藻类生长过程中的生态特性及水华预测方法研究.pdf

上海交通大学 博士后学位论文 藻类生长过程中的生态特性及水华预测方法研究 姓名 黄晓琛 申请学位级别 博士后 专业 环境工程 指导教师 孔海南 20090301 上海交通大学博士后出站报告 藻类生长过程中的生态特性 及水华预测方法研究 摘要 近年来 我国诸多湖库水源地持续面临着蓝藻水华爆发的威胁 在 蓝藻水华爆发数天前进行可靠的预警预报 是蓝藻综合防治和水源地水 质保护的必要前提 寻求一种简便易行 准确性高 成本低廉的预测预 警技术 是当前水体富营养化监测技术的研发方向 本课题研究将传统 的显微观测手段与计算机图像识别及分析技术相结合 用于有害藻类的 识别和数量预测 为藻类水华的预测预警新技术开发提供基础参考 即 通过对铜绿微囊藻增殖过程中形态 数量 光合产氧速率等关键因子的 研究 提取藻类增殖过程中关键形态学和光合特征 根据已提取的特征 对比藻类显微图像进行验证性试验 并针对人工围隔和水库现场藻类增 殖过程开展对比研究 进一步地利用神经网络技术对藻类增殖情况进行 拟合仿真 对其生长状况进行初步预测 所得主要结论如下 1 铜绿微囊藻的比增殖速率和分裂率随培养时间变化 迟缓期 1 3 d 对数期 4 2 0 d 稳定期 2 1 2 5 d 衰老期 2 6 2 9 d 的比增 殖速率u 的变化规律分别为 从o 4 d 1 猛增至1 o d l 左右 在0 2 到1 o d 1 之间波动变化 从o 1d 1 缓慢下降至o o d 一 稳定于o d l 以下 分裂率变 化也有一定规律 从3 0 快速上升至5 0 在3 0 5 0 之间上下浮动 在1 0 1 5 之间波动 从1 5 缓慢上升到3 0 藻细胞面积的变化随培 养时间的增加由小一大一小一大 分别为 从3 5 p i x e l s 迅速增大至1 2 0 1 1 上海交通大学博士后出站报告摘要 p i x e l s 在8 0 1 6 0 p i x e l s 之间波动 从6 0 p i x e l s 逐渐上升到1 2 0 p i x e l s 均 1 2 0 p i x e l s 且呈上升趋势 铜绿微囊藻处于稳定生长期时的叶绿素a 含 量最高9 0 6x1 0 一 t g c e l l 其次是对数期7 8 9 1 0 8 嵋 c e l l 衰老期最低 为4 9 0 1 0 一l x g c e l l 2 当环境温度为2 0 处于对数期 稳定期 衰老期的铜绿微 囊藻 光补偿点分别2 5 0 1 x 9 0 0 1 x 7 8 0 1 x 其呼吸速率分别为4 5 3 7 5 5 1 x m o l 0 2 m g 1 c h la h 1 当环境温度为2 5 c 时 光补偿点分别为3 8 0 1 x 7 2 0 1 x 4 8 0 1 x 呼吸速率分别为6 7 5 7 l 1 7 p m o l 0 2 r a g 1 c h la h 1 处于 不同生长期的铜绿微囊藻在不同培养温度条件下具有不同的呼吸速率和 光补偿点 对数期的铜绿微囊藻具有更强的低光适应性 处于同一生长 期的铜绿微囊藻呼吸速率受温度影响 温度越高 呼吸速率越强 同一 温度下 衰老期藻的呼吸速率显著大于其它生长期 混合深度的变化是 泽雅水库水质变化的重要驱动因素 发现混合深度和藻类密度呈显著负 相关关系 其它监测参数也与混合深度显著相关 p h d o t p 随着混 合深度增加而下降 电导率和浊度则呈相反趋势 3 利用多种人工神经网络对实验室条件下的铜绿微囊藻形态特 征 数量特征进行拟合仿真 并通过前4 d 的藻密度预测此后的铜绿微囊 藻生长趋势 本研究在一定程度上实现了智能模式识别与预测在基于微观方法的 大型水华预报系统中的应用研究 该系统的进一步实现将给国内水污染 的在线自动监测 技术评价以及水华控制提供一个有效的工具 关键词 有害藻华 形态 比增殖速率 光合放氧 光补偿点 预测 i i i 上海交通大学博上后出站报告 摘要 t h ee c o l o g i c a lf e a t u i 之eo fa l g a e p r o l i f e r a t i o na n di t sp r e d i c t i o n a bs t r a c t t r a d i t i o n a le u t r o f i c a t i o n m o n i t o r i n gs y s t e m s c a nn o t p r e d i c t o r p r e v i o u s l yw a r nh a r m f u la l g a lb l o o m h a b b e c a u s et h e yw e r eb a s e do n m e a s u r i n gt h ec o l o ra n da r e a o fd e s t r o y e dw a t e rb o d y t h u sc a no n l y m o r n i t o r i n gh a ba f t e ri t h a so c c o u r e d t h e r e f o r e e x p l o i t i n gas i m p l e h i g h a c c u r a c l o w c