（模式识别与智能系统专业论文）氮磷对再生水为水源景观水体中藻类的影响研究.pdf

摘要 蔓曼! ! 曼曼! ! 曼曼! 曼曼! ! ! ! ! ! i i i一 i 曼! ! ! ! ! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼! ! 曼曼! 曼 摘要 水体富营养化已经成为了一个全球性的环境问题，引起了世界各国的普遍关 注。再生水作为一种特殊的水资源，在城市生活和工农业生产中发挥着不可忽视 的作用。将再生水并回用于景观水体，对改善我国城市水环境和缓解水资源短缺 压力起到了重要的支撑作用。然而，由于景观水体流动性差，再生水氮磷本底值 高，这样以再生水为补给水源景观水体更容易受到富营养化的威胁。本文在这一 事实的基础上，以北京城区实际景观水体为实验依据，以实验室模拟为主要手段 探讨以再生水为水源的景观水体富营养化的主要影响因素。 本文主要以铜绿微囊藻( m i c r o c y s t ia e r u g i n o s a ) 和蛋白核小球藻( c h l o r e l l a v u l g a r i s ) 两种再生水景观水体中常见藻类为研究对象，从不同接种量对藻类生 长的影响，氮、磷和水体富营养化发生的关系，以及藻类营养动力学等方面进行 研究。得出如下主要结论： ( 1 ) 不同初始接种量的大小对于铜绿微囊藻生长的模式没有很大的影响，可 是初始接种量大小却直接影响藻类生长的比增长率，并且，这种影响不是按照初 始接种量的大小呈简单的几何倍数，而是接种量越小反而比增长率越大，因此， 对于实验的进行，为了避免由于接种量引起的误差，建议要做到初始值完全相同。 ( 2 ) 在水体中藻类的生长主要受到氮和磷的影响，而氮和磷的作用往往是相 互关联的，不同的氮、磷比例不仅会对细胞的生长速度造成影响，甚至对细胞内 物质的吸收储存也有影响。 ( 3 ) 实验证明藻类具有超前储磷的本领，在新的环境下，藻类能够首先将水 体中几乎全部磷储存于体内，随着生长的需要和环境的变化藻类适时将体内的磷 释放到水体中，因此在以磷含量作为判定河湖是否会发生富营养化标准时，应该 考虑磷的隐蔽性，以免忽略突发性浮游植物水华的前兆。对于以再生水为补水水 源的景观水体，为了确保安全，应持续保持控制较低的含磷量以避免水华的发生。 ( 4 ) 从营养动力学角度再次证明蛋白核小球藻对总磷的吸收能力远高于对总 氮的吸收能力，对特定增长率来说，其增长速度较快的总磷浓度区间为：0 l i n g l ，总氮浓度则没有明确的增长区间。 关键词：再生水；富营养化；氮磷比；超前储磷 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t e u t r o p h i c a t i o n h a db e c o m eag l o b a le n v i r o n m e n t a lp r o b l e m ，c a u s i n gt h e u n i v e r s a lc u s t o m sn o t e r e n e w a b l ew a t e ra sas p e c i a lk i n do fw a t e rr e s o u r c e sp l a y s a ni r n p o r t e n tr o l ei nu r b a nl i f ea n di ni n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，w h i c h c a n n o tb ei g n o r e d r e u s et h er e c l a i m e dw a t e rf o rt h el a n d s c a p ec a ni m p r o v eu r b a n w a t e re n v i r o n m e n ti nc h i n aa n de a s et h ep r e s s u r eo fw a t e rs h o r t a g e s h o w e v e r , d u et o t h ep o o rm o b i l i t yo fl a n d s c a p ew a t e rb o d ya n dt h eh i g hv a l u eo ft h en i t r o g e na n d p h o s p h o r u so fr e n e w a b l ew a t e r , s ot h a tr e n e w a b l ew a t e rs u p p l y i n gt ol a n d s c a p ew a t e r b o d yw i l lb em o r ev u l n e r a b l et ob ee u t r o p h i c a t i o n i nt h i se x p e r i m e n t ，u s i n gt h ea c t u a ll a n d s c a p eo fb e i j i n gc i t ya st h ee x p e r i m e n t a l b a s i s ，u s i n gl a b o r a t o r ys i m u l a t i o na st h ep r i n c i p a lm e a n se x p l o r e dt h em a i n f a c t o r so f t h el a n d s c a p ew a t e re u t r o p h i c a t i o n m i c r o c y s t ia e r u g i n o s aa n dc h l o r e l l av u l g a r i s ，t w ot y p e so fr e c l a i m e dw a t e ra l g a e s f o rl a n d s c a p ew a t e rw e r em a i n l ys t u d i e do ni nt h i sa r t i c l e w er e s e a r c h e do nd i f f e r e n t i m p a c to na l g a lg r o w t ho fd i f f e r e n ti n o c u l a t i o no fa l g a l ，o nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n n i t r o g e n ，p h o s p h o r u sa n de u t r o p h i c a t i o nt od r a w nt h em a i nc o n c l u s i o n s a sf o l l o w s ： ( 1 ) d i f f e r e n ts i z eo fi n i t i a li n o c u l u mo fm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s ad i dn o t a f f e c t g r e a t l yo ff o rt h eg r o w t ho fm o d e l h o w e v e r , t h ei n i t i a li n o c u l u ms i z eh a sad i r e c t i m p a c to nt h eg r o w t hr a t eo fa l g a e i no r d e rt oa v o i dt h ee r r o rc a u s e df a l s ei m p r e s s i o n c a u s e db yt h ei n i t i a li n o c u l u mw em u s ti n s u r ep u ta l m o s tt h es a l t l ev a l u e si n i t i a l ( 2 ) t h eg r o w t ho fa l g a e i nt h ew a t e rm a i n l ye f f e c t sb yt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s a n dt h er o l eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa r eo r e ni n t e r r e l a t e d ，d i f f e r e n tn i t r o g e na n d p h o s p h o r u so nt h ep r o p o r t i o no f c e l l sn o to n l ya f f e c t st h eg r o w t hr a t e ，e v e na l s oa f f e c t s u b s t a n c e ss t o r a g e ( 3 ) t h ee x p e r i m e n t sp r o o v et h a ta l g a ew i t ht h ea b i l i t yo fr e s e r v i n gp h o s p h o r u s ，i n t h en e we n v i r o n m e n t ，t h ea l g a ew i l lb ea b l et os a v ea l m o s ta l lp h o s p h o r u si nw a t e r a n ds t o r ei nt h eb o d yf i r s to fa l l ，p h o s p h o r u sh a sah i d d e ne x i s t e n c e w i t ht h eg r o w t h o fn e c e s s a r yo rt h ec h a n g eo ft h ee n v i r o n m e n t ，t h ea l g a e st i m e l yr e l e a s e dp h o s p h o r u s i nt h eb o d yi n t ot h ew a t e rt ok e e pu