（环境工程专业论文）富营养化水体中藻类突发性增长生长特性的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 水体的富营养化带来了很大的危害，是当今世界面对的主要水污染问题 之一。水体富营养化的关键过程也就是藻类大量繁殖的过程。富营养化水体 中的藻类突发性增长受到很多因素的影响，如水体中的营养盐( 氮、磷) 含 量、水流速度、水体温度，p h ，溶解氧，光照强度等。这些因素并非独立的， 而是相互作用。本试验根据实验室条件选取了文献中普遍提及的四个影响因 子( 温度、总磷、氨氮和p h ) ，每个影响因子选三个水平值，设计成正交试 验。试验结果表明： 水藻的最大现存量出现在试验的第9 1 0 天，藻类增长率的最大值出现 在试验的第7 9 天。本试验选取的四个因子对于水藻最大现存量的影响顺序 依次为：温度 总磷( t p ) 氨氮( n h 3 - n ) p h 值。试验所选取的温度、总 磷( t p ) 和氨氮( n h 。一n ) 三个影响因素的三个水平值对于藻细胞浓度的影响 趋势相同，在试验选取的水平值范围内，藻细胞密度随着各影响因子水平值 的升高呈现出先升后降的趋势，说明在试验选取的水平之中存在最适宜藻类 生长的温度、总磷( t p ) 和氨氮( n h 。一n ) ，即温度为2 8 、总磷为0 1 5 m g l 、 氨氮为2 m g l 。本试验所选取的三个p h 水平值对藻细胞的影响不大。试验所 选取的四个因子对于藻细胞最大日增长量的影响顺序依次为：温度 总磷 ( t p ) 氨氮( n h 3 - n ) p h 值。温度对于藻细胞密度的最大日增长量的影 响：在本试验所选取的三个温度( 2 2 、2 8 、3 5 ) 中，藻细胞密度的最 大日增长量随着温度的升高呈现一种先升后降得趋势，最适宜藻类生长的温 度为2 8 。总磷( t p ) 和氨氮( n h 3 - n ) 对于藻细胞密度的最大日增长量变 化的影响：在试验选取的水平值范围内，随着水平值的升高藻细胞密度的最 大日增长量也一样升高，即在试验所选取的水平值中最适宜藻类生长的水平 值：总磷为0 2 5 m g l 、氨氮为6 m g l 。p h 值对于藻细胞密度的最大日增长量 的影响效果不明显。 关键词富营养化；藻类；正交试验；影响因子 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ee u t r o p h i c a t i o no fw a t e rb o d yi so n eo fm a i nw a t e rp o l l u t i o n q u e s t i o n st h ew o r l df a c i n gn o w ，w h i c hh a s l e dt og r e a th a r mt ot h e w o r l d t h ek e yp r o c e s so fe u t r o p h i c a t i o ni sa l s ot h ep r o c e s so fa l g a l b l o o m s i nt h ee u t r o p h i c a t i o nw a t e rb o d y sa l g a eb u r s tg r o w t hi s i n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r s ，s u c ha sn u t r i e n t s ( n i t r o g e n ，p h o s p h o r u s ) c o n t e n t ，v e l o c i t yo fw a t e rf l o w ，w a t e rb o d yt e m p e r a t u r e ，p h ， d i s s o l v e do x y g e n 、s t r e n g t ho fi l l u m i n a t i o na n ds oo n t h e s ef a c t o r s a r eb yn om e a n s i n d e p e n d e n t 。b u ti s i n t e r a c t i o n a l t h i se x p e r i m e n t h a ss e l e c t e df o u ri n f l u e n c ef a c t o r sa c c o r d i n gt ot h e l a b o r a t o r y c o n d i t i o nt h a ta r eg e n e r a l l ym e n t i o n e di nt h e1 i t e r a t u r e ( t e m p e r a t u r e ， t p ，：n h s - na n dp h ) ，e a c hi n f l u e n c ef a c t o rc h o o s e st h r e eh o r iz o n t a l v a l u e s ，a n dd e s i g n st h eo r t h o g o n a le n