（环境工程专业论文）浮游藻类和附着藻类生长特性的对比研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着工业的发展，我国绝大部分河流湖泊都受到了不同程度的污染，由 污染带来的水体富营养化已经成为我国最为突出的环境问题之一。由于水体 富营养化使得湖泊河流等水体里的蓝藻水华的发生频率、发生规模以及持续 时间均呈现增加的趋势，对人们生产生活造成了很多有害的影响，人们采取 了各种措施来防治蓝藻水华的发生，然而由于蓝藻水华的形成机制方面研究 不够深入，致使很多措施效果欠佳。附着藻类( a t t a c h e da l g a e ) 是附着在 浸没于水体基质表面生长的藻类，其生长要求和浮游藻类基本相似，生长过 程中也会消耗水中的n 、p 等营养物质还有收割方便等优点，依据生态学竞 争排斥的原理，通过附着藻类和浮游藻类的竞争来抑制浮游藻类不失为一种 尝试。 本文通过室内模拟的方法研究了在实验室条件下控制一定的温度，照 度，p h 值等条件，设置氮磷比在1 0 ：1 到2 5 ：1 范围变化时，浮游藻类单独 培养和浮游附着藻类混合培养时的生长竞争情况，为富营养化水体的水华控 制提供了一定的理论依据。另外还探讨了以葡萄糖为外加碳源对浮游藻类和 附着藻类生长状况的影响。结果表明在氮磷比为2 0 ：1 时浮游藻类单独培养 和混合培养下的浓度差最高，其值为1 5 9 1 0 5 c e l l s l 。随着氮浓度的增高， 温度越高附着藻类对浮游藻类的竞争优势越明显。而浮游藻类比附着藻类更 能适应较高的c o d 浓度。 关键词：浮游藻类、附着藻类、生长竞争、氮磷比 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y ，t h ev a s tm a j o r i t yo fc h i n a sr i v e r sa n d l a k e sa r ea f f e c t e db yv a r y i n gd e g r e e so fp o l l u t i o n p o l l u t i o nc a u s e db yt h e e u t r o p h i c a t i o no fw a t e rh a sb e c o m ec h i n a sm o s tp r o m i n e n te n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s b e c a u s eo fe u t r o p h i c a t i o no fl a k e sa l l o w sa l g a eb l o o mf r e q u e n c y ， s c a l ea n dd u r a t i o no fh a p p e n e ds h o w e da ni n c r e a s i n gt r e n d ，a n dg i v et h ef u n c t i o n o fl a k ee c o s y s t e m sc a u s e dal o to fh a r m f u le f f e c t s p e o p l eh a v et a k e nv a r i o u s m e a s u r e st op r e v e n tt h eo c c u r r e n c eo fa l g a eb l o o m , b u tb e c a u s et h ef o r m a t i o n m e c h a n i s ms t u d yi sn o td e e pe n o u g h , r e s u l t i n gi nal o to fm e a s u r e si n e f f e c t i v e a t t a c h e da l g a ea r ea t t a c h e dt ot h es u b s t r a t ei m m e r s e di nt h ew a t e rs u r f a c eo ft h e a l g a e ，t h e i rg r o w t hr e q u i r e m e n t sa n di sb a s i c a l l ys i m i l a r t oa l g a eg r o w t hi nw a t e r c o n s u m p t i o nw i l lb et h ec o u r s eo ft h en ，pa n do t h e rn u t r i e n t sa l s oh a st h e a d v a n t a g e so fh a r v e s tc o n v e n i e n c e ，i na c c o r d a n c ew i t ht h ee c o l o g i c a ll e a r nt h e p r i n c i p l e so fc o m p e t i t i v ee x c l u s i o n , t h r o u g ht h ea t t a c h m e n to fp l a n k t o n