藻类爆发的成因、危害及对策分析

李雨萱 ,汤文静，刘强

（徐州工程学院 环境工程学院，江苏徐州221018）

摘 要：水是人类赖以生存的自然资源,但随着工业和社会发展,水污染问题越来越突出。湖泊（水库）富营养化成为水污染的主要类型之一,藻类水华是水体富营养化的典型表现,给自然景观和人类健康造成了恶劣影响。本文主要介绍了藻类水华产生条件及爆发的危害，论述了藻类问题的成因，重点分析了目前藻类问题的治理方法，尤其是其物理方法和生物方法，并对未来藻类水华治理研究进行了展望，以期达到更好治理效果。

关键词：藻类水华；水污染；治理方法

1引言

随着人类活动对全球水环境的影响, 水体富营养化和水华现象成为世界性的环境问题。水华是水体富营养化发展到最高阶段的一种表现形式^[1],河湖藻类问题在全球范围内普遍存在，尤其是在气候变暖、水体富营养化加剧的背景下，藻类过度繁殖 (即水华现象)成为了一个不可忽视的环境问题。藻类问题的普遍性体现在不同类型的水体中，如淡水湖泊、河流、近海水域等，都可能出现藻类大量繁殖的现象。

2藻类问题概述

2.1藻类生长条件

藻类是一类单细胞或多细胞的生物，广泛分布在水生环境中。它们通常是以光合作用为主要代谢方式，因此环境光线、温度、营养物质等因素对其生长非常重要。藻类生长条件主要有光照条件、温度条件、营养物质、pH值。

2.2藻类爆发的危害

（1）藻类爆发式的繁殖会大量消耗水体中的溶解氧，造成水生群落中鱼、虾、贝类等其他物种死亡，物种趋向单一，水体功能发生退化，导致整个生态系统失衡。

（2）藻类大量生长使水体透明度下降，沉水植物大量死亡，并且藻类死亡后会散发有毒物质及腥臭味，不但影响水体景观还会影响周边的空气质量。

（3）同时, 多种藻类分泌的藻毒素, 通过食物链在原生动物、贝类、虾、鱼等体内积累, 严重威胁水产养殖业及人类生命安全^[2]。此外, 藻类大量堆积岸边死亡后散发恶臭,大大降低水体的景观价值。

2.3藻类问题的成因：

水体富营养化是藻类水华发生的主要原因。根据国内外的相关研究成果，藻类水华需要具备以下五个条件。

2.3.1 适宜的氮磷比（N/P）

氮、磷是藻类生长繁殖和再生所需的重要营养元素，目前研究发现，氮磷这两种营养盐的比例（N/P）对浮游藻类种群组成的影响比氮、磷单因子浓度的升高对藻类种群组成的影响大。藻类细胞组成的原子比率C∶N∶P=106∶16∶1，研究表明，当氮磷比在10:1~25:1范围时，藻类生长与氮、磷浓度存在直线相关关系；氮磷比在12:1~13:1时最适宜藻类生长。此外，如果氮磷比超过16∶1，磷被认为是限制性因素；反之，当氮磷比小于10∶1时，氮通常被考虑为限制性因素;而当氮磷比在10~20之间时，限制性因素则变得不确定。

2.3.2 铁、硅等微量元素

适量铁、硅是水体中的微量元素，由于铁是水体氮循环过程发生所需的各种酶的重要组成成分，因此铁是氮营养盐循环过程中的决定性因素。当水体中铁的含量较高时，合成的硝酸盐、亚硝酸盐还原酶的活性增强，更多亚硝态氮被还原，从而降低水体氮含量，使得氮成为藻类生长的限制因素，水体富营养化发生的几率得到降低。根据相关实验，当水体中氮磷比为40：1，铁离子浓度为1.2 mg/L时，藻类的生长速率达到最大值；当铁离子浓度为0时，藻类基本不生长；当氮磷比为80：1或铁离子浓度为4.8 mg/L，藻类生长受到抑制。因此，在控制藻类生长时，不仅要控制水中氮磷比，同时需要控制铁离子浓度。当水体中磷硅比升高时，水体中的浮游生物以鞭毛虫为主，鞭毛虫占主体时，水体更容易发生富营养化；当氮硅比降低时，水体中硅藻属为优势浮游生物，水体富营养化发生的机率小。