p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n ts h o w s t h a tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： t h em a x i m u ma l g a es t o c km e a s u r e so u t9 t h 、，l o t hd a yo f t h e e x p e r i m e n t t h eb i g g e s ta l g a ec e llg r o w t hr a t ea p p e a r si nt h e e x p e r i m e n t7 9 t ho ft h en i n eg r o u p se x p e r i m e n t s i nt h i ss t u d y ，f o u r f a c t o r ss e l e c t e df o rt h eb i g g e s ta l g a ec e l ls t o c ki n f u l e n c eo ft h e o r d e ra sf o ll o w s ：t e m p e r a t u r e t o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) a m m o n i a ( n h 3 - n ) p h t h et h r e el e v e lv a l u ei n f l u e n c i n gf a c t o r sw h a tb es e l e c t e da s t e m p e r a t u r e ，g e n e r a lp h o s p h o r u s ( t p ) a n da m m o n i an it r o g e nis i d e n t i c a lt oa l g a ec e l lc o n s i s t e n c ee f f e c tt r e n d e n c y t h ea l g a ec e l l c o n s i s t e n c ed i s p l a y st h et r e n d e n c yt h a td e s c e n d sa f t e rr i s i n gf i r s t w i t ht h ef a c tt h a te v e r ye f f e c t i n gf a c t o r sl e v e lv a l u ep o w e r u pw i t h i n t h er a n g et e s t i n g t h er e s u l ts h o w st h a ti nt h ee x p e r i m e n t a le x i s t s t h e o p t i m u mt e m p e r a t u r e ，t o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) a n dt h ea m m o n ia n it r o g e n ( n h 3 - n ) ，ist h a tt h e t e m p e r a t u r eis2 8 ，t h eg e n e r a l p h o s p h o r u si s0 1 5m g l ，t h ea m m o n i an i t r o g e ni s2m g l i nt h i ss t u d y ， t h es e l e c t e dt h r e e ep hl e v e l o f t h ev a l u et ot h ea l g a ec e l li sn o t b i g t h ef o u rf a c t o r ss e l e c t e df o r t h ee x p e r i m e n te f f e c tt om a x i m u m a l g a ec e l ld a t eg r o w t hi s i np r o p e ro r d e r ，g e n e r a lt e m p e r a t u r e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 - - l l - i _ - - - - i l _ i - _ _ _ - l _ - l l _ l _ - _ _ l i _ - _ l - _ _ l - _ - - _ _ - - _ _ _ _ _ l _ - i i _ - l l _ - l _ - i _ - i i i i _ i _ l _ - _ 一 p h o s p h o r u s ( t p ) a m m o n i an i t r o g e n ( n h 3 - n ) p h t e m p e r a t u r er e g a r d i n g t om a x i m u ma l g a ec e l ld e n s i t yd a t eg r o w t hi n f l u e n c ei