（市政工程专业论文）无机悬浮物对藻类的影响.pdf

致谢 摘要 无机悬浮物在水体中分布广泛，是重要的水环境因子。针对实践中发现的“高 悬浮物浓度一低藻类密度”规律，悬浮物有可能抑制富营养水体中藻类过量生长 的问题，本文通过开展室内实验和中试试验，研究了无机悬浮物对藻类生长的影 响和影响机制，主要开展了以下工作： ( 1 ) 无机悬浮物对藻类生长的影响研究。在含有无机悬浮物的环境中，铜 绿微囊藻的生长受到一定的影响，悬浮物浓度越大、粒径越小，对藻类生长的影 响越大。实验发现，小于1 0 岬粒径的无机悬浮物对藻类的抑制作用最强。在同 样条件下，悬浮物对铜绿微囊藻的影响大于对四尾栅藻的影响。四尾栅藻在无机 悬浮物浓度较大时的生长受到抑制，在浓度较低的大粒径无机悬浮物中受到影响 较小。 ( 2 ) 无机悬浮物影响藻类生长的机制研究。无机悬浮物的存在会影响藻类 的生境条件：悬浮物影响水下光照度，悬浮物浓度和光学衰减系数k 有关，浓度 越高，对光照度影响较大；悬浮物对磷有较好的吸附效果，在初始磷浓度不高时， 大量、细颗粒的悬浮物可以通过吸附作用降低水的营养程度，悬浮物对硝氮的吸 附效果较弱。无机悬浮物的存在也对藻类产生直接影响：在无机悬浮物环境中， 铜绿微囊藻和四尾栅藻的光合放氧速率显著降低，四尾栅藻的呼吸耗氧速率降 低，但铜绿微囊藻的呼吸耗氧速率受到的影响不显著。另外，无机悬浮物的存在 促进了藻类的絮凝沉降，对铜绿微囊藻的絮凝沉降性能的影响明显高于四尾栅 藻；悬浮物粒径越小，絮凝沉降率越高。 ( 3 ) 中试试验发现，在没有悬浮物的环境中，铜绿微囊藻生长情况优于四 尾栅藻，但在有悬浮物环境中难以大量增长繁殖。铜绿微囊藻在多悬浮物环境中 不容易成为优势种。 关键词：无机悬浮物；藻类生长；浓度；粒径；铜绿微囊藻；四尾栅藻 a b s t r a c t s u s p e n d e dp a i r t i c u l a t em a t t e ri sw i d e l yd i s t r i b u t e di nw a t e rb o d y n i sa ni n l p o l a n t 、a t e re n v i r o m e n t a lf a c t o r a i m i n ga tt h er u l eo f “h i 曲c o n c e n t r a t i o no fs u s p e n d e d p a r t i c u l a t em a t t e r - 1 0 wd e n s i t yo fa l g a e ”a j l dt h ep r o b l e m t h a ts u s p e n d e dp 枷c u l a t e m a n e rc a ni n h i b i te x c e s s i v eg r o 叭ho fa l g a e ，t h i sp 印e rd i s c u s s e dt h ei n n u e n c ea n d i t s m e c h a n i s mo fi n o r g 撕cs u s p e n dp a n i c u l a t em a t t e ro n 伊o 、砒o fa l g a e 缸o u 曲 l a b o r a t o r yr e s e a r c ha n dp i l o tp l a l l t t e s t t h ea u t h o ro ft h i sp a p e rh a dd o n et l l e f o l l o w i n gw o r l ( s ： ( 1 ) e f r e c to fi n o r g a n i cs u s p e n d e dp a r t i c u l a t em a t t e r o ng r o w t ho fa l g a e i th a d s i 鲥f i c 肌te 脏c to n 掣。叭ho fa l g a eu n d e rs u s p e n d e dp m i c u l a t em a t t e re n v i r o m e n t t 1 1 es m a l l e rp a n i c l es i z e a n dt 1 1 eh i 曲e rc o n c e n t r a t i o no fi n o r g a n i cs u s p e n d e d p 矾i c u l a t em a t t e rw a s ，t h eg r e a t e ri n n u e n c ew a s o na l g a eg r o w t h 1 1 1 er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ep a n i c l es i z el e s st h a l llo p mh a dt h es t r o n g e s te 腩c to na l g a eg r o 埘h u n d e r t h es a m ec o