o s tp r e d i c t i o na n dw a r n i n gs y s t e mi sam a j o rd i r e c t i o no f e u t r o p h i c a t i o nr e s e a r c h i no r d e rt op r o v i d eb a s i cr e f e r e n c e s f o rp r e v i o u s w a r n i n gt e c h n o l o g i e s i n t h i s t h e s i s h a r m f u la l g a e i d e n t i f i c a t i o na n d q u a n t i t a t i v ep r e d i c t i o nw e r es t u t i e dt h r o u g ht r a d i t i o n a lm e a n so fm i c r o s c o p i c o b s e r v a t i o np l u sc o m p u t e ri m a g ea n a l y s i s t h e k e ym o r p h o l o g i c a l a n d p h o t o s y n t h e t i c c h a r a c t e r i s t i c sw e r e e x t r a c t e dt h r o u g ht h e s t u d yo nt h e v a r i a t i o no fm o r p h o l o g y n u m b e r p h o t o s y n t h e t i co x y g e np r o d u c t i o nr a t ed u r i n gp r o l i f e r a t i o no fa l g a l t a x a m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a t h er e s u l tw a sv e r i f i e db yc o m p a r i n gw i t ha l g a e m i c r o s c o p i ci m a g e s c o r r e s p o n g d i n l y n e u r a l n e t w o r kt e c h n o l o g yw a s u t i l i z e dt os t i m u l a t et h ea l g a lp r o l i f e r a t i o n i na d d i t i o n i no r d e rt ov e r i f yt h e f e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d t h ep r o l i f e r a t i o no fa l g a ea sw e l la st h ec h a n g e so f a l g a es p i c i e sa n dp h y s i o l o g i c a le c o l o g yc h a r a c t e r i s t i c sb e f o r ea n da f t e rt h e w a t e rb l o o mw e r em o n i t o r e di na r t i f i c i a le n c l o s u r ew i t h 必a e r u g i n o s a b l o o m t h em a i nc o n c l u s i o n sa r es h o w na sf o l l o w s 1 t h e r ea r ef o u rp h a s e sd u r i n gma e r u g i n o s ap r o l i f e r a t i o n l a gp e r i o d i v 上海交通大学博上后出站报告 摘要 1 3 d l o g a r i t h m i cg r o w t hp e r i o d 4 2 0 d s t a b i l i z a t i o np e r i o d 21 2 5 d a g i n gp e r i o d 2 6 2 9 d s p e c i f i cg r o w t h r a t ei o ft h ef o u rp r o l i f e r a t i o n p h a s e sw e r ei n c r e a s i n gr a p i d l yi n0 4 1 0 d s t a b i l i t yc h a n g e si n0 2 1 0 d a d e c l i n i n gt r e n di n 0 0 0 1d l i t t l ec h a n g ei na l m o s t 12 0 p i x e l s r e s p e c t i v e l y c h l a c o n c e n t r a