i ca l g a et o c u r ba l g a em a yb ea l la t t e m p t t h ea r t i c l et h r o u g hi n d o o rs i m u l a t i o ns t u d i e dt h eg r o w t hc o m p e t i t i o n b e t w e e na t t a c h e da l g a ea n dp h y t o p l a n k t o nt op r o v i d eac e r t a i nt h e o r yb a s i sf o r t h ea l g a eb l o o mc o n t r o lo fe u t r o p h i c a t i o nw a t e r i nl a b o r a t o r yi n d o o rc o n t r o l l e da c e r t a i nt e m p e r a t u r e ，i l l u m i n a t i o n , p ha n do t h e rc o n d i t i o n sa n ds e tn ：pi n t h e1 0 ：1 t o2 5 ：1t oa n a l y s et h eg r o w t ho f c o m p e t i t i o nb e t w e e np h y t o p l a n k t o na n da t t a c h e d a l g a e i tw a s a l s od i s c u s s e dt h eg r o w t hi n f l u e n c eo fp h y t o p l a n k t o na n da t t a c h e d a l g a ew i t hg l u c o s ea sa d d i t i o n a lc a r b o ns o u r c e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tw h e n n ：pw a s2 0 ：1t h ep h y t o p l a n k t o nc o n c e n t r a t i o n sd i f f e r e n c ew a sh i g h e s ta n di t s v a l u ew a s15 9 x1 0 5 c e l l s l t h eb i g h t e rt h et e m p e r a t u r ea n dt h eh i g h e rt h e c o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e n , t h ec o m p e t i t i v ea d v a n t a g eo fa t t a c h e da l g a ew f l t m o r e o b v i o u s t h ep h y t o p l a n k t o nm o r et h a na t t a c h e da l g a ea d a p t e dt h eh i g h e rc o n c e n t r a t i o no f c o d k e yw o r d s ：p h y t o p l a n k t o n , a t t a c h e da l g a e ，c o m p e t i t i o n , n ：p 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“巾) 学位论文作者签名：司伊缈晔指导老师签名：撇 日期：伽。乱s 、j d 1 日期： 1 j o 写! i 、3 o 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 集体已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： 目前利用水藻控制富营养化水体的研究已经取得了不少成果，但是通过 浮游藻类和附着藻类的生长特性的对比研究，由浮游藻类和附着藻类的竞争 来控制水体富营养化的研究还比较少，本课题研究在国内还处于起步阶段。 静研 俐弋y 、3 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 i i 水体富营养化的现状及原因 近年来，随着我国工业的发展和农用化学品的增加，我国七大水系和 三大湖泊都受到了不同程度的污染，水污染不仅给人类的健康带来了较大 的危害，而且水污染带来的水体富营养化已经成为我国最为突出的环境问 题之一。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n 1 。许多大型湖 泊，如巢湖、太湖、滇池、杭州西湖等，都己经处于富营养或重富营养状 态，而且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。据统计，我国主要湖泊处于因氮磷污染而导致富营养化的 占统计湖泊的5 6 嘲。 水体富营养化是水体衰老的一种现象，主要是由自然和人为因素造成 的口1 。