n d i t i o n ，i n o r g a n i cs u s p e n d e dp 抓i c u l a t em a t t e rh a dm o r ei n n u e n c eo n m l c r o c v s t t s 口e r h 譬i n o s d 心蕊s c e n e d e s m u sq u c i d r i c c i u d n s c e n e d e s m u sq u n 出t c c l u d a w a sr e s t r a i n e di nh i g hc o n c e n t r a t i o no fi n o 唱a n i cs u s p e n d e dp a r t i c u l a t em a t t e r ，锄d 、v a sp r o m o t e di nl o wc o n c e n t r a t i o n ( 2 ) t h em e c h a l l i s mo fi n o r g a n i cs u s p e n d e dp a r t i c u l a t em 甜e ro ng r o 州ho fa l g a e e x i s t e n c eo fi n o 唱a n i cs u s p e n d e dp a r t i c u l a t e m a n e rc a ni n f l u e n c em eh a b i 协t c o n d i t i o n so fa l g a e ：i n o 唱a 1 1 i cs u s p e n d e dp a n i c u l a t e m a t t e ri n n u e n c e dl i 曲tu l l d e r w a t e r 锄dh a dr e l a t i o n s h i pw i t hb e 锄a n e n u a t i o nc o e m c i e n tk ；i n o 唱a n i cs u s p e n d e d p a n i c u l a t em a t t e rh a db e 骶ra d s o r p t i o ne 肫c t o np h o s p h o r u s ，a n dc a nd e c r e a s e n u t r i e n td e g r e ew h e ni n i t i a lp h o s p h o m sc o n c e n 眦i o n 、榔n o th 砂i n o r g 觚i c s u s p e n d e dp a n i c u l a t e m a n e rh a dw e a ka d s o 叩t i o ne 腩c to nn i t r o g e n i n o 唱a 1 1 i c s u s p e n d e dp a n i c u l a t em a t t e rr e d u c e dp h o t o s y n t h e t i cr a t eo fm i c r o c y s t i sa e m g i n o s a a n ds c e n e d e s m u sq u a d r i c a u d a ，t h es m a l l e rp a r t i c l es i z ew a s ，妣m o r e 锄p l i t u d ew a s r e d u c e d s u s p e n d e dp a r t i c u l a t em a t t e rr e d u c e dr e s p i r a t i o n r a t eo fs c e n e d e s m u s q u a “c a u d a ，b u ti th a dn oo b v i o u se 行e c to nm i c r o c y s t i sa e m g i n o s a f l o c c u l a t i o n s e d i m e n t a t i o no fs u s p e n d e dp a r t i c u l a t em a t t e rh a ds i g n i f i c a n t l yd i 脏r e n to nt h e s e t w o k i n d s o f i i a b s t r a c t a l g a e f l o c c u l a t i n gs e t t l i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s aw a sb e t t e rt h a l l s c e n e d e s m u sq u a d r i c a u d a t h es m a l l e rp a r t i c l es i z ew a s ，t h eh i 曲e rn o c c u l a t i o n s e d i m