t i o no fm a e r u g i n o s aa tl o g a r i t h m i cg r o w t h p e r i o d s t a b i l i z a t i o np e r i o da n da g i n gp e r i o dw e r e7 8 9 x10 一 9 0 6x 10 8a n d 4 9 0 x10 一p g c e l l r e s p e c t i v e l y 2 d i f f e r e n tr e s p i r a t i o nr a t e sa n dl i g h tc o m p e n s a t i o np o i n ti nd i f f e r e n t p r o l i f e r a t i o np h a s e s m a e r u g i n o s aa tl o g a r i t h m i cg r o w t hp e r i o dh a ss t r o n g e r l o w l i g h ta d a p t a b i l i t yt h a no t h e r s a tt h es a m ep e r i o d t h eh i g h e rt e m p e r a t u r e r e s p i r a t i o nr a t e sa r es t r o n g e r a tt h es a m et e m p e r a t u r e r e s p i r a t i o nr a t e sa r e h i g h e s ta ta g i n gp e r i o d t h er e s p i r a t i o nr a t e sa tl o g a r i t h m i cg r o w t hp e r i o d s t a b i l i z a t i o np e r i o da n da g i n gp e r i o dw e r e4 5 3 7 5 5p n o l 0 2 m g q c h la h 1 r e s p e c t i v e l yu n d e r2 0 ca n d 6 7 5 7 117l x r n o l 0 2 m g t c h la h r e s p e c t i v e l y u n d e r2 5 c t h el i g h tc o m p e n s a t i o np o i n tw e r e2 5 0 9 0 0 7 8 0 1 xr e s p e c t i v e l y u n d e r2 0 ca n d38 0 7 2 0 4 8 0 1 xr e s p e c t i v e l yu n d e r2 5 c 3 s u c c e e di np r e d i c t i n gt h eg r o w t ht r e n do fm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a p r o l i f e r a t i o nb ys i m u l a t i n gm o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dg r o w t hc u r v e u s i n g k i n d so fn e u r a ln e t w o r km o d e l s v 上海交通大学博上后出站报告摘要 k e yw o r d s h a r m f u la l g a lb l o o m h a b m o r p h o l o g y s p e c i f i cg r o w t h r a t e p h o t o s y n t h e t i c0 2e v o l u t i o nr a t e l i g h tc o m p e n s a t i o np o i n t p r e d i c t i o n v i 上海空通大学博士后m 站报告 第l 章前盲 第1 章前言 1 1 我国水体富营养化厦藻类水华状况 目前 我国大部分水库 湖泊均出现严重的富营养化现象 成为中国水源的一大威胁 据 国家环保总局2 0 0 6 年中国环境状况公报显示 2 0 0 6 年 全国地袭水总体水质属中度污染 在 国家环境监测网 简称田控网 实际监测的7 4 5 个地发水监测断面中 其中 河瀛断面5 9 3 个 湖库点位1 5 2 个 i 粪 v 粪 劣v 类水质的断面比倒分别为4 0 3 2 和2 8 如 图l i 主要污染指标为高锰酸盐指数 氨氮和石油共等 目1 i2 0 0 6 年地衷m 丽床震麦埘比纠 f i iw a t e 7 q u a j i t y o fs u r f a i n2 0 0 6 个茸控重点湖 库 中 满足1 1 擞水质的潮 库 2 4 占7 i l l 类水质的湖 库 6 个 占2 2 i v 类水质时湖 库 1 个 占4 v 类水质的湖 库 5 4 占1 螂 劣v 粪 承质的潮 库 1 3 个 占4 8 其中 巢湖水质为v 类 