自然状态下，由于径流对地表的冲刷和淋溶，雨水对大气的淋洗，带 来一定的营养物质向湖泊和近海水域汇集，使水体中的氮、磷等营养元素 大大增加，往往造成水体富营养化。人为因素造成的富营养化主要是未经 处理的各种废水、污水、化肥及某些有机物等直接排入，或经过雨水淋溶 进入水体使营养盐超标，尤其是某些封闭、半封闭养殖水域的投饵和施肥 成为水体富营养化的主要原因h 1 。水体富营养化的发生除了和外来营养盐 n 、p 的大量输入有直接关系外，水体中生物群落结构的破坏，导致其自净 能力的降低，也是加速水体富营养化的一个重要原因。因为鱼类和其他许 多水生生物都是天然水域中生物群落的重要组成，合理的生物群落结构， 既是健康水生态系统的良好指示，同时又对维护生态系统的稳定起到重要 的保障作用，是水体生物自净的基础。一旦这种群落结构遭到破坏，水体 的自净能力随之降低，从而使富营养化的症状得到提前出现馒1 。例如，浙江 千岛湖向来以山清水秀闻名，但在1 9 9 8 年5 月和1 9 9 9 年5 月，其中心湖 区却也连续两次发生了大面积的水华，水质也出现了较严重的异味。通过 相关调查后发现，在1 9 9 8 年前后，由于放养的鲢鳙遭到过度捕捞而使水库 中鲢鳙资源遭到破坏是导致水华暴发的一个重要原因。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 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，形成藻类水华，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( 如 图卜i ) ，从而导致水质的下降及一系列严重的水环境问题。因此如何治理 富营养化的水体，减少其中的营养物质的含量，恢复水体的综合功能，己 成为当前全球性的环境问题的研究热点。 图i - i 滇池蓝藻大量繁殖，湖水如绿油漆一般 1 2 目前解决富营养化水体中浮游藻类的主要技术和方法 在富营养水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量浮游藻类。 这些藻类浮在水体表层，对人民生产生活带来严重危害，因此对富营养化 水体治理中最紧迫的任务之一就是对藻类的治理。 引起河流湖泊等水体富营养化的原因主要就是因为含有氮磷等物质的 污水流入水体，因此防止水体富营养化，主要是要解决水体的氮磷污染问 题。对于水体的富营养化国l h 外基本奉行“以控制外源性污染为主，减 少内源性营养负荷为辅，兼顾工程性措施”的原则，力求达到对水体富营 养化的全面预防和治理“1 。通常可以采取以下措施：首先必须对湖泊的外源 和面源污染进行控制，主要任务是控制人为污染源，减少或截断外部输入 的营养物质：其次是对内源污染负荷的去豫，主要的方法有工程性措施、 化学方法、生物性措施等等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 1 常用的物理型和化学型措施 1 底泥疏浚 疏浚底泥被认为是减少内源污染的一个重要的方法，能有效的去除那 些底泥中的营养物质含量，因此被认为是治理富营养化水体的一种有效方 法。但是底泥的疏浚耗资巨大，如滇池在1 9 9 8 - 1 9 9 9 年期间完成的滇池草海 疏浚工程，该工程涉及草海水域面积2 8 8 平方公里，疏挖底泥量就达2 9 7 o 万立方米，疏浚总投资就高达1 4 1 亿元，而且底泥疏浚后还可能引发水 体中营养盐浓度的升高。因为水体深层底泥中的可溶性磷以及氨氮可能高 于表面底泥，当把表层底泥挖掘后，正好暴露出深层底泥高含量的可溶性 磷和氨氮，使更多的磷和氮从底泥中释放出来，使水质进一步恶化。因为 湖泊本身有很强的自净能力，污染物进入湖泊后，通过物理，化学，生物 和沉积过程，沉降于湖底，或转化为生物资源，或释放到大气，或输出湖 泊，所以说明湖底有时扮演的角色不是污染源，而是库的作用。在这种情 况下，特别当输入水质尚未明显改善情况时，就进行疏浚底泥，可能会导 致水质的进一步恶化。迄今为止，许多的实例说明，尚未见到在中等以上 湖泊中通过底泥疏浚控制湖泊富营养化的明显实例。韩伟明订3 研究了清淤挖 泥对杭州西湖水质的影响，指出目前每年疏浚底泥对改善西湖水质效果不 明显，湖水中的叶绿素a 依然呈上升趋势。湖中原有的水生植被及底栖生物 群落被彻底破坏，湖水自净能力急剧下降，湖水逐年递增，富营养化更加 的严重。可见，单纯的清淤挖泥对控制富营养化藻类种群暴发尚未见明显 的效果，即使在无底泥情况下，藻类依然会爆发。因此，清除底泥是否能 降低湖水中氮、磷浓度还需要进一步深入的研究。 2 截污和引水换水 外源污染是湖泊营养盐的重要来源，因此截污是控制富营养化湖泊营 养盐的首要步骤。如滇池湖岸线长达1 6 3 千米长的环湖截污管道，可以拦截 和收集所有流向滇池的污水，但是对营养盐浓度较高的富营养化湖泊来说， 光靠截除外源污染还远远不能达到治理湖水的目的。理论上即使外源污染 能完全截除，湖水中的营养盐依然存在。而实际上，如降水、地表径流等 外源污染也不可能截除。南京玄武湖曾于1 9 9 0 年完成了对唯一的点污染源 的截污工程。截污后尽管湖区水体氮、磷有所下降，但叶绿素a 反而呈上升 趋势，而且截污前后藻类种群也未见明显变化，仍以蓝藻和绿藻为优势种 群。