蓝藻运动与水华早期预防和控制

蓝藻运动与水华早期预防和控制李小平博士，副院长，上海市环境科学研究院，200233关键词蓝藻垂直和水平运动藻类增长早期预防水力调控化学控制蓝藻水华控制的根本出路在于蓝藻过度增长的早期预防和控制。藻类增长的过程给了我们早期预防和控制的实施时间和浓度范围。只要我们掌握了蓝藻的增长规律、运动方式和成灾过程。采取早期预防技术路线和大面积控制手段，消除蓝藻水华对饮用水源的威胁，降低蓝藻水华带来的其他负面影响，是完全可能的。我在2002年《自然杂志》上发表的“美国湖泊富营养化的研究和治理”，得到了不少同仁的引用。2007年太湖大规模蓝藻水华之后，2008年春末太湖、巢湖和玄武湖又暴发蓝藻水华。在此，我再谈谈有关蓝藻和水华控制的问题。蓝藻在地球上大约出现在距今35～33亿年前，已知蓝藻约2000种，中国已有记录的约900种。地球生命演化中经历过五次大规模的物种灭绝，蓝藻都幸存下来了。人们议论的由人类活动引发的第六次物种大灭绝，恐怕也奈何蓝藻不得。然而蓝藻过度增长对人类产生了负面影响；我们要解决的是蓝藻水华问题。1蓝藻的运动1．1垂直运动大多数淡水蓝藻水华的物种为微囊藻(Microcys—tis)，鱼腥藻(Anabaena)，束丝藻(Aphanizomenon)，胶刺藻(Gloeotrichia)，鞘丝藻(Lyngbya)和颤藻(Oscil—latoria)，虽然湖泊中的这些蓝藻全年都可能出现，但一般只在夏末秋初时达到水华的程度。许多形成水华的蓝藻具有气囊，可以在水体垂直方向移动。图1给出了蓝藻细胞及其气囊在水体中受压的示意图。图2是水花束丝藻和盐生舟形藻气囊的电子显微镜照片(150000×)。蓝藻在水体中的位置受两种机理控制。第一种是与蓝藻增长率相比较，气囊产量的稳定状态。当蓝藻沉入水中，光强随下沉深度减弱时，蓝藻气囊的生产速率大于蓝藻增长速率；每个蓝藻细胞的气囊数量增加，使其上浮。相反，当藻类上浮光强度增加，蓝藻细胞生物量增长速率大于气囊产生的速率，气囊减少使藻类细胞下沉。第二种机理是随着光合作用的增加，激发光合产物(photosynthate)分子的渗透活性，导致细胞膨压(t)(turgorpressure)增加，较弱的气囊破裂，蓝藻细胞失去上浮能力。藻类下沉直到光合作用和分子渗透活性减弱，渗透压降低，藻类气囊产量增加，向上浮动。蓝藻能够在低光强下增加细胞气囊的特点，使藻类群落能够占据湖泊的富光区域(例如水面)；而在高光强下减少细胞气囊，避免了蓝藻本身在水面聚积和紫外线的杀伤。在静风时，由于上升水流(upwellingcurrents)或过度上浮，蓝藻有时也会在水面聚积。其实，近水面的环境十分不利于藻类生存；水华形成之后，蓝藻很快光氧化死亡(undergophotooxidativedeath)。图3给出了英格兰CroseMere湖鱼腥藻(Anabae．nacircinalis)在数日中不同的垂直分布：5月28日呈圆锥形，下沉到8m水深；6月1日起逐渐上浮；6月2日为静风天气，蓝藻浮出水面呈伞状，占据富光区域。值得注意的是，这种典型的蓝藻在水面聚集并不是藻类增长造成的；在静风条件下，蓝藻气囊数量增多上浮，而蓝藻的总体积没有显著变化。1．2水平运动藻类水平方向的移动与风引起的水流运动有关。大约3m／s的风速可以使小湖泊表面水层水平漂移，驱使藻类向湖泊下风向区域聚积。在较大的浅水湖泊，风引起湖水水平循环，藻类最高浓度可出现在水平循环的中央。富营养化或污染湖泊的水层随风漂移能够迅速聚积藻类、飘浮垃圾或死鱼，造成水体污染。图4是非洲乌干达George湖(面积250km2，平均深度2．4m)藻类随水流形成的水平分布。这个热带浅水湖泊的表面循环水流造成水层漂移，形成了山峰状的叶绿素浓度分布(中间高四周低)。图5是美国佛罗里达州Apopka湖(面积128km2，平均水深1．7m)风速与叶绿素a的关系；有53％的叶绿素变化是由风引起的，风速越高，叶绿素a的浓度越高。