st h a t ：a st h e t h r e es e l e c t e dt e m p e r a t u r e s ( 2 2 ，2 8 ，3 5 ) ，t h em a x i m u ma l g a ec e l l d e n s i t yd a t eg r o w t ht a k e so nt h et e n d e n c yt h a tp r e s e n t so n ek i n dr i s e s f i r s tf a l i sa st h ea s c e n do ft e m p e r a t u r e ，a n dt h eo p t i m u mt e m p e r a t u r e f o ra l g a eg r o wi s2 8 t pa n dn h z - nr e g a r d i n gt om a x i m u ma l g a ec e l l d e n s i t yd a t eg r o w t hi n f l h e n c ei st h a t ：i nt h el e v e l o ft h es e l e c t e d r a n g eo fv a l u e s ，t h em a x i m u ma l g a lc e l ld e n s i t yi so nt h es a m eg r o w t h r a t ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h el e v e lo ft h ev a l u e ，a n dt h eo p ti m u ml e v e l f o ra l g a eg r o wi st h eg e n e r a lp h o s p h o r u si s0 2 5m g l ，t h ea m m o n i a n it r o g e nis6 m g l t h ee f f e c to fp ht ot h eg r o w t ho fm a x i m u mo fa l g a e c e l ld e n s i t yd a t eg r o w t hi sn o to b v i o u s k e yw o r d se u t r o p h i c a t i o n ；a l g a e ：o r t h o g o n a lt e s t ：i n f l u e n c i n gf a c t o r 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：亏筒璃 指导老师签名： 日期：2 0 d l 5 - 日期：加d 7 1 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 随着我国水体富营养化程度的加重，富营养化水体的研究也越来越普 遍。藻类的生长是富营养化的关键过程，对于水质状况与藻类生长特性的联 系取得了一些研究成果，但多因子对藻类生长特性影响的研究还较少。本论 文在文献中普遍提及的影响因素中选取磷( t p ) 、温度、氨氮( n h 3 - n ) 四个 影响因子，每个影响因子选取三个水平值依据正交试验方案进行藻类培养试 验，利用试验所得的数据分析藻类突发性增长时的生长特性，分析试验选取 的四个影响因子对于藻类生长的影响程度大小。 亏哟加口7 s 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 研究背景 第一章绪论 我国是一个多湖泊的国家，湖泊分布广泛，约有两万多个湖泊，湖泊面 积达9 1 0 1 9 6 3 k m 2 “，其中l k m 2 以上的湖泊2 7 5 9 个，湖泊面积为7 0 9 8 8 k m 2 ， 约占全国陆地面积的0 8 ，总蓄水量7 0 7 7 多亿m 3 d ，。湖泊具有用水供水、水 利防护、调节气候等功能，对我国社会和经济的发展起着重要的作用。但是 由于工农业的迅速发展，工业污水，生活污水，农业灌溉等污水中污染物的 含量持续增加，加上对于湖泊资源的开发，我国的许多湖泊已处于富营养化 状态，如杭州西湖、云南滇池、江苏太湖等。湖泊的富营养化已经造成了很 多有害的影响如：水质恶化、散发腥臭异味、降低水体的透明度、向水体释 放有毒物质、影响供水水质并增加制水成本、影响水产养殖、湖泊水功能显 著下降等。不仅仅是湖泊易富营养化，水库、海湾等封闭或半封闭性水体都 易富营养化。 水体的富营养化带来了很大的危害，是当今世界面对的主要水污染问题 之一。水体富营养化已经引起了人们的广泛重视，围绕富营养化水体展开了大 量的研究。水体富营养化的关键过程也就是藻类大量生长的过程n “。富营养 化水体中的藻类突发性增长受到很多因素的影响，如水体中的氮磷浓度、水 流速度、水体温度、p h 、溶解氧、光照强度等。这些因素并非独立的，而是 相互作用。因此，研究富营养化水体中藻类突发性增长生长特性与水质状况 的联系，以及藻类增长的基本规律对于我们更深一部的认识富营养化水体具 有重大的意义。 