王国祥等在杭州西湖所进行的围隔模拟截污实验也表明，截污后水体 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的叶绿素a 不但未见明显下降反而有所上升，同时，围区内以微囊藻为优势 种，并出现“水华”，而同期围区外未见微囊藻及“水华 ，优势种为平 裂藻、小球藻和直链藻阳1 。由此可见，对于富营养化严重的湖泊，单纯依靠 截污难以有效控制富营养化水体中的藻类暴发。 引水换水的方法对于稀释富营养化严重湖泊的营养盐的确作用明显， 能够降低其中营养盐的浓度，但是最终没有能去除水体中营养物质，是治 标不治本的权宜之计。只是暂时的把污染转嫁到其它地区，侵占下游水体 的环境容量。而且由于稀释作用同时也减缓了藻类生长的密度制约压力， 引水冲污后藻类生长往往呈现加剧趋势。根据实际检测，南京玄武湖进行 引水冲污，水体中氮磷浓度，叶绿素a 等都有所下降，缓解了该湖严重的富 营养化状况。但换水之后，湖内藻类数里和生物量急剧回升嘲。还有引钱塘 江水冲洗西湖后，水中t n 、t p 有所下降，但湖区内叶绿素a 较引水前有所上 升。停止引水l o 天后，湖水t p 几乎恢复到原来水平。由此可见，单纯用引 水冲污的办法控制富营养化藻类的过度生长繁殖，往往难以奏效，充其量 也只是一项治表的应急措施。 3 投放化学药剂 化学方法包括凝聚沉降和用化学药剂杀藻的方法，例如有许多种阳离 子可以使磷有效地从水溶液中沉淀出来，其中最有价值的是价格比较便宜 的铁、铝和钙，它们都能与磷酸盐生成不溶性沉淀物而沉降下来。例如美 国华盛顿州西部的长湖是一个富营养水体，1 9 8 0 年1 0 月间向湖中投加铝盐 的办法来沉淀湖中的磷酸盐。在投加铝盐后的第四年夏天，湖水中的磷浓 度显著降低，湖泊水质有较明显的改善。在化学法中，还有一种方法是用 杀藻剂杀死藻类。杀藻剂将藻杀死后，水藻腐烂分解仍旧会释放出磷。因 此，应该将被杀死的藻类及时捞出，或者再投加适当的化学药品，将藻类 腐烂分解释放出的磷酸盐沉降。化学试剂中应用最广泛的是硫酸铜，在国 外广泛应用，1 o m g l 就能有效地抑制藻类生长口1 ，但是使用化学方法很容 易造成环境的二次污染。如硫酸铜可使蓝藻产生的藻毒素释放进水体，所 以不适用于水源水。被杀死的藻类如果不能捞出，氮磷仍然留在水中循环， 从而无法解决藻类增长的根源问题。 4 机械除藻 机械除藻是将藻类直接从湖泊中移出的一种方式，一般应用在蓝藻富 集区，采用固定式除藻设施和除藻船对区域内湖水进行循环处理，有效清 除浮藻层，为药剂等措施的实施创造条件喳1 。在对滇池水华的治理中，采用 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 岸边固定收藻设施和水上移动收藻设施对湖面蓝藻水华进行了机械清除， 由于滇池常年西南风、偏南风较多，因此将岸边固定收藻设施建于西南风、 偏南风下风向的藻类水华富集区。为获得较高浓度的富藻水，于藻类富集 区( 面向南风，向湖心斜) 拉一条用橡胶浮体和不透水的尼龙布制成的浮式 围栏，使蓝藻水华按风向自然涌入集藻围栏内。在集藻围栏圈成的喇叭口 形集藻区底端设置一个吸藻槽，通过水泵将富藻水提升到振动重力斜筛过 滤得藻浆。 1 2 2 利用微生物修复污染水体 微生物作为生态系统中的分解者，对污染物的去除和养分的循环起着 不可忽视的作用。尤其当水生态系统中接纳大量的无机营养物质。通过对 氮的氨化、硝化、反硝化作用，微生物驱动着水体中氮的生物地球化学循 环：微生物参与着有机磷的分解作用，可以促进水生植物的吸收利用。最近 研究发现湖泊沉积物由厌氧条件下的微生物还原可产生磷化氢同样参与着 湖泊磷的生物地球化学循环n 训；微生物和酶能分解水体中的有机物，然后 以c 0 2 形态还原到大气中。当氮磷浓度不断增加时，碳有可能成为新的限制 因子。因此高浓度的有机物也可能引起蓝藻暴发。目前研究运用的微生物 主要有固定化光合细菌( p s b ) ，固定化氮循环细菌，固定化聚磷菌，e m 制剂， c l e a r - f l o 系列菌剂等微生物制剂n ，依靠接种有益微生物菌株来加速c 、n 、 p 在水体环境中的生物地球化学循环，并强化对这些营养物质的去除，可以 作为生物修复中的一项重要手段，接种的微生物既可单独使用，也可作为 植物修复的配套技术使用。 1 2 3 利用附着藻类治理富营养化 利用藻类治理富营养化是一项去除湖泊内源性营养物负荷的有效措 施，利用水生生物通过吸收利用氮、磷元素进行代谢活动以去除水体中氮、 磷营养物质的方法，相比其他方法污染少，能实现资源的再利用，有利于 建立合理的水生态循环。 虽然单细胞藻类不但具有蛋白含量高，耗能少等特点，而且还可以利 用单细胞藻类如螺旋藻，小球藻或栅藻来吸收净化水体的营养盐等众多优 点n 引，但是单细胞藻类，由于其体积微小、很难收集。因此，用于净化大 型的湖泊、水库将会受到限制，所以实际常用的的还是附着藻类。附着藻 类和浮游藻类一样具有较强的去除氮磷的能力，在二级处理出水中，水网 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 藻和小球藻等一样，对氮磷的去除效果明显，在一周之类的去除率可达7 0 以上【l 引。水绵，水网藻以及同为刚毛藻属的刚毛藻和黑孢藻均为最常见的 丝状绿藻，分布广泛，尤其在有水流和波浪的水域中非常常见。