pg r o w t h w h e nu s i n gp h o s p h o r u sc o n t e n ti nt h e r i v e r sa n dl a k e st od e t e r m i n ew h e t h e re u t r o p h i c a t i o nh a sh a p p e n e d ，w es h o u l dp a y a t t e n t i o nt ot h ee x i s t e n c eo fp h o s p h o r u sc o n c e a l e ds oa sn o tt oi g n o r et h es u d d e n b l o o mo fp h ”o p l a n k t o ni nt h ep r e c u r s o r t h e r e f o r e ，t oe n s u r ew a t e rs e c u r i t yo ft h e l i a b s t r a ( 丌 r e c l a i m e dw a t e rl a n d s c a p e ，w es h o u l dc o n t i n u et om a i n t a i nal o w e ra m o u n to f p h o s p h o r u s ( 4 ) c h l o r e l l av u l g a r i sh a st h ea b s o r p t i v ec a p a c i t yo ft h ep h o s p h o r u si sm u c h h i g h e rt h a nt h a to ft h en i t r o g e n ，f o rt h ec e r t a i ng r o w t hr a t e ，t h ef a s t e ri n c r e a s i n g c o n c e n t r a t i o nr a n g eo ft o t a lp h o s p h o r u si so l m g l ，t h e r ei sn oc l e a ri n t e r v a lo f t o t a ln i t r o g e nc o n c e n t r a t i o no ft h eg r o w t h k e y w o r d s ：e u t r o p h i c a t i o n ，r e c l a i m e dw a t e r ，n pr a t i o s ，s a v i n gp h o s p h o r u s p r e c e d i n g 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谓 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j e 塞王些太堂或其它教育机构 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： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 塞王些态堂有关保留、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：么 ， 导师签名： 第1 章绪论 1 1水环境现状简析 第1 章绪论 水是人类赖以生存和社会发展的宝贵的自然资源。没有水，就没有生命，也 就没有我们生活的世界。这其中9 8 以上的淡水是地下水，少于2 的淡水是可以 利用的河水和湖水，因此液体淡水是非常有限的资源。当历史的过程发展到了 高度城市化的今天，水资源面临着一种更加严峻的形势；江河污染，淡水紧缺、 生态环境恶化、水土流失严重，全球5 0 的水源遭到不同程度的污染啦! 。 对于我国情况而言，我国水资源总量虽然丰富，江河湖泊众多，冰川资源丰 富，如：流域面积在1 0 0 0 平方千米以上的河流约有1 5 0 0 多条，流域面积在1 0 0 平方千米以上的约有5 万多条；面积在1 平方千米以上的湖泊有2 3 0 0 多个口1 ，等 等：但是每人年占有径流量仅居世界第1 2 1 位，是世界平均值的1 4 ，已被联合 国列入世界1 3 个贫水国之一h 1 。并且我国水资源时空和地域分布极不均衡，年际、 年内变化大，南北、东西差距悬殊。 在水资源时空和地域分布不均衡的前提下，我国水资源利用方面的研究仍处 于初级阶段，主要问题有以下五点啼卜呻1 ： ( 1 ) 开发利用不平衡；我国水资源的利用率总体上是北高南低。如地表水的利 用率，海河流域、辽河流域和淮河分别达到6 7 、6 8 和7 3 ：而一些内陆地区 河流利用率达1 0 0 ；而地处南方的长江和珠江利用率只有1 6 和1 5 1 闽浙地 区和西南地区河流利用率则分别不到4 和1 。地下水的开发利用程度也与地表 水类似。 ( 2 ) 废水排放量大，污染严重：长期以来，我国工业废水年排放量超过2 0 0 亿 m 3 。