（市政工程专业论文）微量元素对景观水体藻类增殖的影响研究.pdf

摘要 摘要 水是城市中重要的基础资源，北京淡水资源紧缺，再生水已成为重要的非常 规水源之一。从北京总体的水源需求规划看，再生水将主要用于工业、农业以及 城市环境用水和生态用水，其中作为景观用水补水是主要的用途之一。城市景观 水体不仅可以美化环境、给人以美感，还可以维护生态平衡。但是，由于再生水 自身的水质特点和景观水体状态等方面的原因，再生水回用于景观水体时富营养 化是突出的问题之一。其中，景观水体中微量元素的浓度是一定条件下触发或抑 制再生水优势藻种爆发性增殖的重要因子之一，对其在景观水体富营养化防控中 作用进行系统研究具有重要的理论和实际意义。 研究再生水景观水体富营养化的发生发展过程，在某种意义上就是研究再生 水景观水体中优势藻类的生长过程。针对再生水景观水体常见的富营养化问题， 以蛋白核小球藻、斜生栅藻为测试藻种，使微量元素z n 2 + 、c u 2 + 、f e ”在特定的 条件下成为测试藻种生长的限制因子，从而确定这三种微量元素对再生水补充景 观水体富营养化限制因素和对景观水体中常见藻类增殖影响的生态幅，进而从微 量元素的角度提出控制再生水水华问题的对策。 通过藻类增长潜力实验( a g p ) ，分别以实验藻种的光密度值、叶绿素a 值、 比增长率以及光合速率和呼吸速率为指标，对应分析了不同浓度的z n 2 + 、c u 2 + 、 f e 3 + 对蛋白核小球藻和斜生栅藻的增殖的影响。在实验条件下，蛋白核小球藻和 斜生栅藻适宜增殖的z n 2 十质量浓度范围都是1 1 0 0 x g l ；c u 2 + 浓度范围分别是 0 1 一l i _ t g l 和1 - 5 0 p g l ；f e ”质量浓度范围分别是5 1 0 0 l t g l 和5 0 1 0 0 0 “l 。据 0 8 年资料，北京市主要的再生厂水厂不同月份的出水中z n 2 + 平均含量浓度 8 2 5 7 5 “g l ，c u 2 + 浓度小于2 0 1 t g l ，f e ”平均含量浓度5 7 5 p g l ，结合本试验的 结果，恰好是在试验确定的促进实验藻种的增殖的浓度范围内。如以此类再生水 为水源补充景观水体，在其他条件适宜的情况下，微量元素z n 2 + 、c u 2 + 、f e ”可 能会对藻类的生长起到推波助澜的作用。 根据种群生态学的理论，利用试验数据对受试藻种在微量元素影响下的生长 模型进行了研究。以l o g i s t i c 生长模型为基础，引入微量元素浓度项，结合l o r e n t z 方程和g a u s s a m p 、g a u s s 方程，分别建立三种微量元素影响条件下受试藻种生 长模型，描述了c u 2 + 、z n 2 + 、f e ”存在条件下蛋白核小球藻和斜生栅藻的生长过 程。应用该方程可以根据微量元素浓度预测水体中藻类的生长量，这对实际工程 中控制补充水体中微量元素的浓度从而控制景观水体中藻类生长有着重要的实 用价值。 关键词：再生水；富营养化；微量元素；藻类增长潜力试验；生长模型 北京t 业大学t 学硕十j 学位论文 a b s t r a c t t h ew a t e ri st h ei m p o r t a n tf o u n d a t i o nr e s o u r c e si nt h ec i t y ，a n dt h er e c l a i m e d w a t e rh a sb e c o m eo n eo fi m p o r t a n tw a t e rs o u r c e sb e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n g l ys c a r c e f r e s hw a t e ri nb e i ji n g u s i n gt h er e c l a i m e dw a t e ra d e q u a t e l yi st h ei m p o r t a n tl i n k f r o mo v e r a l lw a t e rr e s o u r c e ss c h e m eo fb e i ji n g t h er e c l a i m e dw a t e rw i l lb eu t i l i z e d f o rt h eu r b a ne n v i r o n m e n ta n dt h ee c o l o g yw a t e r , w h i c hm a i n l ym a k e su pa st h e l a n d s c a p ew a t e r t h eu r b a nl a n d s c a p ew a t e rb o d yn o to n l ym a yb e a u t i f yt h e s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t ，b u tm a ya l s om a i n t a i nt h ee c o l o g i c a le q u i l i b r i u