这些着生 的丝状藻类比单细胞藻类要容易收获的多。 水网藻是大型的网片状或网袋形绿藻，细胞呈长筒形，每一个网目由 4 6 个细胞组成，通常生长于池塘沟渠等处。日本科学家经广泛的调查后发 现水网藻繁殖能力比形成水华的蓝、绿藻更强，并在其生长过程中可以吸 收大量氮磷，使氮、磷含量恢复至正常水平u4 1 ，而蓝绿藻由于失掉了赖以 生长的高营养条件，无法在水体中大量繁殖，达到以藻治藻的目的。水网 藻的生长与温度、光照强度、营养物浓度等环境条件密切相关n 副。水网藻 对营养物质的吸收能力随着其生长率的增大而增强，当温度、光照、氮磷 浓度的增加，其对营养物质的吸收能力也随之增强n 引。另外收获的附着藻 类还能进行加工利用。比如说水网藻适合作为动物饲料【l ，刚毛藻用于造 纸非常有前景，可以应用于制造特种纸张。 目前国外对水华藻类的研究甚至已经到了基因水平，美国环境研究国 家中心启动了的e c o h a b 项目专门对引起赤潮的有毒甲藻进行了系统研究。 e c o h a b 项目采用了在分子水平上的d n a 技术，寻找甲藻的基因序列，建立数 据库和适时的量化评价方法，以求对其生态学的完全理解，从而找到经济 有效的治理方法n 羽。近年来，蓝藻在基因运载构建、基因定位、基因转移、 表达、功能分析等方面都取得了显著进展。利用基因工程，我们可以培植 一批经济价值高、有自净化功能的藻类植物用于污水处理，也可以培植藻 类的竞争生物，抑制那些特征性藻类的生长，或者直接利用生物生产除藻 剂。虽然对藻类病毒的研究还处在初期阶段，但已有的生物化学和基因研 究成果可以作为有害藻类( 主要是甲藻类) 生物抑制剂的工程。通过改变蓝 藻d n a 基因的某些特性( 例如改变蓝藻气泡生长等) 来抑制蓝藻的生长呻1 。相 信在不久的将来，通过基因工程研究利用附着藻类抑制蓝藻水华来防治水 体富营养化方面会越来越广泛。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 - 3 氮磷等营养物质与藻类生长关系的研究和应用 1 3 1 藻类脱磷除氮的基本原理 藻类细胞微小，形体多样，适应性强，分布广泛，地球上凡是有阳光 的地方都有它们的踪迹。早在中世纪时人们己认识到护城河可以利用光合 作用产氧，对河水中有机物起稳定作用例。利用藻类处理污水的技术在许 多年以前就被提出来了，把藻类应用于污水处理己经有近5 0 年的历史，但 在近年来才受到普遍关注船。 藻类和其它高等植物一样，能利用c 0 2 和h 2 0 借助叶绿素吸收光能合 成糖类而放出倪，传统活性污泥处理污水的过程中微生物需要一个良好的 好氧环境，氧气对污水中有机物的稳定、氮和磷的去除至关重要，氧气通 常是通过动力系统从空气中获得的。尽管空气可以被看作取之不尽的氧气 资源库，但氧气的第一来源归根到底还是光合作用。人们普遍认为藻类在 水体自净中起重要作用，因为藻类可以利用太阳能生成氧气，供给微生物 对营养物质的需氧降解，又可使产生富营养化的营养物质转化成可能有价 值的生物量。这也给常规的三级污水处理方式提供了一个低成本的选择 瞄1 。藻类可以通过光合作用，把污水中氮磷等无机离子和尿素等有机物质 所含有的n ，p 等元素缔合到碳骨架上，形成藻类细胞嘲1 ，同时由于光合作 用增加了p h 值也可以对污水起到消毒作用，减少大肠杆菌及有毒细菌数量， 并且它还可以缔合外源物质如重金属等，既去除了污水中的营养盐，又 促进了n p 等元素的循环，增加了生物量，创造了更多的经济价值。 藻类用底物水平磷酸化、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。( 底物水平磷酸化指在分解代谢过程中， 底物因脱氢、脱水等作用而使能量在分子内部重新分布，形成高能磷酸 化合物，然后将高能磷酸基团转移到a d p 形成a 口的过程。) 一般反应 式为：a d p + p i 墅o 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。在第三种作用过程中，光能被转化结合 进a t p 2 引。 所以，藻类能够有效地去除引起富营养化的氮和磷化合物。藻类系统 对于去除引起富营养化问题的氮、磷化合物以及污水深度处理提供了一个 优良的解决方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 有研究表明藻类对不同形式的氮磷去除效果也是不同的啪1 。固定化小 球藻对氯化铵去除最快最彻底，对尿素次之，对硝酸盐和亚硝酸盐的吸收 能力较弱，其吸收的顺序为：氨氮 尿素 硝酸盐和亚硝酸盐。虽然在有氨氮 和简单有机氮存在的情况下优先吸收氨氮和有机氮，固定小球藻对硝态氮 仍然是有同化作用的。在同等条件下，小球藻对磷的去除顺序为正磷酸盐 偏磷酸盐 聚磷酸盐 有机磷酸盐。这说明，在同等条件下小球藻优先同 化正磷酸盐，而对有机磷的同化能力最弱。 除了去除氮磷等营养物质，藻类还能吸附重金属以及去除水中的有机 化合物，污水中的有机化合物可作为藻类生长所需的重要碳源。利用藻类 固定化系统吸附降解难降解有机污染物，与悬浮藻类系统相比较，具有去 除效率高、可忍受有毒物质浓度高等特点，很有研究价值，藻类可以有效 地富集和降解多种有机化合物如碳氢化合物、有机氯、农药、烷烃、偶氮 染料、淀粉、酚类、邻苯二甲酸酯和金属、有机污染物等等嘲。 