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”[1],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×)[2]。蓝藻在水体中的位置受两种机理控制[3]。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,蓝藻细胞生图1蓝藻细胞及其气囊在水体中受压的示意图图中a是大气压力,h是随深度变化的水的静压,t是蓝藻细胞的膨压,c是表面张力在细胞壁产生的压力,s是表面张力在气囊壁产生的压力,g则是气囊的压力图2水花束丝藻(上图)和盐生舟形藻(下图)气囊的电子显微镜照片(150000×)[2]·280·ChineseJournalofNatureVol.30No.5Progress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)[4,5]。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[6]: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。图3英格兰CroseMere湖鱼腥藻(Anabaenacircinalis)短期的垂直分布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[7]。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[6]。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)[6]。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[8]将这一现象解释为风驱使藻类重现悬浮。图4非洲乌干达George湖叶绿素a在湖表面形成的浓度分布(a)和水流方向(b)图5美国佛罗里达州Apopka湖风速与叶绿素a的关系太湖北部