e n t a t i o nr a t ew a s ( 3 ) t h r o u 卧p i l o tp l a n te x p e d m e n t s ，伊o 、n hc o n d i t i o no fm i c r o c y s t i sa e m g i n o s a w a sb e t t e rt h a ns c e n e d e s m u sq u a d r i c a u d ai nc l 撕t ) ，e n v i r o n m e n t ，w h i l es c e n e d e s m u s q u a “c a u d ab e c 锄ed o m i n a n ts p e c yi ns u s p e n d e dp a n i c u l a t em a t t e re n v i r o m e n t m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s aw a se a s yt ob en o c c u l a t e d ，a n d 、张si ni n f e r i o rp o s i t i o ni n s u s p e n d e dp a n i c u l a t en l a t t e re n v i r o m e n t k e yw o r d s ：i n o 唱a n i cs u s p e n d e dp a r t i c u l a t em a t t e r ；g r o 、矶ho fa l g a e ；c o n c e n t r a t i o n ； p 抓i c l es i z e ；施伽c ：”胁口p 厂增砌d s 口；p 行p 比s 聊甜sg 枷咖f c 口甜如 i i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 年0 只| b 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 溯年么月日 第一章绪论 第一章绪论 伴随着我国经济社会的发展，水体被迫受纳的污染物大量增加，湖泊、 水库富营养化加剧，藻类大量增殖甚至形成水华。富营养化和水华的发生， 导致水环境进一步恶化，束缚了经济社会的发展，也降低了人民的生活质量。 造成水华危害的直接原因是藻类的过量生长和增殖。人们经过长期的研究和 探索，发现藻类过量生长增殖和水体中比较高的氮、磷营养水平有关。但是 同时也发现：在一些湖泊如洪泽湖、骆马湖等一些悬浮物含量较高的水体中， 氮磷浓度已经达到较高的水平，藻类数量却依然较低，这一现象在河口中也 出现，这表明悬浮物作为一个重要的水环境因子对藻类生长有影响。在当前 水体营养水平不断升高、水华频繁暴发的背景下，研究悬浮物对藻类生长的 影响有重要意义，各国科研工作者围绕悬浮物对藻类生长的影响开展了大量 的研究工作。本章介绍水体中悬浮物和藻类的基本情况，着重阐述了悬浮物 对藻类生长影响研究现状，最后给出了本文的研究内容和技术路线。 1 1 水体中的悬浮物和藻类 1 1 1 水体中的悬浮物的特性 水体中的悬浮物是粒径超过0 4 5 “m 的各种悬浮物质，是一种非常复杂 的非均质有机一无机复合体。悬浮物的有机组分组成非常复杂，主要由浮游 动植物、微生物、活体和死亡生物体以及覆盖在矿物颗粒上的脂类、多糖类 等有机质组成，目前其生化组成尚不能得到详细的鉴别和分副1 1 。悬浮物的 无机组分包括蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物以及石英和碳酸盐等【2 】， 按其矿物成分可以分为：氧化硅( s i 0 2 ) ，约占5 0 ；氧化硅( a 1 2 0 3 ) 及氧化铁 ( f e 2 0 3 ) ，约占3 0 ；其它如氧化钙( c a o ) 、氧化镁( m g o ) 、氧化磷( p 2 0 3 ) 等， 均含量甚微【3 j 。悬浮物的粒径差别很大，粒径范围从微米级的胶体变化到毫 米级的浮游生物等【4 】。 悬浮物的组成以无机悬浮物为主，张运林等研究太湖悬浮物发现无机颗 粒占悬浮物的7 0 【5 1 。无机悬浮物，按其来源可以分为两大类：一类是由于 流域地表冲刷。降雨时，雨水冲刷陆地，造成地表土壤流失，将地面泥沙携 河海大学硕士学位论文 入水体。我国的土壤流失情况严重。据统计，中国每年流失的土壤总量达 5 0 亿吨，其中长江流域年土壤流失2 4 亿吨，黄河流域的黄土高原区每年进 入黄河的泥沙多达1 6 亿吨1 6 j 。我国部分主要河流代表水文站实测多年平均 水沙特征值如表1 1 1 所示。黄河的多年平均输沙量和多年平均泥沙浓度均 最高，多年平均泥沙浓度达3 17 2 3 m l ；长江、淮河、珠江等河流的多年平 均泥沙浓度均为5 0 0 m l 以下。水流冲刷和风浪扰动作用，使得底泥发生再 悬浮，成为无机悬浮物的另一类来源。底泥再悬浮也使得有机悬浮物增加。 表1 1 1 我国部分主要河流代表水文站实测多年平均水沙特征值【7 】 水体悬浮物浓度是表征水生生态环境的一个重要参数。