据2 0 0 2 年统计，全国废水排放总量4 3 9 5 亿m 3 ，其中工业废水排放量2 0 7 2 亿m 3 ；废水中c o d 排放总量1 3 6 6 9 万m 3 ，其中工业废水中c o d 排放量5 8 4 万m 3 【9 】o ( 3 ) 2 2 农业用水利用率低，浪费严重：发达国家工业用水重复利用率一般在 7 0 以上，我国大部分地区的重复利用率则不足3 0 n 们。 ( 4 ) 地下水过度开发引起地面沉降：由于地表水不足，许多城市大量开采地下 水。过量开采使得地下水位下降，严重的会引起地面沉降。 ( 5 ) 节水措施少、浪费严重等问题，客观上加剧了水资源的紧缺。 北京丁业大学工学硕士学位论文 1 1 1 再生水回用的必要性 水在自然界中是惟一不可替代，也是惟一可以再生的资源，污水经过适当的 再生处理，重复利用，可实现水在自然界中的良性循环。城市污水作为第二水源 要比雨水来源稳定，比长距离引水基建投资少，较海水淡化处理工艺简单经济。 开发这种非传统水源，实现污水资源化，对保障城市安全供水具有重大的战略意 义。 ( 1 ) 污水回有效缓解了水资源的供需矛盾。试估算n ：占城市供水量的8 0 的水成为城市污水排入管网中，收集起来再生处理后有7 0 可以安全回用，二者 合计起来，占城市供水量一半以上的污水。通过不同方法的再生处理后，用途十 分广泛，返回到城市中对水质要求较低的用户，如农田灌溉、地下回灌、工业用 水、城市生活杂用、景观环境用水和其他用水等，替换出等量自来水，相应增加 了城市供水量。有效地减轻了城市供水系统的压力，并能够使有限的资源得到合 理利用。 ( 2 ) 污水回用可节省水资源费、远距离输水费和基建费等。 ( 3 ) 污水处理回用减少了污水排放量，减轻了环境的水污染负荷，保护了自然 水体，具有可观的环境效益。 1 1 2 再生水回用现状 生活污水经二级处理或深度处理达到相关标准后，可以回用于农业、工业、 地下回灌、城市生活杂用、补给河流湖泊等。再生水回用于景观环境是满足缺水 城市对于娱乐性水环境需要而发展起来的一种再生水回用方式，再生水回用于景 观水体是完成水生态循环的自然修复与恢复的最佳途径n 钉，实现了水资源的可持 续利用。可以预见，随着环境意识的提高，再生水回用于景观水体必将拥有广阔 的发展前景。国外在再生水回用于景观水体方面的研究早在2 0 世纪3 0 年代就己 开始。实施再生水回用于景观水体的城市以美国、日本居多，还有其他的一些国 家，如澳大利亚、以色列、南非等国在城市污水回用于景观水体方面也进行过大 量的研究，有着许多成功的实例，如：1 9 3 2 年美国在加利福尼亚州的旧金山建立 了世界上最早的将出水再生利用为公园湖泊观赏用水的污水处理厂n 朝；日本早在 2 0 世纪6 0 年代开始尝试污水回用，7 0 年代初具规模1 。回用水主要用于补充河 道、浇灌绿地、冲厕、工业循环及消防等。其中用于景观水体的约占总再生量的 1 0 【j 5 】。 我国将城市污水回用景观水体的研究最早始于“七五”国家科技攻关计划u 6 1 。 此后，北京、天津、石家庄、泰安等城市相继将污水处理厂出水进一步处理后补 2 第1 章绪论 给干涸的景观河道、湖泊等，取得了良好的经济效益和环境效益，对我国再生水 回用于景观水体的工程实践起到了积极的示范作用。1 9 9 0 年前，北京没有污水处 理厂，污水只能顺河道排放。而从1 9 9 0 年到2 0 0 8 年n 利，北京城区建成了9 座污 水处理厂，高碑店污水处理厂、酒仙桥污水处理厂、清河污水处理厂、北小河污 水处理厂、方庄污水处理厂等，日处理污水能力达到2 5 2 万m 3 ( 埔1 ，全年处理污 水1 0 亿m 3 。目前北京市已经建成再生水厂5 座，日生产能力1 0 2 万m 3 ，再生水 回用率达到5 4 n 引。如今，城区的通惠河、坝河、清河、凉水河4 条主要水系水 污染状况得到有效控制，城区水环境取得明显改善。而今年，8 座污水处理厂升 级后，将进一步提升首都水环境质量啪1 。北京市是目前全国再生水产量最大的城 市之一。将城市污水处理厂的再生水回用于景观水体后，京城的高碑店湖、南护 城河、昆玉河已经成为市民观赏和休闲之地，大大提高了北京的整体水环境质量， 改善了市民的生活环境，提升了该区的旅游价值。 1 2水体富营养化 1 2 1水体富营养化现象 水体富营养化通常是指湖泊、水库和海湾等封闭性或半封闭性水体，以及某 些河流水体的氮、磷营养元素的富集，水体生产力提高，某些特征藻类( 主要为 蓝藻、绿藻) 异常增殖，使水质恶化的过程乜。与水体富营养化伴随的一个普遍 现象就是许多浮游植物，尤其是那些具有浮力或运动能力的藻类，通常会过度生 长，形成水体水华，从而导致水质的下降及一系列严重的水环境问题。 水体富营养现象根据发生的水域不同而有不同的称谓，发生在湖面称为“水 华”或者“湖靛”，发生在海湾或者河口区域则称作“赤潮”。水体富营养化是水环境 中普遍存在的水质污染现象。 水体富营养化分为自然富营养化和人工富营养化。在自然条件下，缓流水体 也会由贫营养状态过渡到富营养状态，但整个过程十分缓慢。而在人类活动的影 响下，大量氮、磷等营养物质进入缓流水体，在短时间内就可以导致富营养化。 人类活动所产生的大量含氮、磷和无机盐类的污水进入水体，使水体中营养物质 增多，促使自养型生物旺盛生长，加剧了水体富营养化的发生。