2.3.3 适宜的光照、温度和溶解氧条件

光照强度的大小是影响藻类生长的重要因子，光合作用的速率因光照强度的变化而发生变化。温度则主要通过影响水生植物生命活动所需酶的活性，从而引起酶促反应的反应速率不同来影响藻类的生长。通常10℃～20℃的温度范围下，温度每升高10℃，浮游植物将提高一倍多生长率。

水体中溶解氧含量降低会引起水生浮游动物缺氧死亡，浮游动物的死亡将减少对水体中氮磷营养盐的消耗，并且浮游动物死亡后尸体的分解会释放出大量的氮磷，造成水质的恶化和水体生态环境的失衡。

2.3.4 适宜的水动力条件

藻类存在一个最适合其生长的临界流速，而当流速增加到一定程度时则会限制藻类生长，不同的藻类、不同环境条件下流速值不完全相同。根据相关研究，对于河道而言，最利于铜绿微囊藻生长的临界流速为0.30 m/s，当流速大于0.50 m/s时微囊藻几乎不再生长；对于湖泊而言，一定强度的风浪有削弱藻类水华的作用，但是微风则有利于藻类的聚集。

3藻类治理方法

藻类水华发生的根本原因是由于水体富营养化导致的水生态系统失衡，营造稳定平衡的健康水生态系统是关键。水生态系统的修复不可能一朝一夕完成，因此在坚持进行系统治理的同时，我们需要重视各类治理手段的综合运用，采取必要措施以应对藻类水华，最终达到标本兼治的目的。现阶段采用的治理措施主要分为：物理方法、化学方法和生物方法。 

3.1物理方法

物理方法包括机械打捞﹑气浮技术﹑超声波法﹑吸附法﹑过滤法等。使用机械打捞清除蓝藻水华, 能够快速清除大量湖面蓝藻^[3]，物理法除藻是利用某些设备、器材直接去除水体中的藻类，同时不会产生二次污染的方法，但其去除成本相对较高，主要方法有：过滤除藻法、气浮除藻法、机械除藻法、黏土矿物除藻法和超声波控藻法等。

3.1.1 气浮除藻

气浮法除藻是由溶气系统供应溶气水，通过水中气泡粘附水中藻类，使其浮于池面，用刮渣机刮除。气浮除藻是通过物理方法将藻从水中上浮分离，非常适合藻类去除，除藻效果良好，并且不会产生不利影响，感官指标也有较大改观。气浮工艺需增加回流压力水和溶气系统，投资及运行费用有所增加，操作管理难度也有所提高。气浮工艺除藻效果良好，但不彻底，如藻类高达1亿以上时

3.1.2 人工机械除藻法

人工机械除藻是目前最为普遍、成熟的应急方法，通过打捞堆积在近岸带的藻类，以解决“表观藻华”，削减次生灾害。值得肯定的是，这种方法几乎不会产生生态风险。本文介绍一种“大型仿生式水面藻类清除设备”，它采用了仿生式的技术原理，模仿鲢鱼滤食藻类的方式，适用于藻类中微囊藻、鱼腥藻等常见种类的去除。

“大型仿生式水面藻类清除设备”以纯物理方式过滤藻类，不添加任何药剂，整个工艺流程经济环保，对肉眼可见藻类去除率达到99%以上，藻类总体去除率可达70%以上。

3.1.3 粘土矿物除藻法

考虑到磷常常是影响藻类生长的关键性限制因子，控制水体磷含量可以有效抑制藻类生长。工程中常采用镧铝复合锁磷材料降低水体中磷含量。锁磷材料的改性基础材料取自天然的多孔粘土材料，经过物理化学以及水热合成的一种含钙、铝等多孔粘土多功能材料，主要功能是能够有效抑制底泥界面磷释放并迅速固定水体中溶解性磷酸盐，材料质地坚硬，为不规则棒状，对磷的固定容量在8-12mgP/g左右，能针对不同浓度的磷进行去除，在极低（0.5 mg/L及其以下去除率大于99%以上）以及高浓度（200mg/L去除率接近80%）均有较好的去除率。