1 2 水体富营养化 1 2 1 水体富营养化的概念 水体富营养化是指大量溶解性营养盐类( 主要是n h 3 一n 、n 0 3 一一n 、n 0 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 一- n 、p 0 4 3 - - p ) 进入到流速缓慢、更新周期长的水体，在光照、温度和其 它环境条件适宜的情况下，水中藻类等浮游生物大量地生长繁殖，而后引起 异养微生物旺盛代谢活动，耗尽了水体中的溶解氧，水质变差，导致其他水 生生物死亡，破坏水体生态平衡的现象。水体富营养化是自养型生物( 浮游藻 类) 在水体中建立优势的过程，包含着一系列物理、化学和生物变化，与水体 的物理性状、化学特性、水温条件、湖泊形态和底质等众多的影响因素有关。 一般认为，缓流水体中的自养型生物，主要是藻类，通过光合作用，以 太阳能和无机物合成本身的原生质，这就是富营养化过程f 3 j ： 1 0 6 c 0 2 + 1 6 n 0 3 一+ h p 0 4 2 一+ 1 2 2 h 2 0 + 18 一+ 能量+ 微量元素 - - c 1 0 6 h 2 6 3 0 l l o n l 6 p i ( 藻类原生质) + 1 3 8 0 2式1 1 水体富营养化是水体的一种衰老的现象，主要是由自然因素和人为因素 造成 4 1 。天然的湖泊都有一个从贫营养向富营养的发展过程，从贫营养过渡 到富营养，进而发展到沼泽，直至消失，这是湖泊的自然发展规律，也是一 个漫长的历史进程，但是人类活动会大大加速这个进程。未经处理的各种废 水、污水等直接排入，或由雨水淋刷、渗透等进入到水体内使营养盐超标， 尤其是湖泊、水库、海湾等封闭或半封闭性养殖水域的投加饵料成为水体富 营养化的主要原因，。理论上，水体富营养化是指水中营养物富集的过程， 包括贫营养型、中营养型、富营养型和超富营养型【6 l 。习惯上把处于富营养 以上的状态称为水体富营养化。 1 2 2 水体富营养化的成因 在地表水系统中，磷酸盐通常是植物生长的限制因素，而在海水系统中 往往是氨氮和硝酸盐限制植物的生长以及总的生产量。导致富营养化的物质 往往是这些水体中含量有限的营养物质，例如，在正常的淡水系统中磷含量 通常是有限的，因此增加磷酸盐会导致植物的过度生长，而在海水系统中磷 是不缺的，而氮含量却是有限的，因而含氮污染物加入就会消除这一限制因 素，从而出现植物的过度生长。含有大量营养元素( 氮、磷) 及其他无机盐 类的生活污水、工业废水及农田排水进入天然水体后，促使自养型生物旺盛 生长，蓝藻和红藻的数量迅速增加，而其他藻类的种类逐渐减少。蓝藻的大 量出现是富营养化的征兆，随着富营养化程度的逐渐加重，最后变成以蓝藻 为主。藻类繁殖迅速，生长周期短。藻类及其它浮游生物死亡后被需氧微生 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 物分解，不断消耗水中的溶解氧，或者被厌氧微生物分解，不断产生硫化氢 等气体，从两个方面不断使水质恶化，造成鱼类和其它水生生物的大量死亡。 藻类及其它浮游生物残体在腐烂过程中，又把氮、磷等营养物质释放入水中， 供新的一代藻类等生物利用。 关于水体富营养化的成因有不同的见解。影响藻类生长的物理因素、化 学因素和生物因素( 如阳光、营养盐类、温度、p h 值、生物自身的特性等) 是极其复杂的。一般认为导致藻类大规模的突发性增长的原因分为两大类： 非生物学方面的原因和生物学方面的原因。 1 非生物学方面的原因 影响或控制水体富营养化的外在的物理化学因素很多，并且各影响因子 之间的关系非常复杂。但就目前的研究现状可以看出有些影响因子对于水体 的富营养化起着及其重要的作用，见表1 1 ： 表1 1 水体富营养化的影响因子及作用效果 影响因子作用效果 化学因子 营养元素( 氮、磷) p h 盐度 微量元素 物理因子 温度 光的屏蔽 水的滞留时间 水体大面积的垂直混合 水体小范围的混合 藻类生长的主要限制元素 低p h ( 0 ) 有利于真核藻类生长 高p h ( 8 0 ) 有利于蓝藻的生长 千分之几盐度的提高( n a c l ) 能够阻止 某些水华种类的发展和持续时间 比如铁是藻类增长( 主要是光合作用和固 氮过程中) 比不可少的营养元素 大于2 0 有利于藻类的生长 改变浮游植物的群落组成 如水的流出速度大于水体中藻类的生长 速度，有可能阻碍水华的形成 抑制浮游藻类的聚集 影响丝状和群体蓝藻种类的聚合 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 2 生物学方面的影响 ( 1 ) 固氮机制：富营养化水体中的某些藻类，它们特有的异形胞能够将 大气中的氮固定为可利用的氮源，供给其它营养细胞坤j 。在水体中氮源不足 而磷源充足时，它们比其他生物更具有竞争优势，容易大量生长。 ( 2 ) 浮力调节机制：蓝藻一般具有伪空胞( g a sv e s i c l e ) ，能够调节细胞 升浮，蓝藻细胞能够通过它控制浮力。在高光强条件下，气囊破裂，浮力下 降；低光强条件下，气囊数量增加，浮力增加，有利于藻类进行光合作用。 ( 3 ) 二氧化碳浓缩机制：藻类具有高效吸收利用外源无机碳的功能。在 低浓度的c 0 2 介质中，蓝藻可以通过高效地主动吸收浓缩外源无机碳，在细 胞内积累比介质高几百到几千倍地c 0 2 浓度，由此能够在其所栖息的环境中 最大限度地竞争利用有限的无机碳源，保持持续稳定的生长。