水体出现严重富 营养化现象时，由于浮游生物大量繁殖，水面往往根据占优势的浮游生物的颜色 而呈蓝色、红色、棕色或乳白色等颜色，从而爆发水华，水华爆发是水生生态系 统对富营养化的响应。 北京工业大学工学硕十学位论文 1 2 2 国内外水体富营养化现状 联合国环境规划署( u n e p ) 1 9 9 4 年曾对全球各个国家主要水体进行抽样调 查，调查结果表明，世界范围内富营养化现象严重，但总的状况难以评价；全球 约3 0 4 0 的湖泊和水库遭受不同程度影响，各区受影响的情况相差悬殊。世 界上大部分的大型湖泊未受影响，水质良好，如贝尔加湖、苏必利湖、马拉维湖、 坦噶尼喀湖、大熊湖等：而在气候干燥地区，水体富营养化情况相对严重，如西 班牙的8 0 0 座水库中，至少有1 1 3 是处于重富营养化状态瞳2 1 ，在南美、南非、墨 西哥及其它一些地方都有水库严重富营养化的报道，加拿大湖泊众多，发生富营 养化的湖泊则主要集中在加拿大南部人1 2 1 稠密地区，大部分湖泊( 约3 4 ) 处于贫营 养状态，大陆架浅海的富营养化问题严重乜3 | 。 中国幅员辽阔，江河、湖泊和水库众多，这些不同类型的水体支持着各种生 活和生产用水功能。目前，水域富营养化已成为我国一个较为突出的环境问题。 许多大型湖泊，如巢湖、太湖、草海、杭州西湖、武汉东湖、洪泽湖、外海北、 外海南、呼伦湖、外海中、茨碧湖、云南天池、云西湖、洱海、海西湖、青海湖、 抚仙湖、滇池等1 8 个大型湖泊中，1 7 处于极富营养化等级，6 l 处于富营养 化等级，1 7 处于中度富营养化，只有抚仙湖为贫营养等级口钔。有一些河流在部 分河段也出现了富营养化现象，如黄浦江流域、珠江广州河段等。而且，我国湖 泊、水库和江河富营养化的发展趋势非常迅速。因此为了解决这一严重阻碍社会 经济发展的水污染问题，我国的众多专家学者多年来一直从事于富营养化形成机 理及其防治对策的研究，进行了大量的试验、实践与探索，得出了许多宝贵的结 论与建议。2 0 0 2 年汹】，监测的8 个大型淡水湖泊水库有6 个处于富营养状态，滇 池属于重度富营养化；城市型湖泊湖水水质普遍较差，全国统一监测的五个城市 型湖泊中，西湖、昆明湖水质为类，玄武湖水质为v 类，东湖和大明湖水质劣 v 类；作为大城市主要饮用水源的l o 个大型水库中有2 个水质为劣v 类汹1 ；己 经建成的三峡水库也面临着富营养化的威胁。可见富营养化已成为我国水环境保 护中最为重要的环境问题。 1 2 3 水体富营养化特点和危害 1 2 3 1水体富营养化特点 水体富营养化现象发生时，总是表现出一定的特点。现将水体富营养化的典 型特点介绍如下嘲： ( 1 ) 藻种减少，水体中的某些种大量繁殖，浮游生物个体数目巨增。 ( 2 ) 由于浮游生物、细菌的大量增加导致水体中的悬浮物大盈增加，水体透明 4 第1 章绪论 度降低。 ( 3 ) 死亡的藻类残体分解释放使水体维持较高的总氮、总磷，水体p h 上升。 ( 4 ) 水体的氧平衡被破坏。在富营养化水体中，白天水体表层水可以因藻类的 光合作用而获得正常水体几倍的氧。然而由于表层藻类的遮盖隔离，阳光很难投 射到下层水体，因此，下层水体中的光合作用很弱，水体中的氧源很不充足，经 对流扩散到水体底层的氧气量极为有限，甚至是厌氧状态。 ( 5 ) 在富营养化比较严重的水体中，会频繁发生水华。 1 2 3 2 水体富营养化危害 当水体富营养化现象发生时，无论是淡水或是海洋水体，都会产生一定的危 害，主要表现为以下6 点汹1 ： ( 1 ) 产生有异味的有机物质；我国五大淡水湖之一的巢湖，几乎每年都发生以 铜绿微囊藻为优势种的水华，犹如水面上流动的绿漆，被风吹到沿岸水域后，有 时会形成数公分厚的水华层，腐败分解后发出恶臭，严重破坏了湖库的水体功能 及周围环境。 ( 2 ) 降低水体的透明度：在富营养水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的 大量藻类。这些藻类浮在水体表层，形成一层“绿色浮渣”，透明度明显降低，甚 至为零，使水体感官性状大大下降。 ( 3 ) 影响水体中的溶解氧含量；首先是表层的密集藻类使阳光难以透射入水体 深层，而且阳光在穿射过程中被藻类吸收而衰减，所以深层水体的光合作用明显 受到限制而减弱，使溶解氧来源减少。其次，水体藻类死亡后不断向湖底沉积， 不断地腐烂分解，也会消耗深层水体大量的溶解氧，造成水体营养物质的高负荷， 形成富营养水体的恶性循环。 ( 4 ) n 水体释放有毒物质；化合态氮对生物和人体具有毒性，水中氨氮含量超 过l m l 时，即会使水生生物血液结合氧能力降低，超过3 m g l 时，可于2 4 - - 9 6 h 内使金鱼等鱼类死亡晒1 。水体富营养化对水质的另一个影响是某些藻类能够 分泌、释放有毒性的物质，有毒物质进入水体后，若被牲畜饮入体内，可引起牲 畜肠胃道炎症，人若饮用也会发生消化道炎症，有害人体健康。 ( 5 ) 影响供水水质并增加制水成本；发生富营养的水体在作为供给水源时，会 给制水厂带来一系列问题。原水中的藻类会堵塞滤池，影响制水厂的出水率，同 时增加脱色、除臭、除味所加的化学试剂的量，也加大了制水的成本费用。 ( 6 ) 对水体生态状况的影响；在正常情况下，水体中各种生物都处于相对平衡 的状态。但是，一旦水体受到污染而呈现富营养状态时，水体的这种正常的生态 平衡就会被扰乱，某些种类的生物明显减少，而另外一些生物种类则显著增加。 