m b u ta sa r e s u l to ft h ew a t e rq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i co ft h er e c l a i m e dw a t e ra n dt h ec o n d i t i o n so f t h el a n d s c a p e w a t e r , t h er e c l a i m e dw a t e rf o rw a t e r s c a p er e c h a r g ei se x t r e m e l ye a s yt o p r o d u c ew a t e rb l o o ms oa st os e r i o u s l yi n f l u e n c ew a t e rb o d yl a n d s c a p eu n d e ro u t s i d e s u i t a b l ec o n d i t i o n s a n da p p r o p r i a t et r a c ee l e m e n t sc o n c e n t r a t i o nm i g h tb eo n eo ft h e k e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h es u p e r i o r i t ya l g a eb l o o m si nt h er e c l a i m e dw a t e rw h i c hu s e d f o r l a n d s c a p er e s o u r c e f r o mt h ep o i n t o ft r a c ee l e m e n t st h ec o n d i t i o n so f e u t r o p h i c a t i o no fi nt h er e c l a i m e dw a t e rf o rw a t e r s c a p er e c h a r g es h o u l db ep a i dm o r e a t t e n t i o n st od u r i n gt h er e s e a r c ho fe u t r o p h i c a t i o nc o n t r 0 1 t h ep r o c e s so fe u t r o p h i c a t i o no ft h er e c l a i m e dw a t e rf o rw a t e r s c a p er e c h a r g ei st h e r e s e a r c ho ft h es u p e r i o r i t ya l g a e s g r o w t hp r o c e s si ns o m es e n s e ，i nv i e wo ft h e e u t r o p h i c a t i o nq u e s t i o no ft h el a n d s c a p ew a t e rb o d y , t a k ec h l o r e l l ap y r e b o i d o s a ， s c e n e d e s m u so b l i q u u sa st h et e s ta l g a e ，a n dc a u s et h et r a c ee l e m e n t st ob e c o m et h e l i m i tf a c t o r so ft h et e s ta l g a eu n d e rt h es p e c i f i cc o n d i t i o n ，a n a l y s ea n da l s od i s c u s st h e r o l eo ft h ee l e m e n t so fz n ”，f e 3 + & m n 2 + i n a l g a ep r o p a g a t i o n b a s e do nt h ea l g a eg r o w t hp o t e n t i a le x p e r i m e n t s ，t h ee f f e c to ft h ec o n c e n t r a t i o no f z n z + 、c u 2 十、f e + o nt h ec h l o r e l l ap y r e b o i d o s aa n ds c e n e d e s m u so b l i q “jg r o w t hi s a n a l y s e db yt h ei n d e xo fo p t i c a ld e n s i t i e s ( o d ) ，c h l o r o p h y l l ac o n t e n t sa n da v e r a g e s p e c i f i cg r o w t hr a t ea sw e l la sc o m b i