太期和滇池为劣v 类 主要污染指标 为总氰和总磷 太湖潮体高锰酸盐指数 总磷年均值分别选到 类 粪水质标准 怛因总氮污染严重 潮 体水质为劣v 类 营养状态指数为6 3 赴于中度富营养状态 与2 0 0 5 年相比 湖体承质无明显变 化 在2 1 个国控监铡点位中 无i 类水质 v 类和劣v 类水质点位分别占1 4 e d 9 8 6 e o 滇 池湖体总体为劣v 类水质 主要污染指标为总磷 尊氪和氪氰 草海处于重度富营养状态 营养 状态指教为7 0 井海处于中度富营养状态 营养状态指数为7 7 与上年相比 外海水质变差 巢 湖湖体水质总体为v 类 主要污染指标为总氟 总砩 与2 0 0 5 年相比 水质有所好转 处于中度 上海交通大学博j j 后出站报告 第1 章前言 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 营养状态指数 为6 0 如图1 2 营养拭盎拯救 臼演选取轰太簸太潮袁漱两l 暗缝密 松蠢嗡麓f l 娩辫埒乎 滞翘蒉瑚潮钬潮鹅舷藏浮溯鞠雅蠢轿饱觏山铺援胡海江岛 淀簪溺堵溯溺滟淹溺鬻承承潮鬻尔拳摩潮 粥 澎券 瘁瘁 簿蓐簿 承 簿跨 图l 22 0 0 6 年重点湖库营养状态指数 f i g 1 2e u t r o p h i ci n d e xo f l a k e sa n dr e s e r v o i r si n2 0 0 6 监测统计的5 个城市内湖中 昆明湖 北京 为 类水质 西湖 杭州 东湖 武汉 玄武湖 南京 大明湖 济南 为劣v 类水质 主要污染指标足总氮 总磷 与2 0 0 5 年相比 昆明湖水质好转 玄武湖水质变差 其余城市内湖水质无明显变化 昆明湖为r p 营养状态 玄武 湖 西湖 大明湖为轻度富营养状态 东湖为中度富营养状态 营养状态指数分别为4 4 5 6 5 6 5 8 6 5 监测统计的1 0 座大型水库中 石门水库 陕西 为i i 类水质 丹江口水库 湖北 密 云水库 北京 董铺水库 安徽 千岛湖 浙江 为i 类水质 于桥水库 天津 松花湖 吉林 为v 类水质 大伙房水库 辽宁 崂山水库 山东 和门楼水库 山东 为劣v 类水 质 主要污染指标为总氮 与上年相比 于桥水库水质由 类变为v 类 水质变差 其它9 座大 型水库水质无明显变化 大伙房水库为中度富营养状态 密云水库为轻度富营养状态 其余7 座 大型水库均为中 贫营养状态 蓝藻是我国富营养化湖库中导致藻类水华的优势种群 最常见的为微囊藻 鱼腥藻 束丝 藻等几种 早在2 0 世纪5 0 年代 安徽农学院就报道过巢湖 湖靛 的爆发状况 并针对 湖靛 的发 生条件 环境危害和综合利用开展了现场调查和实验研究 2 1 6 0 年代 中科院南京地理湖泊研究 所在太湖进行科学考察时曾发现有条状分布的蓝藻出现 3 1 8 0 年代中期以来 我国的滇池 太湖 和巢湖等重要淡水湖泊陆续出现影响范围较大 危害较为严重的微囊藻水华 4 1 迄今为止云南洱 海 5 1 抚仙湖嘲 杭州西湖用 武汉东湖嗍 上海淀山湖1 9 三峡水库 砌 北京密云水库 l i 天 2 驰 勰 o l 上海交通大学博 后 n 站报告 第1 章前言 津于桥水库 1 2 等重要湖库中也都相继发生过不同程度的水华污染现象 在一些蓝藻污染严重的 水域已检测到了藻毒素 m c s 的存在 1 3 l 藻类水华暴发时每升水中多达几亿个藻细胞 化学需氧 量 c o d 和固体悬浮物 s s 等指标亦急剧升高 导致给水厂滤池堵塞 产水量下降 出水 浊度以及m c s 超标等问题 特别是近1 0 年来 三湖 蓝藻水华的持续性 大面积暴发 对饮用水源 地的水质安全和周边流域的生产生活都产生了严重的负面影响 已成为限制这些地区社会经济发 展的不可忽视的负面因子 如太湖2 0 0 7 年5 6 月的水华暴发致使无锡取水口严重污染 直接威胁 数十万群众的饮水安全 影响了当地社会的安定和谐 1 4 1 从我国水体富营养化的现状及发展趋势来看 藻类水华将是长期威胁我国水环境安全的重大 问题 因此富营养化防治研究会成为今后水环境研究的重大主题之m 0 5 1 虽然自 哕i 五 以来 我 国政府设置安排了各类重点科研项目资助该领域的研究工作 如在 十五 期间 就有 9 7 3 项目 湖 泊富营养化过程与蓝藻水华暴发机理研究 国家重大水专项 8 6 3 颂目 太湖水污染控制与水体 修复技术及工程示范 等 并取得一系列具有重大科学意义和工程实用价值的研究成果 但是迄 今为止 该领域的一些关键问题如入湖生源要素的地球化学循环及其失衡机理 藻类水华发生机 制及其控制对策 湖泊水生态系统受损 退化与修复机制等仍有待深入思考和研究 1 2 国内外有害藻华 h a b 防治及监测的研究现状 我国有害藻华研究的初始阶段为1 9 5 2 1 9 7 6 年 这一阶段主要是从1 9 5 2 年原中央水产所记 述发生于黄河口范围约1 4 6 0 平方公里夜光藻赤潮及危害 后经费鸿年在 学艺杂志 正式发表 这一文章为开始的 自八五以来 陆续开展了大规模 涉及多学科的 中国东南沿海赤潮发生机 理研究 1 9 9 0 1 9 9 4 近海富营养化评估和赤潮预测技术研究 1 9 9 0 1 9 9 5 典型海域有害赤 潮生态学与海洋学研究 中国沿海典型增养殖区有害赤潮发生动力学及防治机理研究 