这种生物种类演替会破坏水生生物的稳定性和多样性，扰乱生态平衡。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3水体富营养化形成的机理 水体富营养化的发生发展包含着一系列生物、化学和物理变化的过程，并与 水体本身的化学物理性状、湖泊形态和底质等众多因素有关，其演变过程也十分 复杂，研究所涉及的学科众多，所以至今对富营养化形成机理仍然无法作出科学 的解释，研究还停留在初级阶段，有待进一步的深入。 经过近3 0 年来世界各国学者的潜心研究，特别是加拿大的沃伦维德，日本 的合田建及奥地利的列夫勒等人的杰出贡献，目前公认的富营养化形成原因，主 要是适宜的温度，缓慢的水流流态，总磷、总氮等营养盐相对充足，能给水生生 物( 主要是藻类) 大量繁殖提供丰富的物质基础，导致浮游藻类爆发性增殖。因 此，了解富营养化的发生机理和发生条件，实质上需要了解的是藻类生长繁衍的 过程。尽管对于不同的水域，由于区域地理特性、自然气候条件、水生生态系统 和污染特性等诸多差异，会出现不同的富营养化表现症状，也即出现不同的优势 藻类种群，并连带出现各种不同类型的水生生物种类的失衡。但是，富营养化发 生所需的必要条件基本上认为是一样的，最主要影响因素可以归纳为以下四个方 面：( 1 ) 总磷、总氮等营养盐相对比较充足；( 2 ) 较缓慢的水流流态；( 3 ) 适宜的温度 条件；( 4 ) 适当的p h 值：因此，当在适宜的光照，温度，p h 值和具备充分营养物 质的条件下，天然水体中藻类进行光合作用，合成本身的原生质，其总反应式可 写为口町： 1 0 6 c 0 2 + 1 6 n 0 3 - + h p 0 4 2 + 1 2 2 h 2 0 + 1 8 h + + 能量+ 微量元素一c 1 0 6 h 2 6 3 0 i l o n l 6 p + 1 3 8 0 2 从反应式可以看出，在藻类繁殖所需要的各种成分中，成为控制性因素的是 氮和磷，所以藻类繁殖的程度主要决定于水体中这两种成分的含量，并且已经知 道能为藻类吸收的是无机形态的含氮、磷的营养物。自然水体中的磷和氮( 特别 是磷) 在一定程度上是浮游生物数量的控制因素。生活污水、化肥和食品等工业 废水以及农田排水中都含有大量氮、磷及其他无机盐类。纳入这些废水后，水体 中营养物质增多，促使自养型生物藻类旺盛生长。藻类主要分布于水体上层， 随着水体富营养化的发展，藻类的个体数量迅速增加，而种类逐渐减少。藻类繁 殖迅速，生长周期短，有限的营养物质在短期内一再被重复利用，一遇适宜环境 就暴发性地繁殖，以致出现“水华 现象。死亡的水生生物在微生物作用下分解， 消耗氧或在厌氧条件下分解，产生硫化氢臭气，使水质不断恶化。同时湖泊逐渐 变浅，直至成为沼泽。 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。在水生生物死亡后的腐烂过程中，营养素又释放入水中，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的来 6 第l 章绪论 源也很难自净和恢复。 丹麦著名生态学家j o r g e n s e n 曾指出浮游藻类的生长是富营养化的关键过程。 因此着重研究氮、磷负荷与浮游藻类生产力的相互作用和关系，是揭示水体富营 养化形成机理的主要途径。s t u m n 提出了藻类的“经验分子式”为c 1 0 6 h 2 6 3 0 l l o n l 6 p 。 同时，利贝格最小值定律( l e i b i gl a wo f t h em i n i m u m ) 指出：植物生长取决于外界 提供给它的所需养料中数量最少的一种。由此可知，在藻类分子量中所占的重量 百分比最小的两种元素是氮和磷，特别是磷是控制湖泊藻类生长的主要因素。环 境因素造成磷浓度的变化会通过藻类生物量表现出来：当环境中供给的磷总量受 到限制时，则水体中的磷浓度降低影响藻类的生物量：相反，当环境中连续不断 地增加磷的供给时，藻类便大量迅速地繁殖。大量的实验结果也证实了这一结论。 磷的吸收和藻类生长率之间的关系，通常根据m i c h a l i s m e n t e n 营养物质吸 收公式加以描述瞄： d c d t = k c ( 1 1 ) 式中：c 为藻类浓度；k 为特定藻类生长速率： k = p ( p + p k ) 式中：p 为磷浓度；p k 为磷半饱和常数。 ( 1 1 ) ( 1 - 2 ) 由式( 1 1 ) 和式( 1 - - 2 ) 可以得到，当水中磷浓度增加时，k 值升高，藻类的生 长速率增大，促使水体迅速向富营养化方向发展。 同时，由于水体中有一些藻类具有固氮能力，能够把大气中的氮转化为能被 水生植物吸收和利用的硝酸盐类，因而使得藻类能够获得充足的氮营养物质【3 8 1 。 此外，由于工业的发展导致了化肥与农药的增长，巨大数量的化肥都是由合成氨 工业利用大气中的氮制造出来的，而它们中的很大一部分最终被排入水体中。从 某种程度上说，水体富营养化形成的一个主要原因，就是由于自然界中氮循环的 固氮过程被不断强化而造成水体中氮负荷的增加。与磷元素相比，氮作为湖泊富 营养化的限制因素处于次要地位。 1 3 1 水体富营养化的发生与氮营养盐的内在联系 氮是合成藻体内蛋白质、核酸、叶绿素的基本元素幻。