n i n gw i t ht h ep h o t o s y n t h e s i sa n dr e s p i r a t i o no f t h et e s ta l g a e t h ed a t ao fa g p e x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h er a n g e so fz n + o p t i m a l c o n c e n t r a t i o n sf o rc h l o r e l l ap y r e b o i d o s aa n ds c e n e d e s m u so b i q u u sa r e1 - l0 0 1 x g l ， a n dt h er a n g e so fc u 2 十c o n c e n t r a t i o n sa r e0 1 1 “g l ，1 - 5 0 i r t g l ；t h er a n g e so ff e 升 o p t i m a lc o n c e n t r a t i o na r e5 一lo o t x g l ，5 0 一l0 0 0 k t g l t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no f z n 肘i s8 2 5 7 5 9 9 l ，f o rc u 2 十i ss m a l l e rt h a n2 0 1 t g la n df o rf e ”i s5 7 5 p g li n s e w a g et r e a t m e n tp l a n t so fb e i ji n g a c c o r d i n gt ot h i se x p e r i m e n tt h ec o n c e n t r a t i o no f z n 什、c u 2 + 、f e 3 + a c c e l e r a t et h ec e l ld i v i s i o na n dg r o w t ho fa n dc h l o r e l l ap y r e b o i d o s a a n ds c e n e d e s m u so b i q u u s t h e g r o w t hm o d e lo ft e s ta l g a ei ss t u d i e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t aa c c o r d i n gt o p o p u l a t i o ne c o l o g y ag r o w t hm o d e l ，w i t hc o n s i d e r a t i o no fe f f e c to ft r a c ee l e m e n t so n t h eg r o w t ho ft e s ta l g a e ，i sd e v e l o p e db yi n c o r p o r a t i n gl o g i s t i cg r o w t hm o d e lw i t h l o r e n t ze q u a t i o na n dg a u s s a m p 、g a u s se q u a t i o n t h eg r o w t hp r o c e s so fc h l o r e l i i a b s t r a c t p y r e b o i d o s aa n ds c e n e d e s m u so b i q u u si sd e s c r i b e da td i f f e r e n tz n 2 + 、c u 2 + 、f e 3 + c o n c e n t r a t i o n s t h ea l g a e sg r o w t hq u a n t i t yi nt h ew a t e rb o d yc o u l db ef o r c a s t e db y u s i n gt h i se q u a t i o na c c o r d i n gt ot h ec o n c e n t r a t i o n so ft r a c ee l e m e n t s t h i sc a nh e l p c o n t r o lt r a c ee l e m e n t so ft h es u p p l e m e n t e dw a t e rb o d ya n dh a sg r e a t p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oc o n t r o lt h eg r o w t ho fa l g a ei nt h er e c l a i m e dw a t e rf o rw a t e r s c a p e r e c h a r g e k e y w o r d s ：r e c l a i m e dw a t e r ，e u t r o p h i c a t i o n ，t r a c ee l e m e n t s ，a g p ，g r o w t hm o d e l i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：塞毒盎日期：竺! 