1 9 9 7 2 0 0 0 等国家重要赤潮研究项目 目前主要的研究方向包括 1 赤潮藻分类与生物学特征研 究 主要包括赤潮生物种类鉴定 生活史 甲藻孢囊研究等 尝试性的应用分子生物学手段对一 些微型赤潮藻进行分类界定 2 赤潮藻的营养动力学和赤潮暴发的环境条件研究 主要包括分 析与赤潮藻生长和赤潮暴发有关的主要环境条件 如温度 盐度 光照 营养盐等 3 有害赤 潮的藻毒素 生态毒理学及其监测和管理 4 典型增养殖海域有害赤潮生消动态过程和机制研 究 通过在我国南北海域设立赤潮观测站 对重要增养殖区赤潮发生过程进行观测 跟踪调查和 分析 5 赤潮藻和食物链的关系研究 进行了藻 菌关系 如细菌侵入对赤潮藻细胞的消亡作用 藻 藻关系 如微型原甲藻与中肋骨条藻的相伴出现 浮游动物的摄食作用等的初步研究 6 赤 潮灾害的防治对策及其机理研究 由于赤潮本身的复杂性 还没有理想的治理方法 因此 目前 主要采取预防与治理相结合的原则 以预防为主 初步提出了包括控制营养盐入海负荷 合理控 3 上海交通犬学博 l j 后f 站报告 第1 章前言 制养殖面积 生物净化等防治措施和直接杀死法 凝集剂沉淀法和天然矿物絮凝法等在内的治理 方法u 6 2 0 但是 我国赤潮研究在整体水平上还相对落后 许多领域的研究尚处于起步阶段 尤 其是高科技在赤潮研究的应用上还微乎其微 迄今为止 在世界各沿海国家中 美国的赤潮监测 预报技术最为先进 管理系统最为完善 2 美国开始在国家 联邦 层面上处理h a b 问题始于1 9 9 3 年的 有害藻华国家计划 h a b n a t i o n a lp l a n 以及随后1 9 9 8 年的 有害藻华和低溶解氧研究和控制法案 h a ba n dh y p o x i a r e s e a r c ha n dc o n t r o l a c t h a b h r c a 美国海洋资源部 d m r 从1 9 9 6 年开始组织受过培训的 志愿者收集浮游植物样品瞄 向监测部门提供水温 盐度 浮游植物种类等数据 每周至少有 8 0 位这样的志愿者参加此项工作 大大提高监测部门的工作效率 及早发现赤潮信息 2 0 0 4 年 美国国会通过了 有害藻华和低溶解氧修正法案 i l a ba n dh y p o x i a a m e n d m e n t s a c t p l l 0 8 4 5 6 重新设置了处理有害藻华和低溶解氧事务的跨部门专责小组 h l t e 吼g 即c y t a s k f o r c e 布置了五份报告 设置了研究项目资助基金 为了治理a p o p k a 湖 佛罗甩达州政府专门 通过7 a p o p k a 湖法案和地表水改善和管理法案 同时指派圣约翰斯水资源管理局具体负责整治 工作 2 3 1 日本早在1 9 8 4 年实施了 湖泊水质特别保护措施法 旨在对琵琶湖 霞浦湖等十个富营养 化非常严重的湖泊实施综合性的 有计划的水环境保护 要求包括霞浦湖在内的这十个湖泊所在 各区制定并执行一个水保护计划来改进湖泊水质 日本水产厅下属的9 个研究所中有6 个是区域性 水产研究所 其中的4 8 个水产试验场隶属于各县地方政府 3 3 万渔民隶属于2 1 5 2 个渔业合作协会 形成了水产厅 水产研究所 县水产试验场 渔业合作协会 渔民的管理体系 2 4 l 每年水产厅拨款约 2 0 0 0 万日元用于赤潮监测研究 每个县的水产试验场已经做了1 6 年以 1 的赤潮观测研究 组织渔 业合作协会的渔民进行赤潮和贝类毒性调查研究 1 3h a b 发生机理及相关因子监测 1 3 1 藻类增殖的基础条件 温度对藻类的新陈代谢和生命活动产生重要影响 水温升高 藻类的生理活性加大 对营 养物质的利用效率提高 比增殖速率上升 一般而言 较高温度有利于蓝藻的生长 这是由于蓝 藻的d n a 与光合作用系统的热稳定性等形成了高温适应机制 2 5 大多数淡水蓝藻和绿藻适宜生 存于2 0 c 以上水体中 但少数绿藻在低温时期仍能保持一定丰度 硅藻 隐藻 甲藻则能够在 温度较低水体中生长 2 6 1 水温的变化对湖库藻类生物量和藻类种群结构产生着较为显著的影响 有关热排水环境影响的研究显示 在春秋冬三季 增温对浮游藻类种数 密度和生物量均起促进 4 上海交通人学博士后出站报告 第1 章前言 作用 在夏季高温则引起蓝绿藻数量增加和硅藻明显减少 2 7 1 在严重富营养化的太湖 现场监 测显示微囊藻和颤藻在夏季和春秋两季占据优势 2 s 有研究认为两种藻类在不同温度条件下的 比增殖速率 生长周期的差异是种群季节更替现象的关键原因 2 9 1 另一方面 较高的水温可形 成热成层现象 3 0 l 近来有观点认为在深水湖库中 温度并不是直接作用的环境因子 而是由于 水层温度不均造成水体混合状态发生转变 从而间接地对藻类生长和种群演替产生复杂的交互作 用 3 i i 氮磷营养盐是藻类生长所必需的生源要素 是影响藻类生长的另一重要环境因子 历来主 流观点认为要想控制藻类水华暴发 必须削减湖库氮 磷的污染负荷 降低水体中氮 磷的浓度 合适的光照 温度 p h 值和充分具备营养物质的条件下 藻类光合作用的总反应式为 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 c 