1 3 2 氮磷与藻类生长关系的研究进展 氮磷等营养物质是富营养化发生的物质基础，大量营养元素可以促进 叶绿素a 和浮游藻类生物量的剧增，氮和磷是这些营养元素中的限制因子， 在水生生态系统中，氮磷比作为关键因子，常被用来预测藻细胞密度的变 化和季节演替。它同时作为一项指标，能代表营养盐对藻类生长的限制水 平。有研究表明，适当的营养盐可以控制藻类的生长，生物量以及种群结 构，不同的藻类有着不同的最适宜营养浓度，淡水浮游硅藻的最适氮磷比 为7 3 ：1 ，最适的氮磷需求量是氮0 7 0 u g g ，磷0 2 3 3 u g g ，在此条件下 浮游硅藻的生长和繁殖速度最快汹1 。石岩峻( 2 0 0 3 ) 矧研究了水华优势藻 种( 铜绿微囊藻、亚历山大藻、中肋骨条藻等) 生长因素和氮磷的吸收利用 情况，指出藻细胞对氮、磷的吸收速率与生长状态有密切关系，氮、磷限 制条件下生长的藻细胞对氮、磷有快速的吸收。研究显示，低的n p 比有 利于塔玛亚历山大藻的生长分裂，对数生长后期适当补氮则有利于其生物 量的积累。还有研究发现n h 4 + 一n 含量较高的水体中蓝藻容易成为优势种， 而n 0 3 一n 含量高的水体中则以绿藻为主啪1 。 除氮磷等营养盐浓度外，水体中的n p 还会通过影响藻类之间的竞争 及种群的演替，从而改变水体中藻类的结构组成。s t o c k n e r 等报道，试验 中氮磷浓度比值从1 5 提高到2 5 ，试验水体中的鱼腥藻( h n a b a e n a ) 逐渐向聚 球藻( s y n e c h o c o c c u s ) 演化胁1 。一般认为水体中适合浮游藻类生长的n p 为 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 5 ，但不同的藻类，其生长所需的n p 不同。r h e e ( 1 9 7 8 ) 哺2 1 在n p 为5 - 8 0 的范围内，对栅藻进行的培养显示，栅藻的最适n p 为3 0 ，小于3 0 表现出 n 限制，大于3 0 则转化为p 限制。丰茂武( 2 0 0 8 ) m 1 指出氮磷比与藻类生 长关系密切，藻类的生长并不依赖于单一的氮或磷等营养元素。当环境中 磷质量浓度较少时( pp = o 0 1 m g l ) ，藻类生长的最佳条件是pp = 0 0 7 m g l ；当环境中的磷充足时( pp = o 1 “1m g l ) ，藻类生长的最佳条件是n ： p = 4 0 ：l 。对天然附着硅藻种群的研究也表明( f a i r c h i l d ，1 9 8 5 ) ，水体中 的氮、磷浓度及氮磷比对硅藻种群的种类及丰度有显著影响，当将水体中 的氮浓度从1 1 5 m g l ( n p = 7 ) ) 提高到4 4 5m g l ( n p - - 2 8 ) 时，以底栖硅藻 为主的附生生物的总生物量有显著的增加。 1 4 课题的研究意义、内容和技术路线 1 4 1 课题的研究意义 由于污染加剧带来的水体富营养化使得湖泊河流里的蓝藻水华频繁发 生，给湖泊等水体的功能与生态系统造成了很多有害的影响嘲1 ，人们采取 了各种措施来防治蓝藻水华的发生汹1 ，然而由于蓝藻水华的形成机制方面 研究不够深入，致使很多措施效果欠佳，比如使用硫酸铜等杀藻剂但是其 本身就是一种污染物，采用引用外来生物防治又有可能产生像水葫芦这种 外来生物入侵的严重后果，而通过引水换水又工程浩大洲。富营养化是藻 类水华发生的物质基础，要控制水华灾害发生的频率和减少其带来的损失， 必须有效控制水体的富营养化。附着藻类( a t t a c h e da l g a e ) 是附着在浸 没于水体基质表面生长的藻类，其生长要求和蓝藻等浮游藻类基本相似， 它能通过光合作用吸收水中的n 、p 营养物质，产生q ，对富营养化水体有 良好的净化作用和生物修复作用，还有收割方便等优点，按照生态学竞争 排斥的原理，通过附着藻类来抑制浮游藻类不失为一种尝试。本文利用让 附着藻类浮游藻类二者通过营养等因素的竞争来探索一种治理浮游藻类的 方法，希望能为富营养化水体的水华控制提供一定的理论依据。 1 4 2 课题的研究目标和内容 本课题主要通过对富营养水体的水质特征的分析，研究富营养水体中 浮游藻类和附着藻类的生长特性，并分析二者在水体中的营养、光照等方 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 面的竞争关系，通过调节氮磷比，光照，温度，p h 值等要素，找出通过附 着藻类抑制浮游藻类生长的方法。 主要研究：( 1 ) 浮游藻类单独培养下控制氮磷比例，以及光照温度等 要素对其生长状态影响的研究。( 2 ) 浮游藻类和附着藻类混养时在与( 1 ) 相同条件下二者对氮磷营养的吸收以及光照等要素的竞争关系。( 3 ) 结合 实验室水藻生长控制实验，研究利用附着藻类控制浮游藻类的关键因素和 方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 4 3 技术路线 收集国内外资料 1 l 设计试验方案l 上 根据实际条件分析试验方 案的可行性和可靠性 对试验中得到的数 据进行分析整理 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章藻类生长的相关理论与模型 2 1 藻类基本简介 藻类是一类具有光合作用能力，可以利用光能将无机物转化、合成有 机物质的光能自养型生物。