坐骂 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：逊导师签名：日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 再生水的开发利用研究 近年来随着世界经济发展、人口增加以及水源的污染，许多国家水资源短缺 和水污染加剧的问题日趋严重。在我国，据有关统计，2 0 0 1 年我国城市污水排 放量已达4 1 4 亿m 3 ，2 0 0 1 - 2 0 0 5 年的污水排水增长率0 8 ，2 0 0 6 - 2 0 1 0 年污 水排放年增长率为0 1 ，这样到2 0 1 0 年我国的年污水排放量为7 6 3 亿m 3 ，其 中大部分污水未经有效处理而排入江河湖海。全国9 0 以上的城市水域受到不同 程度地污染，近5 0 的重点城镇的集中饮用水源不符合取水标准【l l 。我国北方城 市大部分受到资源型缺水的困扰，南方丰水地区已经呈现水质型缺水趋势。为缓 解水资源短缺危机，国家和地方各级政府采取了多种措施以应对，如实施远距离 调水、城市污水再生利用、海水淡化等等。其中污水再生利用作为解决水资源短 缺的出路之一，与其他措施相比，具有源水易于收集处理、水质水量稳定可靠、 总体成本较低以及可以降低排污水对环境的污染等优点，因此其作为解决水资源 短缺的出路之一越来越受到人们的重视。 目前城市污水回用已经成为解决城市缺水、提高水资源有效利用率、有效控 制水体污染的二条重要途径。作为我国首都的北京，属于半干旱季风地区，天然 水资源量有限，是严重的缺水城市，近年来，随着北京经济建设的快速发展，城 市规模的日益扩大，人口膨胀，人民生活水平的提高，城市用水量日益增长，供 需矛盾愈发尖锐，缺水的形势愈发严峻 2 1 。“新北京新奥运”的主题对北京的城市 水工程体系的建设提出了更高更新的要求。北京市对此提出：保护水资源，保证 水安全，建设生态环境和实现水利现代化。由于水资源的短缺，必须开辟新的水 源以缓解水资源的供需矛盾。北京市每天都有大量的污水排出，由于城市污水处 理后水质相对稳定可靠，不受气候等自然条件影响、不与邻近地区争水、可以就 地取用、而且保证率高，因此城市污水的再生回用可以提供一个经济有效的新水 源，并且可以节省优质的饮用水源。城市污水资源化既可以消除对水环境的污染， 又能促进生态的良性循环，因此对城市污水再生资源化的研究在现在具有很现实 的意义。推行污水回用也是势在必行【3 】。 随着社会经济高速发展，城市中流动的景观水体已成为人民生活水平和文化 底蕴的重要体现。目前北京等城市已经明令禁止利用地下水和自来水作为景观水 体的补充水源【4 】，补充水源不足已经成为景观水体建设的主要限制因素，要解决 这一难题只有充分利用再生水，这是北京市健康水循环的重要环节。北京己开始 或计划实施再生水作为城市内河景观补给水的工程【5 j ，而且已经取得了一定的效 果。奥运公园水面是世界上迄今为止规模最大的以再生水为唯一水源的人工水 北京工业大学工学硕士学位论文 景，能够体现“科技奥运、绿色奥运、人文奥运”主题。 1 2 景观水体的分类 随着人们生活水平和人居环境质量的提高，人们对整个居住小区的外部人文 景观、绿化和水环境的要求越来越高。城市中的人工景观河道、景观湖泊和景观 水池不断涌现。水景设置可以提高环境品质，增强居住的舒适感；而且水体利于 净化空气，增加居住环境的湿度，减少浮尘，改善区内小气候；同时可以为人们 营造回归自然的氛围，带来精神上的享受。通常的景观水体可分为两部分【6 】，天 然景观水体和人工景观水体。天然景观水体包括小型的天然湖泊，如杭州的西湖 等；各种景观用的河道。人工景观水体，顾名思义，是经过人工加工改造的景 观水体。它包括：人工湖泊、人工河流、水族馆、喷泉、瀑布、水景等。在人工 景观水体中，一定要采取各种措施避免出现死水湖、臭水河；使人工景观水体成 为人民向往的“青山绿水、山清水秀”的自然景观，成为人们观赏和休闲的好去处。 景观水体的水源主要来自地表水、地下水、雨水、城市市政自来水、城市再生水 等。其中。一般来讲，以自来水作为景观水体的初期注入水和后期补充水时可将 其直接用于景观水体；若利用的是天然河水则需要根据河水的水质情况决定是否 需对其进行特别处理，同时也要考虑水资源费用的付出。 1 3 水体富营养化及其危害 水体富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷 等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅 速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。在自 然条件下，湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态，不过这种自然过程非常缓 慢。