悬浮物的存在， 对水环境产生了重大的影响，主要包括以下几点：第一、悬浮物通过对有机 污染物、营养盐、重金属离子等污染物质的吸附与解吸直接影响着污染物质 在水固两相问的赋存状态，悬浮物与水流共同成为污染物的主要载体，影响 着污染物在水体中的迁移转化过程；第二、悬浮物能够折射反射和吸收光线， 使得光线透过水层时受到阻碍增大，水下光照强度降低，进而影响藻类、沉 水植物等初级生产者进行光合作用；第三、悬浮物吸附各种污染物之后，可 能在泥沙表面发生多种物理、化学和生物反应，并为致病微生物的滋生创造 条件，这些物质进入食物链后产生富集效应，有可能威胁人类健康；第四、 悬浮物使得水体长期或某时段处于浑浊状态，水体透明度降低，影响景观效 果。 2 第一章绪论 1 1 2 水体富营养化和水华 在天然状态下，大部分形成初期的水体水质呈贫营养状态，随着时间推 移，水体因土壤冲刷等作用而被迫接受氮磷等营养物质，水生物逐渐增多， 水体趋于富营养化，这个过程十分漫长，需要几万年甚至几十万年的时间。 近年来，伴随着我国经济和社会的发展，大量富含氮、磷营养盐的生活污水、 工业废水汇入江河湖泊，水体的营养水平快速提高，营养盐刺激藻类大量生 长，富营养化问题同益突出。 藻类在富营养水体中大量增长繁殖，水华频繁发生，我国己成为世界上 水华暴发最严重的国家之一【8 1 。许多湖泊，包括太湖【9 1 、滇池【1 0 1 、巢湖【l l 】都 暴发了严重的水华。汉江中下游已经发生了3 次大范围水华【l 引，长江、嘉陵 江、乌江等河流的主要水文特征值己处于水华暴发的危险范卧1 3 j 。 富营养化和水华给经济社会造成多方面的负面影响：约有4 0 余种蓝绿 藻可以产生诸如神经毒素、肝毒素、细胞毒素和细菌内毒素等毒性物质，这 些毒素可以引起鱼类发生急性中毒死亡，鱼类肝脏充血红肿【1 4 1 ，采用含藻毒 素的水体作为饮用水源，对人体肝脏的损伤十分显著，接触和饮用这些含有 毒素的水会影响人类身体健康；水体透明度下降后呈浑浊状，感官性状大大 下降，水华严重时，臭味弥漫，直接影响人们的正常生活，其旅游价值也极 大降低；藻类覆盖水面使得水体天然大气复氧量减少，加上藻类在夜间呼吸 作用消耗大量氧气，使得水体氧含量降低，缺氧使得好氧生物难以生存，底 泥中大量释放氨等物质，加剧恶臭发生，缺氧也使得鱼类等水生物大量死亡， 对水产养殖业带来破坏性影响；富营养化水体中浮游生物大量繁殖滋生，堵 塞水厂过滤装置，增加水厂水处理成本。 水体富营养化和水华日益成为束缚我国经济社会发展的障碍，治理迫在 眉睫。目前，人们根据已有的认识采用多种措施试图综合治理和有效遏制水 体的富营养化进程，但是由于水体富营养化是水体内部一系列物理、化学和 生物变化的复杂反应过程，更是水体内部和外部多种因素作用的综合反映。 因此综合治理富营养化异常艰巨，水体富营养化治理效果和预期存在着较大 差距，当前我国很多水体已经处于富营养状态。到8 0 年代后期，我国富营 河海大学硕士学位论文 养化湖泊个数已经占调查湖泊个数的6 1 ；到9 0 年代后期，我国富营养化 湖泊个数已经占调查湖泊个数的7 7 【”】。 丹麦著名生态学家j o 曙e n s e n 指出藻类的过量生长是富营养化的关键过 程【1 6 】。藻类是发挥其积极的生态作用，还是对水环境造成危害，关键是看藻 的数量。如果水体中存在种群结构合理、数量适宜的藻类，就容易形成良性 循环，是水生态健康的表现。如果藻类过量增长繁殖，就会加快水质恶化， 形成恶性循环。因此在水体富营养水平暂时无法改变的情况下，必须采取措 施控制富营养水体中藻类的过量增长繁殖和发生水华，减轻水体富营养化带 来的危害。在水体已经处于富营养的状态下，有必要开展相关研究，研究对 藻类生长有重要影响的各种环境因子影响藻类生长的机理，以发挥它们的积 极环境作用，防止藻类过量增长繁殖引发水华，最大限度的遏制水体富营养 化带来的危害，来有效地保护好我们赖以生存的水源和水环境。 1 1 3 悬浮物和藻类生长的关系 人们在实践中发现悬浮物和藻类的生长和增殖有密切的关系。在我国一 些水体中，氮磷营养盐浓度比较高，已经达到富营养水平，但是出现叶绿素 含量低、藻类数量少、营养盐水平和藻类生长不匹配的情况。如洪泽湖2 0 0 0 年年平均总氮浓度达1 6 5 m l ，总磷浓度达0 13 m l ，按照营养盐浓度来 评价已经达到富营养水平；叶绿素a 浓度为3 5 8 m m 3 ，按叶绿素浓度评价 为中营养水平；藻细胞密度年均9 4 1 0 4 c e l l s l ，按藻细胞密度评价则属于 贫营养水平【1 7 】。骆马湖在2 0 0 5 年年平均总氮浓度达1 7 8 m l ，总磷浓度达 0 0 7 7 m g l ，按营养盐浓度评价已经达到轻度富营养水平：叶绿素a 年均浓 度为1 1 5 m 咖3 ，藻细胞密度年均2 1 0 5 c e l l s l ，均属于贫营养水平【18 1 。人 们进一步研究发现，洪泽湖和骆马湖营养盐浓度和叶绿素、藻细胞密度不匹 配的情况和这些水体中较高的悬浮物浓度有关。