藻类种类繁多，分布极为广泛。藻类不仅分布 在江河湖海中，也分布在潮湿的土壤表面、树干、花盆上，甚至在冰雪和 岩洞中等极端恶劣环境下也能生长。除了蓝藻外，所有藻类均为真核生物。 在自然界的水生生态系统中，藻类是重要的初级生产者，是水生食物链中 的关键环节。 2 1 1 浮游藻类 浮游藻类大多是单细胞藻类，在生理上类同于植物细胞，只是细胞较 之为小，仅悬浮于液体介质中。浮游藻类主要分以下几大门类：蓝藻门 ( c y a n o p h y t a ) 、隐藻门( c r y p t o p h y t a ) 、甲藻门( p y r r o p h y t a ) 、金藻 门( c h r y s o p h y t a ) 、黄藻门( x a n t h o p h y t a ) 、硅藻门( b a c ill a r i o p h y t a ) 裸藻f ( e u g l e n p p h y t a ) 、绿藻f ( c h l o r o p h y t a ) 。其中，蓝藻门( c y a n o p h y t a ) 也称蓝绿藻( b l u eg r e e na l g a e ) ，由于蓝藻和细菌很接近也有人称之为 蓝细菌( c y a n o b a c t e ri a ) ，蓝藻适应性广，各种水体都能生长，喜欢高氮 高温。蓝藻门和裸藻门会在营养温度适宜时形成水花，甲藻门是水生动物 的饵料但是过度繁殖时则形成赤潮。金藻门多生活在透明度大，温度低， 有机质含量低的水体中。在温度较低的晚秋冬天生长旺盛。硅藻在各种水 体都能生长，是鱼类贝类以及其他水生动物的主要饵料【7 j 。 常见的浮游藻类有铜绿微囊藻、小球藻、四尾栅藻等。铜绿微囊藻 ( m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a ) 是许多湖泊水华的主要藻种。铜绿微囊藻也 称铜绿微囊蓝细菌，属于蓝藻门，是一种原核生物，其幼体为球形或长圆 形的实心群体，后成为网络状的中空囊状体，随后，由于不断扩展，囊体 破裂而形成网状胶群体，其群体常由几十个、数百个，甚至上千个单体细 胞组成。群体胶被透明无色。细胞球形或近球形，直径3 - 7 微米，蓝绿色， 一般具伪空胞呻1 。多生长于静水中，在春及夏季生长茂盛，常形成水华。 小球藻( c h l o r e l l av u l g a r i s ) 为单细胞、球形、细胞壁很薄，表面光滑。 色素体呈环状，占细胞的大部分。具有1 个蛋白核，有时不明显。藻体非 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 常小，直径通常只有3 - 5 微米，小球藻生态分布广，分布于有机物质丰富 的小型水体中，在水洼、池塘及浅水湖湾中较常见，有时也出现在水边潮 湿的土壤中。小球藻的适应能力是很罕见的，它常出现在其它微藻的培养 液中n9 l 。四尾栅藻( s c e n e d e s m u sq u a d r i c a u d a ) 为四个细胞组成的定形扁 平群体，群体两侧细胞的上下两端各有一个长或直或弯曲的刺。各细胞排 列在直线上，或略作交互排列。中间部分细胞的两端及两侧细胞的外侧游 离面上均无棘刺。细胞为纺锤形，两端尖细；两侧细胞的游离面有时凹入， 有时隆起。细胞壁平滑，为常见的单细胞绿藻汹1 。 2 1 2 附着藻类 附着藻类( a t t a c h e da l g a e ) 是附着在浸没于水体基质表面生长的藻 类，又叫底栖藻类( b e n t h i ca l g a e ) ，周丛藻类( p e r i p h y t o n ) 。依据基 质类型可将底栖藻类分为不同类型m 1 。附石的( e p i l i t h i c ) 藻类生长在坚硬 而又致密的基质上，如花岗岩、大小鹅卵石和大石头，常见的附石藻类有 刚毛藻。附植的( e p i p h y ti c ) 藻类生长在水生植物和其他大型藻类上，附砂 粒的( e p i p s a 舢i c ) 藻类生长在相对坚硬致密的砂粒上。还有生长在有机或 无机沉积物上的附泥( e p i p e l i c ) 藻类和生长在水生动物身体上的附动 ( e p i z o i c ) 藻类。附着藻类的分布受营养物质、水的运动、基质等因素的影 响。一般来说附植物藻类和附石藻类的种类较附泥藻类多，附泥藻类大多 是能移动的，因为它要适应沉积物的搅动而不断的往表面迁移。 常见的附着藻类有刚毛藻，水网藻，水绵，鞘藻等。刚毛藻( c l a d o p h o r a o li g o c l o n a ) 属绿藻门，细胞多核管状，植物体为分枝或不分枝丝状体。 刚毛藻目植物广泛分布于各种淡水、咸水、海水中，世界各地甚至于南极 和北极都有它们的踪迹。水网藻是一种绿藻，属于网藻科，藻体是由许多 长筒形细胞相互连接构成的网状体，由4 6 个细胞连结成多角形的“网眼”。 藻的结集体像网袋，幼时细胞内具有片状色素体，一个细胞核和一个造粉 核。老后色素体成网状，细胞核数也增加。数量增多时，以网状悬浮于水 中。水网藻生长在浅水沟或池塘中，尤其是在含有有机质丰富的水体中， 繁殖很快。水绵是非常常见的多细胞绿藻。