而人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化则可以 在短时间内出现。水体出现富营养化现象时，浮游藻类大量繁殖，形成水华。富 营养化实质上是指水体藻类初级生产力异常增大的现象。支配这种初级生产力的 营养性物质，很显然是富营养化的极为重要的指标，也是主要控制因子。般认 为当天然水体接纳含有大量磷和氮的城市污水或工业废水及大量使用化肥的农 田排水后，会促使某些藻类的数量迅速增加，而藻类的种类却逐渐减少。城市生 活污水中含有丰富的氮、磷，如人体排泄含有一定数量的氮，使用含磷洗涤剂， 含有大量的磷等。另外如磷灰石、硝石、鸟粪层的开采、化肥的大量使用，也是 氮、磷等营养物质进入水体的来源。污水中的氮分为有机氮和无机氮两类，前者 是含氮化合物，如蛋白质、多肽、氨基酸和尿素等，后者则指氨氮、亚硝酸态氮， 它们中大部分直接来自污水，但也有一部分是有机氮经微生物分解转化作用而形 成的。 2 第1 章绪论 水体中的藻类本来以硅藻和蓝藻为主，通过调查北京市一些以自然水体为补 水的公园水景，结果表明，随着富营养化的发展，最后变为蓝藻为主( 铜绿微囊 藻为优势藻种) ，因此蓝藻的大量出现是富营养化的征兆。藻类生长周期短、繁 殖迅速、死亡后被需氧微生物分解、不断消耗水中的溶解氧，或沉到水底被厌氧 微生物分解，不断产生硫化氢等腐败气体，从而水质恶化，富营养化的直接后果 是鱼类的大量死亡及对工业、生活、灌溉用水等产生不利的影响。水体富营养化 是一个极为复杂的生态过程，富营养化的发生、发展是多因素共同作用的结果， 除了需要营养物质的供给外，还有光照、温度、水力条件、浊度等。 1 4 再生水回用于景观水体及其富营养化成因 1 4 1 再生水补充景观水体 随着世界城市化水平和工业化程度的提高，水资源短缺和水污染加剧已日益 严重，将清洁水资源用于景观水体是不可行的，因此将城市污水经深度处理后， 补给人工景观水体已经成为解决城市缺水、提高水资源有效利用率、增加水景设 施的一条重要途径。水是城市中重要的基础资源，但是北京淡水资源的紧缺加剧， 再生水已成为重要的水源之一【4 j 。从北京总体的水源需求规划看，再生水将主要 用于城市环境用水和生态用水，其中作为景观用水补水是主要的用途。目前北京 几个主要污水处理厂出水回用于景观环境的用水量近3 0 万m 3 d 7 ，其中高碑店 污水处理厂的部分出水补充到北京市很多公园作为景观环境用水，大大提高了北 京的总体水环境质量再生水补充景观水体用水。 任何事物都有两面性。城市景观水体不仅可以美化环境、给人以美感，还可 以维护生态平衡。一般来说，以再生水作为景观水体的初期注水和后期补充水( 无 基流) 时，水体中所含有的过多的营养盐以及后期的污染、水量( 流速) 、换水 率及水质管理措施等方面的原因，会导致景观水体中藻类的迅速繁殖，恶化水质， 景观效果大为降低，影响周围居民的正常生活，影响城市功能和形象。再生水补 充景观水体用水，一方而缓解了缺水的问题，但在另一方再生水水质控制不够严 格带来的问题也会给城市居民带来困扰峭j 。 1 4 2 景观水体富营养化及其成因 在再生水回用景观水体存在的问题中，除了卫生学和美学问题，富营养化是 其中的最大障碍之一。因为再生水是来自经过一定深度处理的生活污水或不包含 重污染工业废水在内的城市污水，与清洁水源相比其污染物本底值相对较高，营 养盐含量丰富，这是发生富营养化的根本原因；景观水体属于非连续流动水体或 3 北京工业大学工学硕士学位论文 多为静止、流动性差的封闭缓流水体，流速缓慢，具有水域面积小、易污染、水 环境容量小、水体自净能力较天然景观水体差等特点，且很容易成为居民生活污 水、雨水及垃圾的受纳体，可为藻类的生长提供稳定的水环境；同时人工景观水 体的水深一般在1 2m ，研究经验表明，浅水湖泊比深水湖泊更易发生富营养 化问题，景观水体与浅水湖泊类似，也具有水浅这一特点。因此，和浅水湖泊一 样易发生富营养化。再生水回用的景观水体在外界适宜条件下，极易爆发水华， 严重影响水体的景观效果【8 1 。 国际上【9 】通常认为透明度 0 5 m 是富营养化湖泊的重要特征。天然水体富营养 化水平的临界指标： ( 1 ) 水体中含氮量大于0 2 - - 一0 3 m g l ，含磷量大于0 0 1 m g l ， ( 2 ) 生化需氧量大于1 0 m g l ， ( 3 ) 在淡水中细菌总量达到1 0 5 个毫升， ( 4 ) 标志藻类生长的叶绿素a 浓度大于1 0 t x g l 。 表1 1城市污水再生利用景观环境用水水质标准中n 、p 要求 t a b l e1 1t h er e u s eo f u r b a nr e c y c l i n gw a t e r - - n 、po f w a t e rq u a l i t ys t a n d a r df o rs c e n i c e n v i r o n m e n tu s e 城市污水再生利用景观环境用水水质标准 标准名称 ( g b t1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) 1 。 2 氨氮( 以n 计) m g l 5 。 