藻类二氧化碳 浓缩机制的有效运转，还极大地抑制了细胞的光呼吸现象，有效地降低了不 必要的生物量耗损。 ( 4 ) 奢侈消费机制：许多藻类都具有奢侈消费的特性，能储存多余的氮、 磷等营养物质，一旦周围环境满足不了其营养需求时，体内储存的营养物质 仍能供给个体的增长和种群的繁殖，从而度过不良的环境。 ( 5 ) 藻类毒素：藻类中的蓝藻能够产生营养效率低的毒素，减少了其 被其它生物捕食的可能性；毒素对其它藻类和水生植物产生它感作用，抑制 其它藻类和水生植物的生长，从而使自己在种群竞争中处于有利地位。 1 2 3 富营养化水体的特征 水体富营养化不仅表现为藻类或大型水生植物的过度繁殖，同时还会引 起水体一系列的物理、化学的特征变化。 1 p h 值 水华大多暴发在p h 值为弱碱性或碱性的水体中。在天然水体中，氢离 子的浓度并不取决于水分子的离解，而主要取决于水中c 0 3 2 - 、h c 0 3 、c 0 2 的对比关系。在富营养化水体中，随着富营养化的发展，水的p h 值呈现随 藻类生长而显著增高的趋势。这是由于藻类光合作用消耗水中的c 0 2 ，致使 水中氢离子减少，p h 值升高。 2 透明度( s d ) 水体透明度是描述水体光学的一个重要参数，同时也是评价水体富营养 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 化的一个重要指标，能直观反映水体清澈和混浊程度。水体透明度与光学衰 减系数、漫射衰减系数之间存在密切关系。生物学家经常利用s d 来估算真 光层深度，用于计算湖泊初级生产力。透明度与太阳辐射、水体的理化性质、 悬浮物组成与含量以及气象状况等有密切关系，它受到多种环境因素的影响。 通常情况下，深水的透明度比浅水的透明度大。在同一湖泊中，对于中 小型湖泊来说，一般是湖心透明度大，边缘小。由于大部分湖泊的透明度呈 现随藻类繁殖而明显下降的趋势，所以在富营养化水体中，水体的透明度一 般都与反映藻类生长的叶绿素a ( c h l a ) 指标呈现相反的变化趋势。国际上 通常认为透明度小于0 5 m 是富营养化湖泊的重要特征。 3 颜色 发生严重富营养化的水体由于藻类的大量增殖而带有颜色，如褐色、绿 色、黄绿色、红色、乳白色、蓝色、蓝绿色等，因优势藻种不同而使水体具 有不同的颜色。带色藻类飘浮在水面，有碍水体景观。 4 气味 富营养化的水体往往会散发出臭味，这是因为一些藻类本身会散发出一 定的气味。另外，由于藻类的死亡和腐败分解，水域下层处于缺氧状态，厌 氧微生物繁殖分解产生h 2 s 等气体，所以还常常伴有臭鸡蛋味的恶臭，大 大降低了水体的使用价值。 5 溶解氧( d o ) 溶解氧是湖泊水体与大气交换平衡以及经化学和生物化学反应后，溶解 在水中的氧。洁净水体中的d o 一般接近饱和，如果水体受到有机物质和还 原性物质污染时，d o 会低于饱和值，尤其当藻类在水面形成遮光阻气层时， 大气氧和水中氧的正常平衡受到影响，水生植物的光合作用受阻，从而会使 深层d o 大幅度降低，甚至趋于零值，于是厌氧微生物繁殖，水质恶化，鱼 虾等水生生物因缺氧而死亡。 在藻类大量繁殖季节，水体表层因水生植物光合作用所造成的d o 过饱 和，而深层水因藻类死亡耗氧所致的缺氧状态是富营养化水体的典型征兆。 研究结果还表明，在浅水湖泊中，平均深度小于2 m 的情况下，由于受风的 作用，表底层水交换强烈，故不呈现明显的d o 分层及底层缺氧状态。 6 叶绿素a ( c h la ) 根据对湖泊调查的结果发现，所有处于富营养化状态中的湖泊或水库， 其表征藻类生长的指标c h l a 的年均值都处于较高的水平。例如，中国的滇池 ( 内海) 的c h l a 年均值在1 9 8 9 年就达到了1 3 8 6 4 m g l ，而同年处于贫营 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 养状态的四川邛海的c h l a 年均值只有0 7 0 m g l 。因此，世界经济合作与开 发组织( o e c d ) 就规定了湖泊营养状态的c h l a 划分标准，大于7 8 m g l 为 重富营养型。 大量研究表明，叶绿素a 含量随季节变化较为明显，其年均变化动态大 致可划分为峰形、台型和峰台形。在富营养化程度较低的水体中，其c h l a 年变化幅度很小，仅在夏秋生长季内出现一个小高峰。而对重富营养水体， c h l a 的年变化幅度则较大，在一年中有两个高峰。对于温带地区的富营养湖 泊，c h l a 的变化峰值集中出现在夏、秋生长季节内，在同一数量上波动，秋 末开始下降，冬天甚至到初春的c h l a 值都处于明显的低值水平，其年变动 曲线呈现夏、秋为高台形和冬季为低谷形。对于亚热带地区的富营养化湖泊， 一年四季中c h l a 的峰值交替出现，其年变动曲线呈多峰形。 7 高锰酸盐指数( c o k ) 富营养化水体中浮游植物强烈的光合作用生成了大量的有机体，使水体 的化学耗氧量明显增高。一般情况下湖泊水域的c o d m n 年变化趋势还与藻 类的生长相呼应，在夏季达到峰值。 1 2 4 水体富营养化的危害 水体富营养化是许多湖泊、水库的主要环境问题，被人们形象地称为“生 态癌”，它的存在已经严重妨碍了水体的使用功能，给环境和经济造成了重大 的损失。 