洪泽湖和骆马湖的外源营养 负荷很大，湖水的营养水平也比较高，但由于湖区经常有大风天气，悬浮物 含量增高，湖泊迅速地转变为“泥沙型浊水状态”，藻类等浮游植物数量大 量减少，在大风停止后，悬浮物含量降低，湖泊逐渐转为“藻型浊水状态”， 藻类数量开始大量增加，表现出“高悬浮物浓度低藻类密度，低悬浮物浓 度一高藻类密度”的规律。宋友坤等认为正是由于“泥沙型浊水状态”和“藻 4 第一章绪论 型浊水状态 这两种状态的交替作用，遏制了洪泽湖和骆马湖从高营养盐含 量向全面富营养化状态演变，保证了水环境维持健康状态。宋晓兰【1 9 1 等研究 太湖梅梁湾和五里湖浮游植物后也发现，梅梁湾较高的悬浮物浓度，是导致 周年内五里湖浮游植物平均生物量( 6 8 5 m g l ) 高于梅梁湾的平均生物量 ( 4 9 9 m g l ) 的重要原因。 在一些水体原本没有富营养问题，但是通过各种工程措施使其悬浮物含 量降低后，富营养化问题就凸现出来，这在修建水库大坝时尤为明显。水库 建库后，水体滞留时间延长，悬浮物大量沉降，透明度增加，利于藻类光合 作用，藻类大量生长而导致富营养化【2 0 1 。 综上所述，水体中的悬浮物和藻类生长有密切联系。由于悬浮物对藻类 的影响，其对水体富营养化进程和水华的发生有一定的影响和控制作用，对 于水体维持健康状态具有积极意义。因此，有必要深入研究悬浮物对藻类生 长的影响程度和影响机制，以充分发挥悬浮物的水环境作用。 1 2 悬浮物对藻类影响研究现状 目前悬浮物对藻类生长影响主要有两部分：一、悬浮物改变藻类生境条 件，进而影响藻类的生长和增殖。悬浮物吸收、反射和折射光线使得水体中 光场分布发生很大变化，同时悬浮物通过吸附与解吸作用直接影响氮磷营养 盐在水沙两相间的赋存状态，这些都使得藻类的生境条件发生很大变化，从 而影响藻类的生理或生长状况。二、悬浮物对藻类的直接影响。悬浮物对藻 类具有一定的粘附作用，可以将水体中的藻类絮凝沉降到水体底部，从而直 接影响水体中藻类的数量。 1 2 1 悬浮物对光照的影响 光是一切生物的最终能源，是藻类生存的必要条件。藻类生长需要足够 的光照，没有日光，光合作用就不能进行，水体光学性质直接影响水生生物 群落的结构和功能，光合有效辐射量在某种程度上决定了水体初级生产力水 平，而真光层厚度则基本上决定了生产者和分解者的分布格剧2 1 1 。光照的时 间、光的强度都能影响藻类的代谢率，从而影响它们的生长率和繁殖率，因 此光是影响藻类生长的最重要条件之一【2 2 1 。初级生产力和光照水平直接相 5 河海大学硕士学位论文 关，蔡后建等研究了梅梁湾口浮游植物初级生产力与光辐射能之间的关系， 发现浮游植物初级生产量( p ) 与光辐射( i ) 之间的关系( t = 1 8 ) 为： p ：0 1 6 2 土e x p ( 1 一二) + 0 0 5 【2 3 1 。 0 3 31 3 3 不同的藻种对光强的适应性也不一样，黄邦钦等利用同位素稀释法来测 定藻类对磷酸盐的吸收速率，发现随光强度增加，亚心形扁藻对磷酸盐的吸 收速率增大，而钙质角毛藻则影响不大【2 4 1 。李铁等对新月菱形藻在弱光和无 光条件下进行培养，发现弱光培养时其生长速率无显著差异，但在无光照时 其对磷酸盐的吸收速率明显降低，进而影响其生长速率【2 引。硅藻对弱光有很 强的耐性，硅藻在几乎所有的河口生态系统中都属优势类群，在悬浮物含量 不高的河口海湾如胶州湾、大亚湾和台湾海峡甲藻类是仅次于硅藻的优势藻 种，但在悬浮物含量较高的长江口绿藻类和蓝藻类则取代了甲藻类的位置。 大部分甲藻属于喜光种类，对水体的透明度要求较耐2 6 1 。 在浅水湖泊中，由于风浪作用沉积物发生再悬浮，随水体中悬浮物浓度 的升高，透明度降低，对光的衰减速度加快2 7 1 。当水体中存在大量悬浮物时， 悬浮物对光线具有较大的阻隔作用，水体中光照强度降低，使得藻类生长受 到光照限制，各项生理机能也受到影响。光照强度在水体中的衰减可认为基 本遵从下列衰减规律【2 8 】，【2 9 】： i ：= p a r i o e 一z 式中，厶为水深z 米处的光照；而为入射光照；p a r 为折减系数；七为 光的衰减系数，它由三部分组成：k = k 。+ k 。+ k 。k w 代表纯水引起的光的 衰减，一般为0 0 3 m ；是考虑藻类自遮引起的光的衰减，确c h l ，风为 藻类的自遮系数，一般为o 0 3 m 1 m g c h l m 一；幻是由水体中无机悬浮颗粒物 质引起的光的衰减，一般为0 1 2 m 一。幻比和都大，可见悬浮物对光线 具有较大的阻隔作用，在改变水下光场分布方面起了重要作用。b l o m 等研 究发现，水体中由于风浪而悬浮的泥沙可以衰减4 0 8 0 的水下光照【3 0 1 。 水体中的悬浮物和水体浑浊度有着直接的相关关系。浑浊度是一种光学效 应，是光线透过水层时受到阻碍的程度，表示水层对于光线散射和吸收的能 力。光线在水体中传输，由于介质作用会发生反射、散射和吸收，在相同的 6 第一章绪论 光照条件下，不同浓度或不同粒径的泥沙对光线的阻挡效应不同，水体中藻 类所能利用的光强也就随之变化，从而体现出不同的生长趋势。 现已经有现场实测、模型试验等多种方法和途径来探讨悬浮物通过改变 光照条件来影响藻类生长。