氮在海洋中的形态较 多，除溶解的无机态n 0 3 一、n 0 2 一、n h 4 + 和有机态p o n 、d o n 外，还存在着气 态的n 2 、n 2 0 和n h 3 删。海水中的氮气几乎处于饱和状态，但它不能被绝大多 数的植物所利用。海水中的无机氮主要包括硝氮( n 0 3 - ) 、亚硝氮( n 0 2 一n ) 及氨 氮叫h 4 一) ，其中n 0 3 一是无机氮的主要形式，而n 0 2 - 的含量通常是最低的，是n 氧化为n 0 3 - 的中间产物，稳定性较差，无机氮是海洋浮游植物繁殖、生长必不 可缺少的营养要素。藻类大量繁殖时，海水中的无机氮下降，其中n 0 3 - 可被消 7 北京工业大学工学硕士学位论文 耗殆尽，浮游植物又是浮游动物的饵料，其排泄或残骸分解释放的有机氮经细菌 作用转化成无机氮而使海水中无机氮得以再生，无机氮在不同环境下经细菌或酶 进行硝化或反硝化作用而互相转化。海洋中的垂直对流作用，可以使海洋底部再 生的无机氮补充到上层。此外陆地径流也会带来大量无机氮，其中尤其以n 0 3 一 为显著，这些作用随海区环境条件、季节不同而异。如果无机氮含量过高，就会 和水中其它营养盐类的共同作用而引起水体的富营养化，易造成藻类及其它水生 植物的大量繁殖，因此会过多的消耗水体中的溶解氧，从而破坏海洋生态环境， 引起赤潮和有机污染的发生。海水中的有机氮包括溶解态和颗粒态，溶解态有机 氮( d o n ) 是由许多氨基酸、多肽、蛋白质中非取代氨基的氮所构成，颗粒有机氮 ( p o n ) 包括微生物的肌体组织和碎屑物质引。有机氮在海水中的浓度通常都超过 无机氮，是海洋中重要的氮储存库，在无机氮缺乏时浮游植物可以利用部分溶解 有机氮如氨基酸、尿素等，或者在细菌或酶的作用下将有机氮转化为无机氮供生 物利用m 1 。 氮是藻类生物量的一个重要元素，一般而言，约占藻类干重的1 0 ，藻类可 利用的氮源包括无机氮和有机氮m 3 ，而藻类利用不同形态的n 的顺序为，n h 4 + n 0 3 - 简单有机氮( 如尿素、简单的氨酸等) 聆引。藻类消化吸收无机氮，转化生 物量的能力可以有效的进行氮化合物的解毒。许多藻类除了自养方式之外，还可 以利用有机物进行兼性营养，直接吸收多种有机氮如尿素、氨基酸等，有些藻类 能固定大气中的氮并加以利用。从对氮的需求观点来看，城市污水富含满足藻类 生长的氮源，氨态氮是城市污水含量最高的无机氮源；其次是尿素，它可以直接 或被细菌转化为氨氮后被藻类利用。 1 3 2 水体富营养化的发生与磷营养盐的内在联系 藻细胞合成的磷仅占藻细胞干重的l ，但磷是细胞核酸的主要成分，在能 量的转化过程中起着重要作用。研究表明磷用于能量传递和核酸合成细胞的过 程，主要以无机离子h 2 p 0 4 一、h p 0 4 2 - 的形式被吸收。磷的消耗依赖于培养基中 的磷浓度，细胞内的磷浓度，p h 值，n a + 、k + 、m 9 2 + 等离子的浓度和温度瑚1 。细 胞内的磷被用作合成有机或无机化合物。藻类通过底物水平磷酸化、氧化磷酸化 和光合磷酸化三种不同的过程将其转化成高能有机化合物。一般反应式为：a d p + p i _ a t p 。前两个过程，能量来自呼吸底物的氧化，或来自线粒体的电子转运 系统。在第三个系统中，光能被转化结合进a t p 啪1 。 磷是核酸与细胞膜的主要成分，同时又是高能化合物如a t p 、a d p 的基本元 素。海洋中的磷主要可分为颗粒态的磷和溶解态的磷，又可分为无机态磷和有机 态磷、海水中可溶性无机磷酸盐以h p 0 4 3 - 、h 2 p 0 4 3 _ 、p 0 4 3 - 等形式存在。在海 第1 章绪论 水的p h 条件下( 约8 2 ) ，2 0 时磷主要以3 种游离形式存在于一个平衡体系中， h p 0 4 2 一占9 5 ，p 0 4 3 一占1 ，h 2 p 0 4 2 一占2 5 n 刚。水体中可溶解的磷有限，因 为这很容易与c d 2 + 、f e 3 + 、a 13 十等生成难溶性沉淀物沉积于底质中。海水中磷和 氮一起参与光合作用，合成有机物，生物体死亡分解、生物活体排泄、以及沉积 物与海水的物质交换，构成磷在海洋中的循环。浮游生物不仅能吸收利用无机磷 酸盐，也能吸收利用有机态的磷酸盐，如甘油磷酸盐、胞苷酸和腺苷酸等。s o n z o g n i 等发现当水体中的溶解无机磷含量降低到一定水平时，部分颗粒磷可通过解吸、 溶解或生物过程的作用转化为生物可利用的无机磷而被生物利用，并把这部分颗 粒磷称为潜在的生物可利用磷。此外，一个潜在的可以提供浮游植物生长的磷来 源是溶解有机磷，它们通过生物体表面或溶解于水中的磷酸酶的作用，变成溶解 无机正磷酸盐而被藻类所利用。 磷是人类和动植物生命活动所必需的元素，它在生命细胞的所有重要功能中 起着关键的作用。环境中的磷显出其两面性，一方面磷是自然界不可再生的自然 资源，在农业生中广泛缺乏；另一方面，在某些环境体系中又可能过饱和。磷具 有强烈的生态效应，使之成为湖沼学、海洋学、生物地球化学及生态学的关注焦 点。特别是磷对湖泊的富营养化具有特殊的作用。这是由于植物细胞里的磷直接 参加光合作用和呼吸作用、酶系统的活性化、能量化，以及氮、碳水化合物和脂 类化合物的交换等过程。 