湖库环境中，富营养化的危害主要表现在以下几个方面： 1 散发出腥昧异臭 在富营养状态的水体中生长着很多藻类，其中有一些藻类能够散发出腥 昧异臭【，】。藻类散发出的这种腥臭，向湖泊四周的空气扩散，直接影响人们 的正常生活，给人不舒适的感觉，同时，这种腥臭味也使水味难闻，大大降 低了水体质量。 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水藻。这些水 藻浮在湖水表面，形成一层“绿色浮渣一，使水质变得浑浊，透明度明显降低， 富营养严重的水体透明度仅有0 2 米1 6 】，湖水感官性状大大下降。 3 影响水体的溶解氧 富营养湖泊的表层，藻类可以获得充足的阳光，从空气中获得足够的二 氧化碳进行光合作用而放出氧气，因此表层水体有充足的溶解氧。但是，在 富营养湖泊深层，情况就不同，首先是表层的密集藻类使阳光难以透射至湖 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 泊深层，而且阳光在穿射过程中因被藻类吸收而衰减，深层水体的光合作用 受到限制，使溶解氧来源减少。其次，湖泊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，严重时可能使深层水体的 溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态，使得需氧生物难以生存。这种厌氧状态，可 以触发或者加速底泥积累的营养物质的释放，造成水体营养物质的高负荷， 形成富营养水体的恶性循环1 7 1 。 4 向水体释放有毒物质 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，可引起牲畜肠胃道疾病。研究表 明，2 0 0 0 多种蓝绿藻中有4 0 余种可产生毒紊j ，主要产毒藻有微囊藻、鱼 腥藻、颤藻及束丝藻。不同的藻株可能产生相同的毒素，而同一藻株也可产 生多种不同的毒素，产生的毒素包括：多肽肝毒素、生物碱类神经毒素、脂多 糖内毒素、叶碟呤类毒素等，其中又以微囊藻肝毒素最为常见。在适宜的环 境条件下，蓝绿藻在水中容易形成水花，人若饮用也会发生消化道炎症，有 害人体健康，水中蓝绿藻毒素与肝癌的关系尤其受到关注。 5 影响供水水质并增加制水成本 湖泊常常是生活饮用水和工业用水的供给水源。富营养水体在作为供给 水源时，会给制水厂带来一系列问题。首先是在夏日高温藻类增殖旺盛的季 节，过量的藻类会给制水厂在过滤过程中带来障碍，造成自来水厂过滤池的 堵塞和过滤效率降低，需要改善或增加过滤措施。其次，富营养水体由于缺 氧而产生铁、硫化氢、甲烷和氨等有毒有害物质，同时水藻也产生一些有毒 物质，在制水过程中，引起饮用水水质下降，更增加了水处理的技术难度， 加大了制水成本f 9 】。这种富含铁的自来水往往会散发出一种令人不快的气味， 同时还会在水管内形成铁锈，产生所谓“红水，使自来水完全丧失功能。目 前，在西方国家，富营养水体已经被禁止作为饮用水源。 6 对水生生态的影响 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，旦水 体受到污染而呈现富营养状态时，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，物种丰富度显著减少。 这种生物种类演替会导致水生生物的稳定性和多样性降低，破坏其生态平衡。 7 影响水产养殖 由于藻类的大量繁殖，引起水中缺氧，鱼类等水生动物面临窒息死亡的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 威胁。南京玄武湖就曾发生过藻类疯长，鱼类因缺氧而大量死亡的事故。同 时一些资料表明，在富营养化的水体中，水生生物的群落、种类结构发生变 化，一些耐污种的个体数猛增，相反，一些非耐污种数量减少甚至消失，一 些优质鱼类等经济水产种类也会大量减少甚至消失，而低劣种类会有所增加， 使得水产养殖的经济效益大幅度下降z - o l 。 8 影响旅游和航运 水体一旦发生富营养化，因藻类大量繁殖，水体透明度下降，水质浑浊， 水面藻华聚集，臭味弥漫，严重影响湖库的旅游观光，甚至丧失旅游价值。 此外，富营养水体中生长的大量浮游生物，还会堵塞航道，影响航运 t t l 。 1 3 评价水体富营养化的指标 目前，对于富营养化国内还没有形成统一的评价标准，选取的指标一般 是五个，即透明度( s d ) 、总氮( t n ) 、总磷( t p ) 、耗氧量( c o d m 。) 和叶 绿素a ( c h l a ) 。中国环境监测总站推荐的湖泊( 水库) 富营养化评价方法及 分级技术规定见表1 i t 坦l 。 表1 1 湖泊( 水库) 富营养化评价方法及分级技术规定 s d ( m ) t n ( m g l ) t p ( m g l ) c o d m 。( m g l ) c h l a ( m g m 3 ) 评分值营养状态 水体富营养化常用的评价方法有 1 3 1 ： 1 测定水域中光合作用强度与呼吸作用强度之比 光合作用( p ) 是指水中藻类原生质的合成作用。呼吸作用( r ) 是指藻 类原生质的分解作用。