顾新根等在研究长江口最大浑浊带( t u r b i d i t y m a x i m 啪z o n e ) 浮游植物时，就指出尽管长江口海区水体肥沃，营养盐含 量丰富，但由于水体浑浊，透明度低，加上环境条件动荡不安，极不利于浮 游植物繁殖生长【3 。何文珊等根据现场实测资料和相关文献分析，发现长江 口门区的初级生产力仅为光合作用效率较高的其他河口海岸水域如加州海 岸的l o 5 左右。造成其光合效率低的原因就在于长江径流挟带的悬浮物与 潮流扰动产生的再悬浮泥沙在长江口形成透明度3 m 和3 m 以下的浑浊带， 浑浊带悬浮物的消光作用抑制了长江口门区的初级生产力【2 6 】。李云等对长江 口及其临近海域进行了夏秋两季的生物、化学、物理水文等因素的综合调查， 发现长江口及毗邻海域浮游植物的空间分布季节变化都受到悬浮物等因素 的制约【3 2 】。j a m e se c l o e m 通过对加利福尼亚的三个河口和荷兰的两个河口 作研究比较，发现光照和营养盐条件是限制河口藻类生长的关键因子，强光、 弱光、缺乏营养盐、营养盐过量都会限制藻类生长【3 3 1 。l e eys 和1 a d ak 等认为悬浮物衰减光照是影响赤潮尤其是高浑浊海域( 如东海近海) 赤潮发生 的关键环境因子之一【3 4 】【3 5 】。张运林等通过模拟生态槽进行模拟试验研究， 探讨了悬浮物和水下光强分布的关系，发现水体悬浮物浓度增加时，光学衰 减系数增加二到四倍，光学衰减系数、真光层深度与悬浮物浓度之间有良好 的相关关系【3 6 】。他们还根据1 9 9 3 2 0 0 1 年太湖站常规监测资料及2 0 0 1 2 0 0 2 年周年实验资料，分析研究了太湖水体透明度与光学衰减系数、悬浮物及叶 绿素a 的相互关系，发现太湖透明度主要受悬浮物的影响，悬浮物与透明度 的关系为：s 4 = 8 1 0 3 5 8 4 7 l n s t ，透明度跟叶绿素只存在微弱的线性相 关【3 7 】。赵巧华等在分析太湖梅梁湾水下光场数据、研究水体下行漫射衰减系 数时发现，太湖水体中陆源性非藻类颗粒具有对短波光强烈吸收的特性，减 弱了介质散射使光场漫射比例提高的作用1 3 引。 7 河海大学硕上学位论文 1 2 2 悬浮物对营养盐的影响 水体中污染物质浓度在固体物质与水界面上的升高，在水相中浓度的降 低，最后达到污染物在固相和水相之间的分配平衡，这种作用通常称为吸附 ( a d s o 印t i o n ) 。由于吸附作用是一种表观现象，因此它又称为吸持或吸着 ( s o 叩t i o n ) 。具有吸附能力，能吸附溶解物质的固体颗粒称为吸附剂；而被吸 附的溶解物质称为吸附质。在含有悬浮物的富营养水体中，悬浮物为吸附剂， 氮磷营养盐为吸附质。在天然水体中，悬浮物的吸附和解吸作用对水体水化 学成分的形成和演变起重要作用，对污染物的迁移具有重要的控制作用。而 氮磷营养盐是对藻类生长最为重要，并决定藻类生物量的重要物质。现在已 经针对泥沙等悬浮物对污染物吸附机理的理论研究以及对营养盐的吸附和 解吸研究开展了大量工作。 1 2 2 1 吸附理论 由于重金属有直接性的巨大危害，悬浮物的吸附理论多数是由重金属吸 附试验开始的。近年来，随着水体富营养化问题的突出，悬浮物对营养盐的 作用也日益受到重视，相关试验研究正在大量开展。 悬浮物吸附污染物主要影响因素包括：悬浮物理化特性、悬浮物浓度、 污染物浓度、悬粒度、紊动强度、温度和p h 值等【3 9 1 。吸附是一种固液两相 界面间发生的物理化学反应，分为物理吸附和化学吸附两大类。物理吸附： 是通过分子间的范德华力使吸附质与吸附剂表面结合的吸附作用。这种作用 的发生主要依靠吸附剂具有巨大的比表面积和表面能。将悬浮物近似看作球 体，由于球体的比表面积与粒径成j 下比，因而吸附剂越细，则物理吸附越强。 物理吸附是一种可逆过程，在温度上升或者吸附质浓度降低时，吸附质可以 克服范德华力从吸附剂表面解吸。化学吸附：是指带电荷的颗粒表面对水相 中异号离子的吸附，或者是由于水相中的离子靠强化学键( 如共价键) 结合 到固体颗粒表面，多属不可逆过程。化学吸附与吸附剂所含的活性成分有关， 一般颗粒越细，所含活性成分越多，而颗粒越粗，所含原生矿物成分越多。 污染物的吸附一解吸是一个非常复杂的过程，通常建立吸附模式来对吸 附过程进行定量的描述和分析，采用污染物在水沙两相间的分配量及相应系 数，对吸附量和吸附时间过程分别建立数学描述方程。有多种吸附模式，包 8 第一章绪论 括l a n g m u i r 型【4 0 1 、f r e u n d l i c h 【4 u 型、b e t 型、h e n y 型、p o l a n y i 型等【4 2 】【4 3 1 。 一些学者还根据悬浮物中不同成份的不同吸附特性提出了更为复杂的复合 分布模型，将吸附等温式表达成几个方程的叠加，更加精确和细化【删【4 5 1 。 1 2 1 2 悬浮物对氮的吸附和解吸 藻类生长需要营养，如果在水中有足够的营养物质，又没有其他限制因 子，藻类细胞是按有规则的间隔期进行分裂增殖【4 6 1 。