1 0 6 h 2 6 3 0 儿0 n 1 6 p l 藻类卜1 3 8 0 2 1 1 从藻类化学组成c 1 0 6 h 2 6 3 0 1 1 0 n 1 6 p l 可以看出 生产l k g 藻类 需要消耗碳3 5 8 9 氢7 4 9 氧4 9 6 9 氮6 3 9 磷9 f 3 2 l 根据l i e b i g 最小因子定律 植物的生长取决于外界供给它们的养分中最少的一 种 因为磷在环境中相对缺乏 因此磷常常是最重要的藻类生长的限制性因子 现有研究已证实 湖库磷污染负荷与藻类生物量及叶绿素a c h l a 具有高度相关性 i 叼 过去的研究认为氮索也对 藻类同样具有限制作用 但由于许多蓝藻可以通过固氮作用得到氮元素 因此与磷相比 氮作为 湖泊水库富营养化的限制因素 处于次要地位 3 3 1 最近基于长期的实验湖沼学研究的结果对氮 的限制性作用也提出了质疑 认为无论t n 是高是低 t p 始终是浮游藻类群落的限制因子 虽然 t n 也与藻类总量显著相关 但这只是氮与磷密切关系的间接反映 蚓 另一方面 削减氮的输入 可大大促进固氮蓝藻的发展 只要磷充足且有足够的时间 固氮过程就可使藻类总生物量达到较 高水平 从而使湖泊保持高度富营养状态 氮磷比对藻类的影响也具有争议 早期许多研究认为 氮磷比较低时蓝藻容易成为优势种群 蝎j 而近期一些研究则提出氮磷比的改变只不过是蓝藻增 殖的结果而已 3 5 1 光照足藻类生长的最基本条件 藻类光合作用分为需光的 光反应 与不需光的 暗反应 两个 阶段 在光反应阶段 叶绿体 或叶绿素 在光照射下将无机磷源 a d p n a d p 转化为a t p n a d p h 在暗反应阶段 a t p n a d p h 在还原性的铁氧还蛋白等调节剂的酶促作用下 将c 0 2 同化为糖 3 6 用光合作用速率对光照度作的曲线叫光响应曲线 又p t l p i 曲线 图1 1 是光合作用 的光响应曲线图 在弱光照度下 光响应曲线为倾斜的直线 此时处于光限制过程 植物生物鼍 与光照度成正比例关系 当光合作用的速度处于光限制时 暗反应所需要的a t p n a d p h 等不 能从光反应中得到充分的满足 因此其反应速度受到限制 当光强逐渐达到饱和时 光反应产生 5 上海交通人学博t 后 f 站报告第1 章前言 了大量的中间产物 暗反应的反应速度已经跟不上转化的速度 光合作用速率不再随着光照度的 提高而提高 曲线逐渐同横轴平行 图1 1 中的p i 曲线代表了各种植物光合速率与光照度的一般 关系 曲线倾斜的部分相当于光合作用受光照限制的范围 水平部分为饱和光强 水平部分的高 低依赖于植物的种类和生态类型 i k 是p i 最初直线上升部分和曲线水平部分延长线的交点在横轴 的对应点 它表示光合作用达到最大速率时的光照度 在自然水体中藻类的光响应曲线与图1 1 中的理论曲线是有区别的 一般采用p l a t t 的描述p 刀 如图i 2 p p m 1 一 e p 确a 1 2 式中p 为光合速率 i 为光强 a 为光限制曲线斜率 p 为光抑制曲线斜率 p m 为最大光合 速率 i b 为光强度过高光合作用开始受到抑制时的光照度 由上面公式可得 当i i b i k 时 为光抑制现象 光对藻类的生长有抑制作用 当i b i k i 时 为光限制现象 光对藻类的生长有限制作用 当i b i i k 时 为光饱和现象 光适合藻类生长 图1 2 中的光抑制现象是当光照度较高时 强光造成细胞中的p s h 光活性丢失 从而造成 光量子吸收量下降 光合作用速率受到强光抑制 而光限制过程则是光照度较低时 光反应产生 较少的a t p n a d p h 造成暗反应速率下降 即光合作用速率也逐渐下降 当光合作用速率随 光照度降低到一定程度之后 光合作用产氧速率便等于呼吸作用耗氧速率 此时的光照度称为光 补偿剧3 8 1 0 a 图1 1 光响应曲线 f i g1 1l i g h tr e s p o n s ec u r v eo f p h o t o s y n t h e s i s 6 l 海交通大学博士后 b 站报告第1 章前言 0 图1 2 现场光响应曲线变化图 f i g1 2o n s i t el i g h tr e s p o n s ec u r v eo f p h o t o s y n t h e s i s 1 3 2 水文气象条件对藻类水华发生的作用 水华形成的原因复杂 不仅仅是一个简单的物理化学过程 而是一个包含物理 化学 生物 过程沉淀 吸附 解吸和生物降解之间相互作用的综合过程 3 9 据报道 三峡水库蓄水后 2 0 0 4 年3 4 5 6 月库区支流曾出现 水华 现象 2 0 0 5 年分别在3 5 6 月份也发生 水华 王 海云等分析 特殊的水库运行水文情势是形成 水华 的重要条件 建坝蓄水后水文情形的改变 必定对水生态系统中生物的群落结构及其演替产生影响 水文情势通过水位或水滞留时间的调 节 使流速变缓 对营养物质藻类组成和现存量进行调控 影响水体富营养化进程 有利于营养 物质沉淀 不利于进人水库后的污染物扩散稀释 为藻类疯长创造了有利的条件 海洋巾发生的赤潮不仅仅是单纯的生物生态问题 而是在海洋动力环境等多种条件控制下的 生物生态问题 删 环境条件是直接驱动赤潮产生与消亡的外因 