTU，Chl-a含量在3.29～20.34 mg/m3。随着调水的进行，模型内各水质指标在第8天达到峰值，模型内水质（Ⅳ类）：TP 0.096 mg/L，TN 1.360 mg/L，浊度 53.56 NTU，Chl-a：21.46 mg/m3。污染负荷停留9 d以后，各指标均有大幅降低，水质恢复到调水前的标准（Ⅱ类），各指标分别为TP 0.042 mg/L，TN 0.350 mg/L，浊度10.98 NTU，Chl-a 6.25 mg/m3。

2.2调水对蓝藻密度的影响

图5直观地反映了调水前后模型内水质的改变，调水前水体清澈透明，沉水植物覆盖度达到100%。调水第2天，由于调入了富含蓝藻的水，模型内水体开始被蓝藻水覆盖，第5天模型内水体表面被蓝藻水100%覆盖。从图6可以看出，调水第1天，蓝藻平均藻密度达到1.25×108 ind./L，随着试验的进行，第6天藻密度达到1.98×108 ind./L，第12天藻密度降到6.9×105 ind./L，试验到第15天，蓝藻已完全消失，水体恢复透明。

2.3调水对沉水植物生理指标的影响

从图7可以看出，受调水影响，第15天各沉水植物叶绿素含量较调水前均有不同程度的下降，下降幅度从大到小依次为马来眼子菜、穗花狐尾藻、金鱼藻、黑藻、苦草。黑藻的叶绿素含量在第9天降到最低值0.84 mg/g，之后略有升高，叶绿素的下降幅度为15.87%；金鱼藻的叶绿素含量由1.26 mg/g下降到1.01 mg/g，下降幅度为21.42%；马来眼子菜本身叶绿素含量最高，且降幅最大，由調水前的3.60 mg/g下降到2.13 mg/g；苦草叶绿素含量受调水影响较小，降幅仅为542%，说明苦草的耐受力较强；穗花狐尾藻叶绿素含量由1.52 mg/g下降到1.12 mg/g，下降幅度为26.41%。

从图8～10可以看出，调水对各沉水植物的抗氧化酶活性产生了一定影响，不同沉水植物所受到的影响各有不同，且不同酶的活性也存在差异。

从图8可以看出，沉水植物POD活性以马来眼子菜最高，黑藻最低。随着调水的进行，除马来眼子菜外，其余4种沉水植物的POD活性均表现出先升高后下降的趋势，到第12天，黑藻、金鱼藻、苦草和穗花狐尾藻的POD活性达到最高，第15天这4种沉水植物的POD活性呈现小幅下降。马来眼子菜的POD活性变化不明显。

从图9可以看出，随着调水的进行，5种沉水植物的CAT活性变化趋势不大，表现出先升高后降低的趋势，CAT活性从大到小依次为马来眼子菜、穗花狐尾藻、黑藻、苦草、金鱼藻。穗花狐尾藻和金鱼藻CAT活性在第6天达到最大值，分别为556、45 U/g·min；第9天黑藻、马来眼子菜和苦草的CAT活性达到最大值，分别为479.5、846.0、188.0 U/g·min；试验结束时，5种沉水植物CAT活性基本恢复到试验前水平。

从图10可以看出，5种沉水植物除黑藻的SOD活性表现出下降趋势外，其他4种沉水植物均表现出先升高后下降的变化趋势，但变化幅度有差异。黑藻的SOD活性从初始的176 U/g下降到110 U/g；金鱼藻的SOD活性由调水期间初始时的90 U/g升高到第12天的145 U/g，再降低到试验结束时的130 U/g；马来眼子菜的SOD活性呈现出先升高后下降趋勢，由初始的345 U/g升高到368 U/g后降低到342 U/g；苦草的SOD活性由84 U/g升高到第9天的122 U/g后逐渐下降到90 U/g；穗花狐尾藻SOD活性由初始的144 U/g到第12天升高到225 U/g后降低到200 U/g。

3结论与讨论

从试验结果可知，沉水植物群落能够利用其对藻类的抑制效应来控制藻类恶性增长，提高水体的自净能力。沉水植物是控制和治理湖泊富营养化的一个重要生物调控措施[10]，其作用主要表现在去除水体和底泥中的营养盐类，吸收氮、磷輸出水体的营养物质；沉水植物的作用还表现在吸附水体悬浮颗粒物，提高水体透明度。姚瑶等[11]通过对6种沉水植物净化污水效果的研究发现，苦草、菹草和伊乐藻对氮、磷均有较好的去除效果。另外，沉水植物根系为硝化细菌生长繁殖提供适宜生境，硝化细菌进行硝化和反硝化作用对氮、磷的去除也起到较大的作用。沉水植物和藻类在水体中既有直接相互竞争的关系，又存在相生相克的作用，对抑制藻类的生长和控制湖泊藻华暴发起着关键作用。由于小模型中调入大量富含蓝藻的水，导致小模型中水质指标TN、TP、Chl-a、浊度显著升高。水生植物通过分泌化感物质与藻类竞争营养物质和光照来抑制藻类生长繁殖[12-13]，而藻类的大量繁殖导致水质恶化，又会对水生植物的生长产生胁迫效应。

水体中大量蓝藻的存在降低水体的透明度，改变水体的pH，并释放有毒有害物质影响沉水植物的生长。相关研究[14-16]表明，植物在逆境胁迫下，植物体内活性氧的产生与清除之间的平衡被破坏，植物膜系统会受到损伤，进而引起其他生理生化异常。植物膜保护酶在植物抵抗外界伤害中起到关键作用。其中，SOD、POD和CAT是膜保护酶的重要组成部分，它们能够在逆境胁迫或哀老过程中清除体内的过氧化氢，维持体内的活性氧代谢平衡，保护膜结构，从而使植物在一定程度上忍耐、减缓或抵抗逆境胁迫。该研究中，苦草、金鱼藻、和穗花狐尾藻POD活性均先升高后稍有回落，在试验开始时，细胞中产生的活性氧在POD的正常分解能力范围内，因此POD活性会随着酶底物浓度的增加而提高，当POD活性降低时表明活性氧已经超出其正常分解能力，使活性氧自由基浓度上升，对植物产生伤害。CAT活性也表现先增加后下降的趋势，CAT活性提高可以有效清除细胞中的H2O2，阻止H2O2在体内积累而减少其导致的伤害。SOD活性在整个处理时间内表现出先增加后下降的趋势，说明在一定胁迫时间内SOD能及时有效清除自由基，保护细胞免受氧化胁迫的伤害。在该试验中，POD活性较SOD和CAT活性高出很多，说明POD在高浓度的氮、磷胁迫下发挥着重要作用。

建立贡湖湾生态修复区的等比缩放中尺度模型，在模型内配置不同沉水植物，在夏季蓝藻暴发季节进行调水水质净化试验，通过监测模型内水质变化情况、沉水植物对蓝藻的消纳作用以及沉水植物自身酶活性的变化，研究在该调水方式和沉水植物的配置方式下，模型内水质净化到调水前水质所需要的时间以及沉水植物的胁迫效应。结果表明：在该调水方式下，合理的沉水植物配置能够在较短的时间内使水质恢复到模型内原水质标准，且对进入模型内的蓝藻具有较好的消纳作用；在逆境胁迫下，5种沉水植物酶的活性表现出差异，除黑藻外，苦草、金鱼藻、马来眼子菜和穗花狐尾藻在一定时间内对高浓度蓝藻胁迫有一定的抗逆性能和适应能力，但是长期胁迫会使沉水植物的生长受到抑制，从而抗逆性能也受到抑制。

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