总氮m g l 5 1 51 5 总磷( 以p 计) m g l 郢55 0 5 适用范围观赏性景观环境用水中的水景类娱乐性景观环境用水中的水景类 再生水用作景观水体补水水源时有其自身特点，尽管经过了深度处理，但水 中氮、磷等营养成分相对较高，本身就是富营养化水源。实践证明【1 0 】，即使再生 水水质满足城市污水再生利用景观环境用水水质( g b t1 8 9 2 1 - - 2 0 0 2 ) ，但是 城市污水再生利用景观环境用水水质( g b t1 8 9 2 1 - - 2 0 0 2 ) 中氮、磷指标要 求均高于天然水体富营养化水平的临界指标，其中仍含有较高浓度的氮、磷等浮 游植物营养成分，再生水回用的景观水体比天然河流、湖泊更易发生富营养化问 题。如不采取有效的技术措施，将会引发景观水体水华爆发，影响景观水体质量， 严重时还会出现恶臭现象，但采取适当的维护保障措施后，可以避免水华爆发。 因此当再生水作为景观水体的补水水源后，富营养化不再等同于水华和赤潮，维 护及保障技术的作用就是使本身处于富营养化状态下的水体不发生水华或赤潮。 4 1 5 再生水优势藻种 第1 章绪论 表1 2 景观水体出现的主要藻种 t a b l e1 - 2t h ed o m i n a n ts p e c i e so fa l g a ei nt h er e c l a i m e dw a t e rf o rw a t e r s c a p er e c h a r g e 时间4 - 5 月底6 8 月 8 - 9 月 平均日最高水温 2 1 2 3 2 6 2 9 2 3 2 5 优势藻种 小球藻( c h l o r e l l a )小球藻( c h l o r e l l a )小球藻( c h l o r e l l a ) 衣藻属 栅藻( s c e n e d e s m u s )( c h l a m y d o m o n a s ) 衣藻属 羊角月牙藻( s e l e n a s t r u m栅藻( s c e n e d e s m u s )( c h l a m y d o m o n a s ) c a p r i r c o m u m m )小环藻( c y c l o t e l l a栅藻( s c e n e d e s m u s ) 出现的其他藻种 新月藻( c l o s t e r i u m )s t e l l i g e r a )丝藻( u l o t h d x ) 脆杆藻( f r a g i l a r i a ) 羊角月牙藻盘星藻属 小环藻( c y c l o t e l l as t e l l i g e r a )( s e l e n a s t r u m ( p e d i a s t r u m ) c a p r i r c o m u t u m ) 表1 3 不同营养状态下水体常见浮游植物优势种类 t a b l e1 - 3t h ed o m i n a n ts p e c i e so fp h y t o p l a n k t o nu n d e rd i f f e r e n tn u t r i t i o ns t a t ei nt h e r e c l a i m e dw a t e rf o rw a t e r s c a p er e c h a r g e 营养状态 优势种类( 属) 营养状态 优势种类( 属) 贫营养 金藻：椎囊藻( d i n o b r y o n ) ， 富营养 蓝藻：微囊藻( m i o r o c y s t i s ) 鱼鳞藻( m a i l o m o n a s )鱼腥藻( a n a b a e n a ) 绿藻：叉链藻( s t a u r o a s t r u m ) 颤藻( o s c i l l a t o r i a ) 叉腥藻( s t a u r o a s t r u m )束丝藻( a p h a n i z o m e n o n ) 硅藻：平板藻( t a b e l l a r i a ) 硅藻：直链藻( m e l o s i r a ) 根管藻( r h i z o s o l e n i a ) 针杆( y n e d r a ) 中营养 甲藻：角藻( c e r a t i u m )隐藻：隐藻( c r y p t o m o n a s ) 多甲藻( p e r i d i n i u m ) 重富营养 蓝藻：平裂藻( m e r i s m o p e d i a ) 隐藻：蓝隐藻( c h r o o m o n a s )绿藻：弓形藻( s c h r o e d e r i a ) 硅藻：脆干藻( f r a g i l a r i a ) 栅藻( s c e n e d e s m u s ) 小环藻( c y c l o t e l l a ) 衣藻( c h l a m y d o m o n a s ) 富营养 绿藻：空星藻( c o e l a s t r u m )绿藻：小球藻( c h l o r e l l a ) 鼓藻( c o s n a r i u m )裸藻：裸藻( e u g l c n a ) 绿藻：栅藻( s c e n e d e s m u s ) 小球藻( c h l o r e l l a ) 十字藻( c r u c i g e n i a ) 李春丽8 1 等研究显示，经过春、夏、秋三个季节对再生水中浮游植物的监 5 北京工业大学工学硕士学位论文 测，发现绿藻门藻类偏多，硅藻门次之，没有发现蓝藻门，因此再生水补水的景 观水体水华爆发时绿藻门的小球藻属为最常见的藻类。