在赤潮研究中 需要监测的因 子包括了海面气温 表层水温 气象变化 水动力条件 盐度 溶解氧 透明度等 温度和盐度 是诱发赤潮的两个重要因素 许多研究表明赤潮的发生与温度盐度变化状况密切相关 赤潮多发 生在温度较高 2 3 2 8 盐度较低 2 6 3 7 时 温度和盐度的变化速率也与赤潮发生有关 温度在 短时问内增高较快及盐度较急剧f 降是发生赤潮的重要条件 从生态学观点来看 温度的剧烈变 化可能引起生物群落的更替 一旦其它环境条件适合 则具有了发生赤潮的可能性 统计分析表 明 温度对生长率影响最大 其次为盐度及二者的交互作用 张朝贤发现孢囊发芽过程对温度敏 感 适宜温度下能大量萌发 形成赤潮 4 盐度变化也受到营养盐浓度的影响 分析表明盐度 与n 0 3 n p 0 a p 负相关 与n h 4 n 正相关 而与n 0 2 n 关系不明显1 4 2 徐家声 4 3 以黄骅近海海区水动力条件对赤潮生消影响为例 强调了跟踪监测水动力条件的 7 上海交通大学博 十 后 5 站报告 第l 章前言 重要意义 他指出1 9 8 9 年8 9 月间 该区发生的特大赤潮 它的形成与扩散就是有利的水动力 条件促成的 首先在水动力作用下 赤潮生物聚集 然后通过余流将赤潮生物扩散 形成全区性 大赤潮 在余流作用下 由北向南 赤潮生物的数量出现逐渐减少的趋势 证明余流具有携带赤 潮生物的能力 离赤潮发生地越远 余流带去的赤潮生物越少 该区赤潮的形成与扩散路径与该 区水动力系统 特别是与余流流向的一致性 充分反映水动力对赤潮的控制作用 另外 许卫忆 等 在对1 9 9 8 年春实际发生在香港海域的赤潮生消全过程进行动力机制数值模拟研究时发现 水流的扩散能力对赤潮的发生起作用 当赤潮藻的自然增长率大于蔓延速率时赤潮就能发生 反 之赤潮就不能发生 天气状况与水华的生消变化关系也非常密切 浮游植物的生长与大量繁殖需要适量的光照 度 水华多发生在晴间多云的闷热天气 而消退均在阴雨或明显降温的期间 水体透明度 或者 浊度则是近年来逐渐被研究者所重视的凶子 何文珊 4 5 等研究了高浓度悬沙对长江河口水域初 级生产力的影响表明 长江径流挟带的悬沙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 浑浊带悬沙的消光作用强于营养盐释放作用 抑制了长江口门区的初 级生产力 使口门区的浮游植物生物量及密度显著低于附近水域 削弱了河口水域生态系统对径 流过剩营养盐的吸收 同化功能 间接增加了口门外水域的营养盐浓度 成为邻近海域赤潮频发 的潜在因子 1 4h a b 的监测技术 1 4 1 富营养化水体监测模式 传统的监测技术模式为考察船出海 海洋现场布点取样 凹归实验室数据分析 这仍是我国目 前的许多研究单位的工作模式 国外已有很多先进的赤潮自动连续监测站 日本尤为突出 他们 的赤潮环境参数监测系统有观测站 驳船 自动测量仪器 自动取样装置和无线电遥测系统几部 分组成 其主体观测站是一个半潜式浮标 标体大小约为6 0 m 4 5 m x 4 7 m 内装各种分析仪 器可自动连续监测硝酸盐 亚硝酸盐 铵盐 磷酸盐 总磷 硅酸盐 c o d d o p r 盐度 浊度及叶绿素等参数 国内李林奇1 4 6 等人最近也研制了类似的水质监测浮标 并在宁波镇海海 域做了现场对比实验 为该技术在国内的应用提供了基础依据 十五 期问 船载海洋生态环 境现场监测集成示范系统取得了重要进展 研制出2 5 套海洋生态环境监测仪器和系统 实现了对 化学耗氧最 生物耗氧量等近3 0 种生态环境参数的高精度连续监测 建成了渤海生态环境海空立 体准实时综合监测示范系统 初步完成了系统集成平台和数据库建设 集成了环渤海的海洋监测 台站 国家海洋局北海海洋环境监测船只以及海监飞机等海洋环境获取平台h 引 海洋监测技术的 8 卜海交通大学博十后 站报告第1 章前言 发展推动了赤潮监测技术的综合化 全面化 1 4 2 卫星遥感监测技术 近年来 h a b 监测最引人注目的发展是水华卫星遥感监测技术的应用 卫星遥感技术具有 快速 同步和大面积监测水体的特点 对监测突发 持续时间短和影响范围较大的水华灾害不失 为一种理想的监测手段 近年来 它的研究和应用受到国内外更加广泛的关注和重视 理论依据 是水华生物细胞颗粒与悬浮泥沙一样 对入射太阳光有较强的散射作用 水华发生时 高浓度的 水华生物悬浮在表层海水中 使水华水体的反射率高于正常水体 水体水温也显著上升 水色卫 星依据光辐射原理 还能对水体中叶绿素a 泥沙的分布做及时的监测 随着遥感技术的不断发展和对水质参数光谱特征及算法研究的不断深入 遥感监测水质逐渐 从定性发展到定量 并且通过遥感可监测的水质参数种类逐渐增加 包括叶绿素a 浓度 悬浮物 浓度 黄色物质浓度等 反演精度也不断提高 吴传庆 4 8 等利用遥感技术快速 大尺度 动态 监测的特点 基于多个时相的t m 影像对太湖的水温 悬浮物 叶绿素等水质参数的浓度和分布进 行了遥感反演 进而对太湖水华的成因 发展程度 影响因素等方面进行分析 从而对太湖水华 发生的特点 太湖的水质情况进行全面的了解 1 9 9 5 年至1 9 9 7 年国家海洋局第二海洋研究所开展了 海洋水产养殖区赤潮监测及短期预报 试验研究 该项目成功地监测和预报了发生在浙江等海区的赤潮 