大量的研究证实，磷是限制海洋、湖泊等水生生态系统初级生产力水平的关 键因素，过量磷的输入是引起水体富营养化问题的主要原因。瓦伦韦德在总结世 界环境署的研究成果后指出：8 0 的水库湖泊的富营养化是受磷元素制约的，大 约1 0 的富营养化与氮和磷元素有关，余下的1 0 与氮和其它因素有关。因此氮 磷元素是研究富营养化的关建所在。而在一般情况下，水体中大多数的藻类具有 从大气中同化氮气的能力，因此，磷的含量通常作为富营养化的标志。在美国大 湖地区对湖水进行的生物分析中发现羊角月牙藻对外加的磷敏感，而对氮不敏 感：在安大略湖西北部的试验湖泊研究领域的工作中，整个磷丰富的湖泊用气态 氮和碳供给藻类生长，其结果发现在没有氮的加入下，磷的加入促发了蓝藻的暴 发，使生态系统的初级生产力显著提高。有的学者指出，水体中输入大量的磷酸 盐将会使水体从清澈变为浑浊，并使蓝藻大量繁殖。藻类从磷源得到磷后，在体 内合成磷化合物，对代谢作用发生重要的功用，特别是能量转变效应。含有叶绿 素的藻类，磷化合物参加光合作用，因此对磷的需要更大。 从2 0 世纪6 0 年代，许多杰出的学者都逐渐意识到水体中磷酸盐含量的增加 在湖泊富营养化中重要的作用，在缺磷的状态下添加碳、氮营养元素，水体的初 级生产力没有明显的变化，当发生磷富集时，水体中的藻类能够利用大气中的碳 9 北京工业大学工学硕士学位论文 和氮而使初级生产力显著地增加。英国国家环境署规定，静止的水体总磷浓度达 8 6 u g l 时，水体即处于富营养化。这说明只要水体中有很低浓度的磷都可能对藻 和大型植物产生重大影响。因此p 对水体初高级生产力的限制作用比n 更广泛， 所以p 是水体中藻类种群和密度的第一限制性营养元素，同时p 又在生物代谢中 起及其重要的作用。因此研究p 对藻类的生长影响对揭示蓝藻水华爆发机理有重 要意义。 1 3 3 水体富营养化的发生与氮磷比的内在联系 在研究氮、磷营养物质与水体富营养化过程中，水体氮、磷浓度的比值与藻 类增殖有着密切的关系。s t u m n 提出了藻类的“经验分子式 为：c 1 0 6 h 2 6 3 0 i i o n l 6 p 。 这就是说：临界的氮磷比按元素计应为1 6 ：1 ，按重量计应为7 2 ：1 。从理论上 讲，如果氮磷比小于该比值，氮将限制藻类的增长：如果氮磷比大于该比值，则 可认为磷是藻类增长的限制因素。在实际应用中，藻类增长所需的氮磷均为可溶 性的n 0 3 一、n h 4 + 或p 0 4 3 一，按照“经验分子式”计算出来的比值并不实际。一般认 为，当氮磷重量比大于1 0 时，磷可以考虑为藻类增长的限制因素，就全球范围 来说在气候潮湿的地区藻类增长趋于磷限制。某些研究认为，可溶性氮和可溶性 磷的重量比值为2 9 ：1 可视为蓝藻主导藻类群落的临界值；低于此值时，蓝藻可能 迅速增长。 日本湖沼学者坂本曾经指出，当湖水的总氮和总磷浓度的比值在1 0 - 1 2 5 - 1 的范围时，藻类生长与氮、磷浓度存在着直线相关关系。另一位日本湖沼学者 合田健进而提出，湖水总氮与总磷的浓度比为1 2 - 1 - 1 3 ：1 时，最适宜于藻类 增殖。若总氮对总磷浓度之比小于此值时则藻类增殖可能受到影响。丹麦水质研 究专家捷尔吉森强调，当总氮与总磷的浓度比值低于4 以下时，氮很可能成为湖 泊水质富营养化决定性的限制因素h 们。 近年来，随着国内外富营养化研究技术的发展，n p 值与富营养发生的关系 开始逐渐引起国内学者的关注，认为它对藻类植物的生长繁殖有重要影响。根据 藻体内的氮、磷的原子个数比1 6 ：1 ( 折合成质量比约为7 ：1 ) m 1 ，推论水中氮、 磷浓度比为7 ：1 时最有利于藻类的吸收利用，即理论上这是水体中藻类生长的 最佳氮磷比值，对水华藻类而言可能具有独特的生物学效应，最容易引起水华。 但是如果将水华发生时的实地调查或试验研究所得的最适宜比值和理论值7 ：1 相比较，会发现仍有很大出入。如表1 一l 中太湖的情况表明太湖水华发生时氮 磷比几乎一直在2 5 ：l 以上。 1 0 第1 章绪论 表1 1 太湖历年总氮、总磷平均浓度及比值 t a b l e1 1 t h ea v e r a g ec o n s i s t e n c ea n dt h er a t i oo f t o t a ln i t r o g e n 项目1 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 81 9 9 92 0 0 0 氮( m g l ) 2 6 22 0 53 1 42 3 42 5 72 5 4 磷( m g l ) 0 0 90 0 8 60 1 1 l0 0 8 50 1 0 50 1 0 氮磷比2 9 1 12 3 8 32 8 2 82 7 5 32 4 4 82 5 4 0 有人通过优势种群及生物量方面的比较，还发现比值越大越有利于水华优势 种类蓝藻的生长繁殖的趋势【5 们。总之，水体富营养化的实质是由于营养物质输入 输出的失衡，而造成水体生态系统中物种分布的平衡被打破，导致单一物种( 如 藻类) 的疯长，从而进一步破坏了系统的能量流动和物质流动，致使整个生态系 统逐步走向消亡。 营养盐浓度的增加，尤其是n 和p 的增加与水体富营养化的发生有一定关系。 同时，n p 比率也