另外从表1 2 、1 3 中可 以看出，小球藻和斜生栅藻都是可以引起景观水体发生水华的富营养化的优势藻 种。 1 6 微量元素对藻类生长的影晌 富营养化状态一旦形成，水体中营养素被水生生物吸收，成为其机体的组成 部分，水生生物死亡腐烂过程中，营养素又释放进入水体，再次被生物利用，形 成植物营养物质的循环。因此，富营养化的水体即使切断外界营养物质来源，也 很难自净和恢复，因而有时也称之为生态癌症。水体富营养化与藻类“水华”是密 切相关的，它是水质变异的一种特殊现象，前者是后者先兆，后者是前者的结果。 浮游藻类大量繁殖是富营养化水体的重要标志，也是造成危害的主要原因之一。 根据有关的研究，藻类的大量繁殖是有条件的，与氮、磷水平有很大的关系，也 与微量元素有必要的联系，并且藻类在不同的营养等级和特殊微量元素影响下生 长繁殖状态与优势种群各异【1 1 1 。微量元素f e 、c u 、m n 、s e 、c o 等也是藻细胞 生长所必需的因子，对藻类的生理作用可归纳为以下几方面： ( 1 ) 某些酶的成分大多数微量营养元素都是某些酶的组成成分，如铁是细胞 色素氧化酶，过氧化氢酶，过氧化物酶的成分：铜是多种氧化酶的成分；锌是碳 酸酐酶的成分； ( 2 ) 参与体内碳氮代谢、微量营养元素积极参与藻类体内碳水化合物和蛋白 质的代谢作用。如锌与碳水化合物的转化有关，也能促进蛋白质的合成；铜对氨 基酸活化及蛋白质合成有促进作用。 ( 3 ) 与叶绿素合成及稳定性有关铁是合成叶绿素时所必需的。藻类缺铁会导 致叶绿体结构破坏；锰直接参与光合作用过程中水的光解；叶绿体中含有较多的 铜，它不仅与叶绿素合成有关，而且能提高叶绿素稳定性，避免叶绿素过早地被 破坏。 ( 4 ) 参与体内的氧化还原反应铁与有机化合物结合后，能提高其氧化还原能 力，以调节体内氧化还原状况；铜是植物体内很多氧化酶的成分，它以酶的方式 积极参与体内氧化还原反应；锰参与氧化还原反应，影响硝酸还原作用。 ( 5 ) 促进生物固氮铜对共生固氮作用也有影响。 1 7 浮游藻类l o g i s t i c 生长模型 由于生物体在一个完整的生长过程中其生长速度通常具有慢一快一慢的共 同特征，这一过程若用曲线来表示，是条拉长的“s ”型曲线或者说是“s ”型曲线 的一个特定部分。藻类生长过程同样经历延缓期、指数生长期、稳定期、衰亡期 6 第1 章绪论 四个阶段，由此也表现出“s 型曲线，这种“s ”形曲线因藻类种群生长特性的不同 和所处环境条件的变化而呈现出多样性变化f 1 2 】。总的说来，生物生长模型的发展 经历m a l t h u s 指数增殖模型阶段、三参数生长模型阶段、r i c h a r d s 生长模型阶段， 其中l o g i s t i c 生长模型适用于描述藻类早期缓慢生长期长的生长过程。l o g i s t i c 五， 模型形式如下： r = i 二备一 ( 1 1 ) l + ! 二鱼p 一玎 n b 其中，n t ：时刻生物量，n o ：初始生物量，r ：生长速率参数，k 称为环境的 最大容纳量，曲线表现为“s ”型。r 反映了物种的内在特性，k 反映了资源丰富的 程度，表征了环境能容纳此种群个体的最大数量。l o g i s t i c 模型表明，种群规模 的相对增长率与当时所剩余的资源份量成正比，这种种群密度对种群规模增长的 抑制作用，称为密度制约。l o g i s t i c 模型克服了m a l t h u s 指数增值模型中忽略资 源限制的问题，适用于描述细菌、浮游藻类等低等生物的生长，是种群生态学中 的一个重要的模型。 1 8 国内外研究现状 f e 为多种酶系的辅助因子，对于细胞色素、铁氧化还原蛋白和铁疏基蛋白， 铁是不可缺乏的元素，藻类光合作用依赖于铁；同时，铁是硝酸盐、亚硝酸盐还 原酶系的重要组分，对增强藻类对硝酸盐、亚硝酸盐的还原效率、转移速率作用 十分显著【1 3 1 。 z n 是藻类中光合作用和代谢相关酶类的组成成分，如碳酸酐酶、酸性磷酸 酶和碱性磷酸酶等( b o y e r & b r a n d1 9 9 8 ) 【1 4 1 。碳酸酐酶对水体中藻类吸收和利用 无机碳起着关键的作用，因为催化以下反应：h c o ； + h + = c o ，+ h ，o 。通常， 藻类光合作用同化的无机碳中效率最高的是c 0 2 ，而c 0 2 在水中和细胞中多以 h c o ；- 的形式存在，如果没碳酸酐酶，藻类的光合和生长速率就会大大降低。低 z n 2 + 主要是通过影响藻细胞的碳酸酐酶的活性来限制细胞对无机碳的利用和 c 0 2 的固定，进而限制微藻的光合作用和生长。 c u 是大多数藻类生长所必需的微量元素，它是构成藻类细胞内多种氧化酶 的成分之一，直接参与呼吸作用；同时铜也存在于叶绿体的质体蓝素中，参与光 合作用的电子传递，较低浓度的铜可促进藻类细胞增殖。