Schelske将这一现象解释为风驱使藻类重现悬浮。太湖北部蓝藻水华暴发时，在夏季盛行风推动下，漂浮的席状水华由大太湖漂移进入位于太湖北部的梅梁湾，使湾内的水华加剧。白晓华等人对2004年夏季太湖北部发生席状水华的6天分别计算了水华风力漂移入湾量，其中5天水华由大太湖向梅梁湾漂移，面积占整个梅梁湾面积的3．7％～13．3％，达4．8～17．4km2。朱永春等人研究了太湖梅梁湾在不同风场作用下藻类在湖泊中的迁移过程。模拟结果表明，不同风场对于藻类在湖泊中的水平及垂直分布影响很大，并存在着一临界风速，其范围在2～3m／s之间；当风速小于临界风速时，水面可以拟看作水动力学光滑，没有波浪产生，在水表面藻类顺着风向迅速的向迎风岸边漂移，形成藻类大量堆积。1．3小结蓝藻是可以运动的。相当一部分蓝藻具有气囊，这个特殊结构使其可主动的进行垂直运动；也有的垂直分布与上升水流有关。藻类的水平分布则主要与水流、风力和风向、表面水层漂移有关。图6给出了蓝藻水华后聚集形成灾害的过程。假设湖泊面积为100km2，水体蓝藻的平均浓度为10ug／L(a)。在静风条件下，分布在水深4m的蓝藻向表面移动，聚集在0．04m厚的水面，形成可漂移的水华水层(b)。在有风的条件下，100km2生成的蓝藻向10km2堆积(C、d、e)，形成了蓝藻水华灾害。此时，在10km2上堆积的蓝藻浓度被提高了1000倍，藻毒素的含量也可能成百倍的提高。这个例子告诉我们，湖泊一旦暴发大规模全湖性的蓝藻水华，在下风向某处水面堆积就会发生蓝藻水华灾害，该区域几十亿甚至上百亿的投资也奈何蓝藻不得。2藻类增长2．1在实验室条件下的增长一般说来，在实验室条件下藻类增长分五个阶段(图7)：(1)缓慢增长(1ag)在实验室条件下，当被培养的水体移人试验容器时，都会出现这个阶段；(2)指数增长(exponentia1)如果实验环境、营养物和空间尺度都不受限制，藻类会进人指数增长阶段。这个阶段藻类增长速率最高，几乎是一直线。我们要特别注意这个阶段(直线)的两个极端点：N1和N2，其增长率为：K′=Ln(N2／N1)／(t2一t1)其中N1和N2是在时间t1和t2的生物量。当藻类的增长速率已知时，可以计算每天藻类分离的次数(Div)和成倍增长的时间(Gen′t)：Div／day=K′/Ln2Gent=1|(Div／day)(3)增长率下降(declininggrowthrate)由于藻类大量增长，营养盐和二氧化碳成为限制因子使藻类增长率下降。由于藻类过度增长，藻类细胞相互遮盖(self．shading)，光强也会成为限制因子。(4)停滞增长(stationary)在此阶段藻类增长率为零，数小时之内藻类会发生剧烈的生物化学变化。(5)死亡(death)当藻类的代谢不能维持，群落就进入死亡阶段；由于死亡阶段非常迅速，通常称为“崩溃”。死亡的藻类失去色素淀积(pigmentation)，或是被冲走，或是堆积覆盖在水面，引起水体缺氧和更多的藻类死亡。2．2在自然条件下蓝藻的增长图8是美国加利福尼亚州Clear湖蓝藻增长和演替。束丝藻(Aphanizomenon)在4月末5月初进入指数级增长阶段，一个月的时间内细胞数量达到顶峰；而鱼腥藻(Anabaena)和微囊藻(Microcystis)则在9月份进入指数级增长。Clear湖蓝藻的这种增长和演替，很大程度上改变了湖泊的营养状态；因为束丝藻(Apha—nizomenon)和鱼腥藻(Anabaena)都是具有固氮作用的蓝藻，而夏季由于湖底缺氧造成氨氮的释放，抑制了蓝藻的固氮作用。2．3藻类水华的控制时机了解藻类在水体中的增长规律对控制藻类水华有重大意义；发达国家在运用藻类增长规律，制定藻类水华安全预警值方面有许多经验。澳大利亚对城市水体的研究结果表明，在水温20℃的理想条件下(实验室培养)，蓝藻密度在14～46d内可以达到“暴发”水平(27000个／mL)。为了安全起见，藻类“水华”安全预警值(N1)一般不高于15000个／mL。