开国内赤潮卫星遥感实时监 测和预测的先河 在国家的资助下 1 9 9 7 年在国家海洋局第二海洋研究所建成了我国海洋水色 遥感应用技术系统 4 9 1 该系统包括资料接收 图像预处理 资料查询和分发 试应用以及辐射 同步比测等子系统 此后 国家海洋局有关单位相继将卫星遥感技术应用于赤潮的业务化j l f 测 例如 国家海洋局第二海洋研究所在国家海洋局和浙江省海洋与渔业局的资助下 正在开展 利 用多星遥感资料监视赤潮 和 浙江海区赤潮灾害的卫星遥感实时监测 从1 9 9 9 年开始国家海洋 局已正式将赤潮卫星遥感和监测纳入了全国赤潮监测计划 2 0 0 2 年 首次利用国产卫星成功实 现了大洋环境信息的分析 通过国家海洋环境监测渠道发布赤潮卫星遥感监测通报7 期 经海上 验证 通报准确率在5 7 以上 5 0 l 卫星遥感在我国赤潮探测和监测中的应用正在逐渐走向定量 化和业务化 但遥感技术也有其缺陷 1 重复观测间隔与空问分辨率难以两全 我国目前可用于赤潮探 测的观测卫星有多种 但因为太阳同步轨道的原因 难以在空间分辨率与重复观测时间之间得到 满意的选择 2 易受天气影响 目前能用于赤潮相关因子监测的卫星遥感技术是可见光 近红外 热红外波段 其本身易受云层覆盖的影响 特别是华南地区多云多雨天气对其监测结果影响较大 以珠江口及其邻近海区为例 全年能有效接收的图像数据 无大面积云层覆盖 仅为6 0 7 0 幅 平 9 上海交通大学博 后出站报告 第1 章前言 均5 6 天l 幅 以这样的监测频率 很难进行有效的赤潮监测 3 波段的限制 4 遥感技术仅 能获得海洋表层的有关信息 遥感技术是利用电磁波探测的技术 无论是利用太阳光的被动式遥 感 还是主动式遥感 都只能探测海洋表层的相关信息 而海洋是一个复杂的三维动态系统 5 技术方法尚未完善 赤潮大多发生在沿岸海域 即二类海水海域 该区水动力状况复杂 地形影 响 咸淡水混合 悬浮泥沙含量大 水底背景反射影响等原因 给赤潮相关因子的遥感探测增 加了很大的因难 以海水叶绿素为例 由于悬浮泥沙等黄色物质的存在 导致了叶绿素光谱段向 长波方向移动的现象 从而使利用光谱分析的方法探测叶绿素浓度精度不高 影响了赤潮监测 预 报 研究的深入开展 1 4 3 基于图像和光学处理的藻类分析监测技术 目前国内外对水体中有害藻华浮游生物的光学测量 主要有两类方法 一是显微镜分析法 通过实验室或 围隔 生物培养优势水华藻 利用显微镜 采样分析 目前已建立了多种有害藻 的显微图谱 但由于现场水体中的水华藻是与悬浮沙等多种悬浮物混合在一起 尤其沿岸河u 和 海湾海水中混有大量泥沙 直接应用图谱识别现场水体中的水华藻还存在很大困难 另一类是通 过测量海水的吸收 散射和荧光特性来完成 如美国围家基金会资助研制的叶绿素吸收测量装置 d z a n e v e l d 博士领导的俄勒冈大学海洋光学研制组与西部环境技术实验室 w e t 合作 研制的 六波长吸收系数测量仪 该仪器是在w e t 波长叶绿素a 吸收测量仪基础上开发出来的 它可以 测量6 7 6 n m 6 5 0 n m 和7 1 5 n m 的光吸收特性 能测量叶绿素吸收的绝对值 其分辨率等于或好于 标准荧光计 w e t 为美国海洋研究实验室制造的a c 9 九波段吸收系数测量仪 采样速率为每秒8 次庐 徐瑶 弛 针对富营养化湖泊微囊藻及有毒微囊藻的暴发问题 采用实时荧光定量p c r 方法监 测研究玄武湖水体蓝藻周年变化 建立了微囊藻j i f 测新技术 此技术对玄武湖微囊藻的检出率为 1 0 0 而常规镜检法只有7 3 匈牙利的l s t v k n o v i c s 等 5 3 j 利用在线延迟荧光激发光谱连续监测浮游植物动态 成功应用于匈 牙利的b a l a t o n 湖 具有不同色素构成的浮游植物当它们具有光合活性的时候 利用延迟荧光 d f 激发光谱测定的它们的构成和生物量 结果和显微镜计数的结果吻合很好 荧光光谱数据可以根 据经验公式转换成叶绿素a 的含量 目前总生物量的检测限大约是lm gc h la m 一 但是当低t 5 m g c h l a m 3 的时候 计算浮游植物构成的结果的可信度大大下降 日本国立先进工业科学和技术研究所t a t s u r oa k i b a t o m o h i r oh o r i u c h i 等 4 5 j 采用浮游生物及 悬浮颗粒物的连续监测技术 对商径为l o 微米到几毫米的浮游生物及悬浮颗粒物 s u s p e n d e d p a r t i c u l a t em a t t e r s p m 大的浮游植物如硅藻 浮游动物 无机颗粒 进行计数 他们应用流 1 0 上海交通大学博 后出站报告第1 章前言 式细胞技术设计的具有浮游植物分类荧光照相功能的连续照相系统 5 4 通过荧光来对具有不同 色素的细胞进行分类 能测定非球形的和大于2 0 p m 的细胞 f 1 2 0 世纪7 0 年代末以来 由于数字技术和微机技术迅速发展给数字图像提供了先进的技术手 段 图像科学也就从信息处理 自动控制系统理论 计算机科学 数据通讯等学科中脱颖而出 成长为旨在研究图像信息的获取 传输 存储 变换 显示 理解与综合利用的崭新学科 g 1 1 h d o i 0 p o u l o s 采集6 7 个幼虫单体