下面这个反应正向进行是光合作用的过程，用p 表示； 反向进行是呼吸作用的过程，用r 表示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 0 6 c 0 2 + 1 6 n 0 3 - + h p 0 4 2 - + 1 2 2 h 2 0 + 1 8 w + 能量+ 微量元素 一c 】0 6 h 2 6 3 0 1 l o n l 6 p i ( 藻类原生质) + 1 3 8 0 2 式1 1 从上面这个反应中可以看出，可溶性的c ：n ：p 比为1 0 6 ：1 6 ：1 时，可 溶性的p 和n 几乎同时耗尽，这就决定了这两类物质是生产藻类原生质的限 制性因素。藻类死亡之后，尸体下沉，藻类被细菌矿化分解，产生营养元素 的比例也是c ：n ：p = 1 0 6 ：1 6 ：1 。设在贫营养湖中p ( 光合作用) ：r ( 呼吸作 用) = 1 ，即光合作用与呼吸作用达到平衡。 在富营养化湖泊中，p r 值变化较大，其比值波动在p r 大于l 或者小 于i 之间。当水体中的n 、p 营养物质丰富时，日照充足，水温较高，藻类 生长很快，光合作用强烈，使p r 大于l 。当水体中的n 、p 营养物质逐渐 减少时，日照不足，藻类生长受到限制，使光合作用变弱，这时藻类大量死 亡，又为水中异养微生物提供了丰富的有机营养，水中的分解作用十分旺盛， 使p 瓜小于l 。从富营养化过程来看，p 瓜远大于一往往是转化为p r 小于1 的征兆。 2 测定藻类生产潜在能力( a g p ) 测定方法是在自然水、废水或处理后排出水的水样中接种特定的藻类， 一般接种蓝藻、绿藻和硅藻，然后置于一定照度和温度条件下培养，使藻类 生长达到稳定期。最后用测定藻类细胞数或干重的方法，来决定藻类在某种 水体中的增值量。这个增值量称为藻类生产的潜在能力( a g p ) 。藻类生长受 限制性营养物质( n 、p ) 支配，当这些营养物质大量存在时。藻类旺盛生长； 当这些营养物在水体中含量微小时，藻类生长受到限制。所以，营养物浓度 与藻类生物量成正比关系，水体中的氮和磷的含量就是藻类生长的潜在能力。 3 藻类现存量的调查 水体在富营养化前，通常生活着各种各样的藻类，而且各个种类的个数 基本上是固定的，当水体被污染产生富营养化时，不能适应环境变化的藻类 死亡，使藻类的种类减少。适应富营养化水体的藻类生存下来，并能大量繁 殖，个体数量增加很快。所以调查现存原始种类的情况，也可以反应水体富 营养化。 4 叶绿素a 的测定 叶绿素a 可以代表藻类的显存量。富营养化水体由于藻类数量剧增，叶 绿素a 也相应增加。叶绿素a 量越多，水体富营养化就越严重。 5 水中0 0 。利用速度的测定 藻类利用c 0 2 进行光合作用，在有光照的条件下利用水中的氢来还原 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 c 0 2 合成有机物质，使藻类生物量增加，而水中的c 0 2 逐渐减少。因而，可 通过藻类利用c 0 2 的速度来指示水体富营养化程度。日本学者提出预告水体 富营养化的关系式如下所示，借以测定和预告水体富营养化的发生和富营养 化的程度。 r ：鱼塑! 墨兰垂塑塾塑! 墨兰垂塑壁鲨! 墨 1 5 0 0 式1 - 2 当r 小于l 时，水体不能发生富营养化：当r 等于l 时，水体中营养( 包 括氮、磷含量) 增高，但富营养化不是很严重；当r 大于l 时，则水体氮、 磷等含量高，可发生富营养化。该值越大，富营养化程度越严重。 1 4 我国水体富营养化现状 中国2 0 0 5 年环境状况公报中公布我国重点湖库水质污染情况如下p 4 1 ： 湖泊水库重点监测的2 8 个湖库中，满足i i 类水质的湖( 库) 有2 个， 占7 ；i i i 类水质湖( 库) 有6 个，占2 1 ；i v 类水质湖( 库) 有3 个，占 1 1 ；v 类水质湖( 库) 有5 个，占18 ；劣v 类水质湖( 库) 有1 2 个，占 4 3 。其中，太湖、滇池个巢湖水质均为劣v 类。主要污染指标为总氮和总 磷。 太湖2 0 0 5 年太湖湖体高锰酸盐指数和总磷年均值分别达至u i i i 类、类 水质标准，但由于总氮污染严重，湖体水质仍为劣v 类。湖体营养状态指数 为6 2 ，处于中度富营养状态。与0 4 年相比，湖体水质无明显变化。 在2 1 个国控监测点位中，无i 类水质，v 类和劣v 类水质的点位分 占3 3 和6 7 。主要污染指标位总氮。五里湖、梅梁湖污染明显重于湖心区 和东部沿岸。太湖环湖河流为中度污染，与0 4 年相比，环湖河流总体水质好 转，主要污染指标为氨氮、石油类和五日生化需氧量。8 9 个地表水国控监测 断面中，i i 类水质断面占l ，类占1 6 ，i v 类占2 8 ，v 类占1 7 ，劣 v 类占3 8 。 、 滇池湖体2 0 0 5 年滇池草海处于重度富营养状态，外海处于中度富营养 状态。湖体l o 个国控监测点位监测结果表明，草海水质为劣v 类，外海水质 为v 类，草海污染程度明显重于外海。与0 4 年相比，湖体水质无明显变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 0 0 5 年滇池环湖河流为重度污染，与0 4 年相比，水质略有下降，主要 污染指标为氨氮和五日生化需氧量。8 个地表水国控监测断面中，h 类水质 占1 2 、类水质占2 5 、劣v 类水质占6 3 。 