对于娱乐水体，当微囊藻(Microcystisaeruginosa)50000细胞／mL(NHMRc，2005)或所有蓝藻30000细胞／mL时，则应采取第一级行动(ActionLevel1)。图9给出了蓝藻在两个不同生长速率(u=0．1／d和u=0．3／d)和两个不同起始细胞数量(1O0个／ml和1000个／m1)时，蓝藻群落增长的预测和相应的警报级别。在自然水体中，尤其是天气较热时，蓝藻群落往往会在不到两天的时间内增长一倍(u=0．35／d时)；监测频率和预防措施需要将藻类这种快速增长的特点考虑在内。图9还告诉我们，在蓝藻起始浓度不高的时候进行早期预防，即便蓝藻生长速率较高，我们仍然有相当的时间实施控制。2．4小结图10给出了藻类水华早期预防与控制的基本思想。从理论上讲，藻类是水生生态系统中的初级生产力，其第一阶段的增长过程是正常，也是生态系统中必不可少的组成部分。假设藻类增长至N2点暴发水华，那么N1点就是藻类水华早期预防的预警点，即藻类增长早期控制措施应该在N1点附近实施。N2点则是藻类水华的预警点，应当启动应急处理措施，减少藻类水华带来的不利影响。实际上，藻类增长的过程给了我们早期预防和控制的实施时间和浓度范围(图10)；只要抓住N1至N2的时机，就有可能控制藻类的过度增长。目前采取的多为藻类水华形成之后的技术措施，例如捞藻。有人宁可花1000万人民币去购买打捞船，却不愿意花100万人民币去研究蓝藻早期预防的方法，这种做法不可取。3早期预防和控制蓝藻水华的若干技术大规模控制蓝藻水华的技术很多。由于篇幅限制，这里主要介绍与蓝藻水华早期预防和控制的两类技术，不能盖全，但却可以从中得到启示。3．1用于蓝藻水华早期预防和控制的水力调控技术(1)调水稀释(Flushing)技术调水稀释是一个大家熟悉的技术。早在20世纪60年代美国华盛顿州西雅图的绿湖(GreenLake)就采用调水稀释的方法，将14个月的水力停留时间减少到3个月，使水体表层硝酸盐氮和叶绿素大幅下降，透明度上升了近3m，消除了蓝藻(Aphanizomenon)水华现象。MartenScheffe和Hosper等人认为，(a)调水稀释对控制蓝藻水华特别有效(图11上)；(b)即便是高营养物含量的来水，只要强度足够，也可以有效控制水华(图11下)；(c)冬季藻类浓度较低时，调水稀释起的作用更大。最近几年的研究成果表明，控制水体的水力停留时间仍然是有效控制藻类过度增长的有效方法。一般水体每天更换10％～15％的总体积水量，中型水库每3O天更换一次水，就能够有效控制水体的藻类水华。(2)水库分层控制技术图12给出了有多个不同高度泄水闸口的水库温度分层示意图，选择不同深度泄水对于改善水库底部的氧化还原状态和防止水体富营养化有重要作用。水库一般都有温度分层(thermocline)现象，高浓度的营养物质在缺氧的底层(anoxiclayer)累积。夏季从B泄水可以减少水库的营养负荷，有效防止由于上下水层交换引起的蓝藻水华。从A泄水则类似调水稀释，减少蓝藻在单位水体中的数量。水库分层控制的方法很容易改变水库的营养状态和热容状态，也可能对下游水体造成不利影响(例如从水库底层排放高营养物的水，通常含有有毒的硫化氢)，使用时要经过较为精确的计算和模拟。我国东部平原湖泊大部分属河碛湖和海碛湖，多是与大河相通的浅水湖泊；新建的大中型水库一般都有多个不同高度的泄水闸口。外国成功的经验告诉我们，利用其水动力条件改变湖泊水库的营养状态和生物地球化学过程，从而大面积控制湖库的富营养化和蓝藻水华是完全可行的。需要指出的是，用于藻类水华早期预防和控制的调水或调度技术和与水利运行是不同的，其成功与否的关键在于掌握藻类增长和营养物变化的规律。单单按照水利要求进行水力调控，往往难以奏效；但在许多时候两者可以很好地结合起来。3．2用于蓝藻水华早期预防和控制的化学技术(1)络合铜除藻剂的生态安全性与其他除藻剂相比，铜的杀藻作用有效、稳定、价格低廉、且对人体健康的毒性作