由于藻类细胞壁带有负 电荷、氨基与羟基等官能团，对金属离子有较大的亲和力，因此使用高浓度的铜 时，细胞表面许多活性基团会因与铜结合而丧失生物活性，从而影响藻类正常的 新陈代谢和生化反应过程【1 5 】。铜离子进入水体后对藻类产生两方面影响：一方面 提高藻类的新陈代谢过程，促进其生长；另一方面对藻类的致毒效应，对藻类细 7 北京工业大学工学硕士学位论文 胞壁表面的硫基团有很强的亲和力，即藻类对铜离子有较强的敏感性。当铜离子 进入到藻类细胞体内后，与酶的s h 基结合，使酶失去活性，或与蛋白质结合使 之变性沉淀，从而抑制了藻类的生长。铜对藻类产生毒性是由于铜对藻细胞壁表 面的含硫基团有很强的亲合力干扰藻类正常的新陈代谢和生化反应过程，破坏 叶绿体等胞内物质，从而对藻类的生长产生抑制作用，而且这种抑制作用与很多 因素有关，如藻的种类、藻细胞的密度以及介质的组成和物理条件等。 1 8 1 国外研究现状 微量元素对藻类增殖影响的研究大多是以赤潮藻类为研究对象，而对淡水浮 游藻类的影响研究报道则较少。f e 、z n 、c u 等微量元素缺乏，对浮游藻类的 生长有限制作用，但多数微量元素的含量增加到一定程度时，则会对藻类的代谢 产生毒害【1 6 】。k i m 等人观测到佛罗里达沿岸发生短裸甲藻( g y m n o d i n i u mb r e v e ) 赤潮与含有大量铁的河流径流入海有关，赤潮出现前，海水中含铁量达到最大值 【1 。7 1 。o k m c l l i 等在培养褐胞藻( c h a t t o n e l l as p ) 的介质中加入1 t m o l le d t a f e 2 + 使其达到最大增殖率【18 1 。实验室培养研究表明，当水体中络合铁离子浓度低于 l o n m o l l 时，铁成为赤潮异弯藻的限制因子，当介质中络合铁浓度满足藻细胞 最大吸收时( 1 0 0 0 n m o l l ) 则该藻可达到最大增殖速率【1 9 j 。另外，铁与氮源之 间存在交互影响作用，并影响赤潮藻类的生物组成和对营养物的吸收【2 0 】。实验室 培养研究表明，m n 2 + 在o - 2 0 1 x m o l l 能促进海洋原甲藻增殖【2 l j 。不同藻种受微量 元素的影响也不尽相同，f e 促进尖刺拟菱形藻、圆海链藻、丹麦细柱藻的生长， m n 影响脆根管藻、长菱形藻、多纹膝沟藻的生长，微量金属元素对赤潮藻类影 响的不同可能改变水体中赤潮藻类的优势种群【2 2 】。i n g l e ( 1 9 7 1 ) 等报道佛罗里达海 沿岸的短裸甲藻( g y n o d i n u mb r e v ed a v i s ) 赤潮与赤潮爆发前三个月中由河流排 入海里的铁的含量有明显的正相关。s u s u m uy a m a c h i ( 19 8 4 ) 提出络合铁在营养水 体中是触发赤潮爆发的因子之一，它对海洋原甲藻( p r o c e n t r u mm i e a n s ) 的增殖有 极显著的作用。 在2 0 世纪8 0 年代末，m a r t i n 等人发现在太平洋某些区域的表层海水中含有 较高的磷盐和硝酸盐，但初级生产力水平和铁却出奇的低，在向实验海域施放铁 以后，科学家测量到初级生产力有了明显的提高，这就是所谓的铁限制假说 2 3 j 。 它的两个推论是：( 1 ) 藻类对营养盐和碳酸盐的吸收受可利用铁的限制；( 2 ) 由于 铁限制藻类的生长，限制它们吸收大气中的二氧化碳，因此铁能促进大气中二氧 化碳向海洋表面的转移，从而降低大气中二氧化碳的含量。实验表明，铁在浮游 植物正常生理、生化反应中具有重要的作用，是藻类增长，主要是在光合作用和 固氮过程中必不可少的营养元素，尤其在蓝藻固氮的过程中，所需的铁量可达其 他藻类按相同速率增长的1 0 倍。所以，当藻类群落向以蓝藻为主导演替时，铁 8 第1 章绪论 就可能成为蓝藻增长的营养限制因素。有研究表明，当铁浓度在o 1 1 0 m g l 时， 藻类群落开始从绿藻向蓝藻演替。 许多研究证明，如铁、锌、锰等微量元素可以单独作用或与氮、磷共同限制 或促进藻类的增长，尤其是在以蓝绿藻为主导的淡水水体。a n d e r s o ne ta 1 ( 1 9 7 8 ) 报道【2 4 ，适当提高培养基中铁、锰或锌浓度对浮游藻类的生长和光合作用有明显 的促进作用。多数微量元素( 铁、锰、锌) 当其浓度增加到一定限度时会对藻类的 生长产生毒害。s u n d ae ta 1 ( 1 9 8 3 ) 在藻类生长环境中，如果两种或两种以上的微 量重金属元素处于限制状态，其限制作用要比单一重金属元素处于限制状态时强 的多【2 5 1 。 1 8 2 国内研究现状 张铁明( 2 0 0 6 ) 进行微量元素锌、铁、锰对藻类增长潜力的实验( a g p 实验) ， 探讨了微量元素锌、铁、锰在三种微藻增殖过程中所起的作用【1 3 】。在一定浓度下， f e 会促进浮游藻类的生长，而当超过一浓度时则表现为抑制藻类生长的特性。 在氮磷营养盐等适宜的条件下，锌浓度为0 1 0 n g l 时能明显促进铜绿微囊藻的 细胞增殖。低z n 2 + 主要是通过影响藻细胞的碳酸酐酶的活性来限制