巢湖2 0 0 5 年巢湖处于中度富营养状态( 其中，西半湖处于中度富营养 状态，东半湖处于轻度富营养状态) 。巢湖湖体1 2 个国控监测点位监测结果 表明，湖体水质总体为劣v 类( 其中，东半湖为v 类水质，西半湖为劣v 类) ， 西半湖污染程度明显重于东半湖。与0 4 年相比，巢湖水质无明显变化。 巢湖环湖河流1 2 个地表水国控监测断面中( 包括两个纳污控制断面) ， i i 类水质占8 、类水质占8 、类水质占3 3 、v 类水质占8 、劣v 类水质占4 3 。主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量和溶解氧。 其他大型湖泊监测的其它1 0 个重点大型淡水湖泊中，兴凯湖水质为 类，洱海和博斯腾湖水质为i 类，镜泊湖和鄱阳湖水质为类，洞庭湖和南 四湖水质为v 类，自洋淀、达赉湖和洪泽湖水质为劣v 类。湖泊的主要污染 指标是总氮、总磷和高猛酸盐指数等。与0 4 年相比，鄱阳湖水质有劣v 类变 为类，水质明显好转；南四湖水质有劣v 类变为v 类，水质好转；其它大 型淡水湖水质无明显变化。 8 个湖泊中( 其余两个湖泊数据不全) ，洱海和鄱阳湖属于中营养状态； 南四湖和洪泽湖为轻度富营养；博斯腾湖、镜泊湖、洞庭湖、达赉湖4 个湖 泊为中度富营养状态。 城市内湖监测统计的5 个城市内湖中，昆明湖( 北京) 和玄武湖( 南 京) 为v 类水质，西湖( 杭州) 、东湖( 武汉) 和大明湖( 济南) 为劣v 类水 质，主要污染指标是总氮和总磷；昆明湖和西湖处于轻度富营养状态，玄武 湖、东湖和大明湖处于中度富营养状态。 与0 4 年相比。西湖水质由v 类变为劣v 类，水质下降；昆明湖、玄武湖、 大明湖和东湖水质无明显变化。 大型水库2 0 0 5 年，监测统计的1 0 座大型水库中，石门水库( 陕西) 为 类水质；千岛湖( 浙江) 、丹江口水库( 湖北) 、密云水库( 北京) 和董铺水库( 安徽) 为类水质；于桥水库( 天津) 为i 类水质，松花湖( 吉林) 为v 类水质；门楼水 库( 山东) 、大伙房水库( 辽宁) 和崂山水库( 山东) 为劣v 类水质。其中，千岛湖 为贫营养状态，于桥水库为轻度富营养状态，其他7 座大型水库均为中营养 状态( 石门水库因数据不全未做富营养状态评价) 。 与0 4 年相比，丹江口水库水质由类变为类，水质好转；松花湖水质 由类变为v 类，大伙房水库和崂山水库水质由v 类变为劣v 类，水质下降： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 其它大型水库水质无明显变化。 1 5 富营养化水体的研究现状 1 5 1 国外研究现状 湖泊富营养化一个全球性的环境问题，引起了很多方面的关注。在这方 面进行过大量的研究和治理工作，积累了丰富的技术、经验和方法。根据国 际上的经验，要成功治理一个严重富营养化的大中型浅水湖泊，需要十或数 十年时间，远比其富营养化的时间要长。丹麦著名生态学家j o r g e n s e n l 9 8 3 年指出浮游藻类的生长是富营养化的关键过程【s l 。因此，研究水质状况与藻 类生长的内在联系是揭示水体富营养化形成机理的主要途径。 1 营养元素( 氮、磷) 与藻类增殖 根据o e c d 研究的结果，8 0 的湖泊富营养化是受磷元素的制约，大 约1 0 的湖泊与氮元素有关，余下1 0 的湖泊与其它因素有关i t 6 。根据藻 类的“经验分子式”为c i 0 6 h 2 6 3 0 1 1 0 n 1 6 1 ，可知藻类分子量所占的重量百分比 最小的两种元素是氮和磷。同时利贝格最小值定律指出，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。因此磷是控制湖泊藻类生长的主 要因素。水体中磷浓度的变化会引起藻类生物量的变化：当水体中的磷浓度 降低时，藻类的生物量也随之降低；反之，当水体中的磷浓度升高时藻类的 生物量也随之上升h a v e n s 铮 】观察发现在一些湖泊沿岸的少光区经常发生 有害蓝藻水华，并且这个区的水华与水体的总磷浓度有很强的关系。 根据m i c h a l i s - m e n t e n 营养物质吸收公式来描述藻类生长率和磷的吸收 之间的关系 i s l ： d c d m k c式1 3 其中：c 为藻细胞浓度；k 为特定藻类的生长速率： k = p ( p + p k ) 式1 4 其中p 为磷浓度；p k 为磷半饱和常数。 由式1 3 和式l _ 4 可以看出，水中磷浓度增加时，k 值变大，藻类的生长 速率也跟着变大。 随着工农业的不断发展，大量的使用化肥和农药，水体中的氮元素含量 不断升高。许多藻类除了自养方式以外，还可以直接吸收多种有机氮，如尿 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 素、氨基酸等。此外，水体中的一些藻类具有固氮能力，它们特有的异形胞 能将大气中的氮固定成为可利用的氮源，供给其它营养细胞，以此满足自身 的需要【1 9 l 。与磷元素相比，氮作为藻类生长的限制因素处于次要地位。 由藻类的“经验分子式 c 1 0 6 h 2 6 3 0 1 j o n l 6 p 可知，藻类中含n 、p 的原子 个数比为1 6 ：l ，重量比为7 2 ：l 。从理论上讲，