藻类的典型分子式可以 用c 1 0 6 h 2 6 3 0 l l o n l 6 p 表示，在自然水体中c 、h 、o 等元素来源比较丰富，一 般能满足水体中藻类生长的需要，而n 、p 往往成为限制条件，是藻类大量 生长繁殖的物质基础，往往决定藻类生物量。目前主要集中于悬浮物对磷的 影响研究，而悬浮物对氮的影响研究在目前报道中还比较少。 水体中的氮分为吸附态总氮和溶解态总氮，溶解态总氮又分为铵氮、硝 酸盐氮、亚硝酸盐氮、可溶性的有机氮。硝酸盐氮和氨氮是水体中非固氮藻 类可以直接利用的两种最主要的无机氮，而悬浮物对这两种形态的氮有着不 同的吸附效果。俞志明等【4 。7 】研究粘土矿物对硝酸盐氮的吸附，结果表明，在 通常条件下它在粘土矿物上吸附百分比均在6 以下，可以忽略粘土矿物对 它的吸附作用。史红星【4 8 】等利用蒙脱土、高岭土和太湖沉积物矿质组分三种 材料，试验研究了水体悬浮物对氨氮的吸附特性，试验发现，三种材料对氨 氮的吸附在3 0m i n 内就基本达到平衡，相同实验条件下，蒙脱土的吸附效 果最好，高岭土次之。随着p h 、盐度和温度的增大或升高，矿质颗粒对氨 氮的平衡吸附量均有不同程度的减小趋势。悬浮物不仅对氮产生吸附作用， 还对氮形态的转化发生影响。一般认为，水相中硝化作用不显著，硝化作用 发生在水一沉积物界面【4 9 】【5 0 1 ，但在悬浮物含量比较高的水体中，情况就发 生变化。余掣5 1 】等试验模拟黄河悬浮物对氨氮硝化速率的影响，发现由于悬 浮物对氨氮存在吸附作用，悬浮物含量影响氨化细菌、亚硝化细菌和硝化细 菌的生长，悬浮物含量对水体的硝化速率存在显著的影响，颗粒物含量越高， 硝化进程越快。 1 2 1 3 悬浮物对磷的吸附和解吸 磷被认为是决定藻类异常繁殖的限制性营养元素【5 2 1 。磷也是一个高度的 颗粒活性元素，水体中的磷分为颗粒态磷( t p p ) 和溶解态磷( t d p ) 。一般 9 河海大学硕士学位论文 认为溶解态磷能被藻类直接吸收【5 3 1 ，而颗粒态磷需要一些藻类和微生物能分 泌碱性磷酸酶使颗粒态磷分解为可溶性的磷酸盐才能满足藻类对磷的需求 【5 4 1 。磷被悬浮物吸附后，降低了水体中藻类容易吸收利用的磷含量，进而影 响藻类的生长和增殖。 磷和泥沙颗粒表面有较强的亲和性【55 | ，吸附效果比较好，和氮的吸附 研究相比，磷的研究比较多，有较多的现场调查和室内模拟试验研究。郭长 城等通过室内模拟试验研究了长江水体中泥沙对磷的吸附特性，发现泥沙对 磷的吸附效果和p h 、泥沙粒径、初始磷浓度等有关：在强酸条件下泥沙对 磷的吸附效果好，而在强碱条件下泥沙对磷的吸附效果差；泥沙粒径越小吸 附效果越好；初始磷浓度越高，泥沙对磷的吸附效果越好【5 6 1 。朱广伟5 7 1 等 实测发现：由于颗粒悬浮物吸附了扰动释放的磷，导致一次风浪扰动带入水 体的活性磷不会引起水体溶解态磷浓度的显著增加，扰动前后太湖溶解态总 磷浓度变化不显著。王晓燕【5 8 j 等在4 种不同类型的非点源污染发生区分析检 测地表径流中磷流失情况，发现磷容易与泥沙或悬浮物结合，吸附态磷占总 磷9 0 以上，与泥沙结合的吸附态磷的浓度远大于溶解态磷的浓度。王晓青 【5 9 】等采集寸滩断面的泥沙进行磷酸盐吸附解吸动力学研究，发现长江悬移质 泥沙对水体总磷浓度有很大的影响，在丰水期悬移质泥沙含量大时，单位水 体中粒子吸附太磷的平均浓度高于溶解态磷的平均浓度；在枯水期单位悬移 质的吸附量远远大于丰水期，但是丰水期悬移质泥沙的含量较大，对水质的 影响更大；泥沙对磷酸盐的吸附量和解吸量都随着泥沙浓度的增加和泥沙粒 径的增加而呈递减变化。吕平毓【6 0 】研究发现悬浮物对磷的平衡吸附量大致随 着水相初始浓度的增大而增大，但磷初始浓度增大到一定值时，平衡吸附量 反而有减小的趋势；悬浮物对磷的吸附符合l a n g m u i r 和f r e u n d l i c h 等温吸 附方程，且含沙量对吸附等温式参数没有显著影响。 在一定条件下，泥沙可以释放磷。太湖蓝藻水华暴发常常跟随一次较大 的风浪，可能是由于水动力作用引起沉积物悬浮，促使底泥中氮和磷释放， 同时又可能使蓝藻细胞从底泥中释放【6 l 】。 1 2 3 悬浮物对藻类直接影响 水体中悬浮物通过改变水体中的光场分布、营养盐浓度等影响藻类的生 1 0 第一章绪论 境，同时也对藻类产生直接影响。目前悬浮物对藻类直接作用研究主要集中 在利用粘土矿物絮凝沉降除藻方面。悬浮物对藻类的直接作用最初是在治理 赤潮时发现的。人们在实践中发现，在海洋中投加一定量的泥沙能迅速有效 的降低藻细胞的浓度。水中悬浮物通过布朗运动、水流切应力作用及重力差 异性沉降等发生碰撞聚集6 2 】【6 3 】由此而形成的较大颗粒快速向下沉降，藻类 容易随大颗粒一起沉降。在大面积藻华治理中，粘土絮凝沉降除藻，特别是 其改进技术被认为是很有前景的方法之一【删【6 5 1 。 潘纲等研究发现，一些粘土可以通过架桥网捕作用，将藻细胞粘网后共 同沉人水底【鲫。金鹰等【6 7 】在不同盐度的人工海水中做了大量的试验，研究 结果表明，影响絮凝的主要因素为含盐量、颗粒大小、含沙量、泥沙矿物成 分、有机质含量等，研究发现絮凝和泥沙粒径大小成反比，粒径越细，絮凝 量越大，这是由于细颗粒表面积大，电位也越大，在遇到阳离子中和其表 面负电荷后，电位下降，碰撞增多，更易形成絮团。