水绵属( s p i r o g y r a ) 为接合藻 纲( c o u j u g a t a e ) 水绵科( z y g n e m a t a c e a e ) 中一个很典型的代表。水绵是 由长筒形细胞相连而成的不分枝的丝状体。丝状体通常是漂浮的，丝状体 的断裂是一种营养繁殖方式。在不同种水绵的细胞中有一条或若干条螺旋 带状的位于细胞质周层的叶绿体，其横断面呈t 字形，它向内的凸边为连 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 在细胞核上的很细的原生质丝。水绵主要生长在缓慢流动的河水中和小的 静水池中，大量成堆的漂浮着。一年四季均可生长，特别是春秋两季更多， 春天是大量繁殖的季节，其次是秋季，在生长初期它们是亮绿色的，在衰 亡及生殖时发黄。鞘藻( l y n g b y a ) 属于蓝藻门，藻体为多细胞单列丝状体， 原生质体均匀，鞘分枝，呈胶状。数量多时呈扭结状，聚集成群，易附着 在器壁和填料上，成放射装生长。耐污性好，易于和水分离。 2 2 藻类生长曲线和模型 2 2 1 无限环境中浮游藻类群体生长的数学模型 浮游藻类体积小，多为单细胞，一般情况下，人们也把很多藻类归于 微生物一类，尤其是一些单细胞的浮游藻类，其生长特性类似微生物。所 以我们可以用描述微生物生长的模型来描述浮游藻类。 在一个无限环境中浮游藻类的生长可以用下述一些方程来表示，这是 一种理想的微生物增长模型。一般情况下，用n 表示群体密度，n o 表示起 始群体密度，n 。表示在某一单位时问( t = 1 ) 后的群体密度，n t 表示在时间t 后的群体密度。在一个无限环境中，群体生长速率保持稳定上升，那么 r _ n 。n o ，其中r 表示单位时间的群体增长速率。n 。= n or ，其中表示时 间t 后的群体密度，如果对方程n t = n or 两边取对数，那么 1 0 9n t = 】0 9n o l + t 】0 9r(2-i) 这时以1 0 9n 。做纵坐标，t 做横坐标作图，可以得到一条直线，其中1 0 9 n o 是直线的截距，】0 9r 是直线的斜率，如图2 - 1 。在研究藻类的群体增长时， 如果我们发现n t 的对数与时间t 作图为一条直线，那么就知道这个群体增 长符合种群在无限环境中的增长生物模型，说明这个群体具有恒定的增长 速率，其增长未受其他因素影响，并从直线的斜率可以计算出增长速率r 的值。当胗1 时表示群体上升，当o r i 时，表示群体密度在下降。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 l o g n t l o g n o t 图2 一l 无限环境中的生长曲线 2 2 2 有限环境中浮游藻类群体生长的数学模型 一般情况下上述的理想浮游藻类增长模型是不存在的，也就是说微生 物群体不可能长期连续的呈指数级增长。当浮游藻类在一个有限空间增长 时，随着藻类密度的上升，对有限空间中的培养基营养成分和其他生长所 必须的条件的钟内竞争也将加剧，结果就影响了藻类群体的繁殖速率和成 活率，从而降低了群体的实际增长率，最后停止增长，以致群体有所下降， 如图2 - 2 。p e a rl 和r e e d 在1 9 2 0 年提出了在有限环境中群体生长的方程， 此方程称为l o g i s ti c s 方程。即： 盟：，f k - n ) 出、k ( 2 2 ) 其中： k 表示一个环境条件所允许的最大值，称为环境容量，当群体达到k 值将不再增长。 l o g n t l o g n , m 2 - 2 有限环境中的生长曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 2 - 3 附着藻类的生长曲线 附着藻类的生长曲线也有人进行了研究，图2 3 是在人工合成污水中 培养时间为1 5 天的附着藻类的生长曲线【3 9 1 。从图中很明显看出，附着藻类 的生长曲线呈“s ”型，其生长分三个阶段：延缓期，对数生长期和稳定期。 所以可近似认为附着藻类的生长符合单一种群的增长模式，也即符合 l o g i s t i c 方程。对其进行l o g i s t i c 曲线拟合可得如下方程： n t = k ( 1 + 6 4 19 e - ) ( 2 3 ) 其中： r 2 = 0 9 8 3，r 为上式的相关系数，用于考察曲线拟和的优劣。 n 。为生物量，t 为培养时间，r ( 生长率) = 1 2 1 0 k 环境负载量( e n v i r o n m e n t a lc a r r y i n gc a p a c i t y ) = 1 6 2 2 9 d 。 图2 - 3 附着藻类的生长曲线 2 3 微生物之间的生态关系 2 3 1 一种微生物群体中不同个体之间的相互作用 在一个只由一种微生物组成的群体中不同个体之间也存在正负作用。 如果我们利用生长速率作为计算单位，那么正的相互作用就会增加生长速 率，而负的相互作用就会降低生长速率。从理论上讲，在一定的群体密度 范围内，正的相互作用会随着群体密度的增加而增加如图2 4 所示，而负 的相互作用则随着群体密度增加而减弱如图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 生 长 速 率 生 长 速 率 群体密度 m