黄斌【6 8 】用粒径o 2 8 m m 以下的沸石粉处理处于稳定期的铜绿微囊藻水样，发现沸石粉颗粒通过吸附 一沉降作用，使铜绿微囊藻细胞及其群体产生沉降，沸石粉效果的显著性和 其投加量有关，投加量越高效果越显著，投加2 5 9 l 的沸石粉可以使水样中 铜绿微囊藻的沉降效率达到9 3 。陈灏【6 9 】等利用海泡石对不同生长阶段的铜 绿微囊藻进行了凝聚除藻试验，发现铜绿微囊藻在不同生长阶段表现出不同 的疏水性和表面电位。藻细胞疏水性呈现出衰老初期) 延迟末期) 对数期的 变化趋势，而藻细胞表面电位( 电位) 则大致呈现出延迟末期) 对数期) 衰老初期的特征，不同生长阶段藻细胞的絮凝性能与藻细胞疏水性的变化趋 势一致。很多科研工作者还在泥沙改性，提高泥沙絮凝除藻效率等方面做了 大量工作【7 0 j 【7 l 】。 1 2 4 研究现状及存在的问题 综合以上分析，水环境中悬浮物对藻类生长影响研究现状总结如下： ( 1 ) 通过现场试验检测，在很多水体中发现“高悬浮物浓度一低藻类 密度”规律，悬浮物对藻类生长有比较明显的抑制作用。 ( 2 ) 悬浮物的存在能够改变水下光场分布和营养盐浓度水平，对藻类 的生境有较大的影响，而生境条件的改变又对藻类的分布格局、代谢和生长 河海大学硕士学位论文 产生影响。 ( 3 ) 在运用粘土治理赤潮和水华的实践中，发现悬浮物可以通过架桥 网捕作用粘附藻细胞后将其沉入水底，对藻类产生直接的影响。 前人的工作丰富了悬浮物对藻类生长影响的认识，但是还有一些地方有 待进一步的发展完善： ( 1 ) 目前悬浮物对藻类生长的影响研究中，现场调查较多。将现场调 查的结果和悬浮物含量作相关分析后，得出悬浮物影响藻类生长的定性结 论。由于现场的各种环境因子错综复杂，难以控制，难以准确计量悬浮物对 藻类生长的影响，需要开展可控的室内试验研究。 ( 2 ) 不同浓度和粒径的悬浮物与藻长期共同培养条件下，悬浮物将对 藻类产生什么影响，现在还鲜见报道。水中的悬浮物有一定的粒径分布，不 同粒径悬浮物的物理化学性质有较大差异，水中悬浮物的浓度也常会发生变 化，有必要进行不同浓度和粒径悬浮物对藻类的影响试验研究。 ( 3 ) 现在多认为悬浮物衰减光照是影响藻类生长的主要原因，对悬浮 物对藻类的影响机制还需要进一步研究。 1 3 本文的研究内容 由于悬浮物中无机组份占主体【5 】，且有机组份目前其生化组成尚不能得 到详细的鉴别和分离【l 】，本文以无机悬浮物为研究主体，研究内容如下： ( 1 ) 无机悬浮物对藻类的间接影响。悬浮物的存在影响藻类的生境条 件，进而影响藻类生长。研究无机悬浮物对磷酸盐和硝酸盐的吸附特性，测 量在不同无机悬浮物浓度下光照衰减情况。 ( 2 ) 无机悬浮物对藻类的直接影响。在尽可能减少悬浮物对藻类的生 境影响条件下，在光照培养箱中进行藻类在悬浮物环境中的长期生长试验， 检测铜绿微囊藻和四尾栅藻在不同无机悬浮物粒径和浓度下的生长特性。研 究不同粒径无机悬浮物对藻类呼吸和光合作用的影响，检测无机悬浮物对藻 类的絮凝沉降效果。 ( 3 ) 无机悬浮物对藻类的综合影响。构建中试试验池，模拟天然水体 中悬浮物对藻类的综合影响，检测无机悬浮物的存在对铜绿微囊藻和四尾栅 藻竞争的影响，研究悬浮物对藻类的影响。 1 2 第一章绪论 1 4 本文的研究意义 近年来，伴随着我国经济和社会的发展，大量富含氮、磷营养盐的污废 水汇入江河湖泊，营养盐促使藻类大量生长，水体的富营养化速率加快，很 多河流和湖泊都已经处于富营养状态，太湖、滇池、巢湖都暴发了严重的水 华，水华暴发的危害加大。由于我国特殊的气候和土壤地质条件，河流湖泊 等水体悬浮物量较高。在实践中发现，由于悬浮物浓度比较高，尽管鄱阳湖、 骆马湖等已经达到富营养水平，但藻类密度依然较低。这启迪我们：悬浮物 对藻类有重要影响，对抑制富营养水体藻类过量生长繁殖有重要作用。我们 有必要充分发挥悬浮物的正面水环境作用，防止藻类过量增长繁殖和发生水 华，减少水体富营养化带来的危害，来积极有效地保护好我们赖以生存的水 源。目前悬浮物对藻类生长影响程度和影响机制方面还有很多不清楚的地 方。本文在前人研究的基础上，开展无机悬浮物对藻类的影响研究，研究藻 类在无机悬浮物条件下的生长特性和无机悬浮物对藻类生长影响机制。力求 进一步丰富无机悬浮物在水环境中作用的科学认识，了解无机悬浮物对藻类 生长影响的作用机制，为充分发挥无机悬浮物的积极水环境作用、防止藻类 过量增长繁殖、维持水环境健康提供一定的参考。 1 5 技术路线 本文技术路线如图1 5 1 所示。 河海大学硕士学位论文 图1 5 1 研究的技术路线 1 4 第二章试验材料与方法 2 1 试验材料 2 1 1 试验藻种 第二章试验材料与方法 试验选用藻种为水华常见种铜绿微囊藻和四尾栅藻。这两种藻在淡水中 普遍存在，对环境适应能力强，易于培养，且具有代表性。藻种均购自中国 科学研究院武汉水生生物研究所，两者经室内扩大培养后，选用处于对数生 长期的藻用于实验。 ( 1 ) 铜绿微囊藻( m i c r o c y t i sa e r u g i n o s a ) 铜绿微囊藻是蓝藻水华