3.2化学方法

化学方法主要是指用化学杀藻剂及絮凝剂来达到除藻﹑抑藻的效果。美国科学家在20世纪70年代开始先后使用硫酸铜等多达数千种化学药剂进行海洋水华生物的灭杀试验,结果表明,符合各个方面要求的较少, 大多存在起作用剂量较大, 对非水华生物有影响, 不能在水体中短时间消散等问题。

目前, 我国杀藻剂多用铜盐, 硫酸铜是最早用于杀藻的化学试剂之一,其主要原理是铜离子能抑制藻细胞内藻胆体光合作用,一定浓度的铜离子会抑制藻细胞生长最终导致藻细胞死亡。但铜类试剂具有毒性,对其他动植物的生长发育有影响, 会产生二次污染, 破坏近岸生态系统, 对藻类水华的控制也只能起到短期的效果^[4]。高锰酸钾、氯气、过氧化氢、二氧化氯等氧化物多用于给水处理中的藻类去除, 但易产生有毒害的副产物, 应用受到一定的限制^[5] 。

3.3生物方法

生物方法是利用生态系统内部的调节机制，如某些高等水生植物的化感作用抑藻，或者某些浮游动物、水生动物的捕食原理，来抑制藻类繁殖生长，从而达到控藻的目的。相较于物理和化学方法，生物方法对环境更加友好，能够做到标本兼治，但处理周期较长。目前，生物方法可分为水生高等植物抑藻法、水生动物控藻法和微生物控藻法。

3.3.1 水生高等植物抑藻法

某些水生高等植物不仅在其生长过程中吸收水体中的氮磷营养盐，而且还能分泌一些化感物质，化感物质能够通过破坏藻细胞结构，抑制藻细胞光合作用活性，损害藻细胞内蛋白质活性，影响关键酶活性等途径抑制藻细胞生长。该方法主要包括水生植被恢复技术、人工湿地技术及浮床技术等。例如在太湖藻类治理中，大力恢复芦苇湿地，分区恢复沉水植物，种植紫根水葫芦都是运用了水生高等植物抑藻法。

“水下森林”技术也是抑制藻类的有效方法。沉水植物整体位于水下，通过捕获悬浮物、促进颗粒态磷沉淀、根叶吸收底泥和水体中氮磷等营养物质、根际微生物加速反硝化作用、释放化感物质抑制藻类生长、提高水体溶解氧和透明度、为浮游动物提供庇护、优化鱼类种群结构等途径，推动湖泊生态系统向着健康状态转变，是具有最佳水质改善效果的水生植物类群。对于河湖中水深较大、缺少光照的区域，如果直接在河底栽种沉水植物，将难以成活，此种情况下可以考虑采用沉水植物悬床技术，人为调节沉水植物在水下的深度，确保其正常健康生长，发挥其抑藻作用。

3.3.2 水生动物控藻法

关于藻类与滤食性浮游动物之间的相互关系已有大量研究。藻类在生态环境中属于生产者, 大多数水华藻类通常是浮游动物的直接饵料, 也是其他水生动物的直接或间接食物。在湖泊和海洋水生态系统中, 藻类生物量的下降往往伴随着原生动物数量的急剧增加。研究发现, 变形虫能快速吞噬大量的单细胞微藻, 1个变形虫能同时吞噬多达20多个藻细胞, 虫体内含有对藻细胞有裂解作用的类似溶菌酶物质。很多原生动物在藻类食物耗尽时会形成孢囊以度过食物缺乏期, 当藻类数量重新增多时, 孢囊又会复苏成为食藻体, 同时孢囊结构具有抗逆性, 便于包装和运输^[6], 该结果与Takamura等的蓝环虫在蓝藻水华消失后形成孢囊沉入湖泊底部的研究报道一致。

鱼类的食性多样, 刘建康等^[7]曾在武汉东湖大量放养鲢、鳙等鱼类, 通过摄食控制藻类密度, 起到了很好防治蓝藻水华的效果。罗非鱼具有发达的胃腺, 被认为在蓝藻治理方面比鲢、鳙等鱼类更高效^[8]。徐海军等^[9]研究褶纹冠蚌、三角帆蚌和河蚬等3种淡水贝类24h内对藻类的消除作用, 去除率分别达74.3%、75.6%和88.4%。生物滤食便于实施、费用低、前期效果良好, 但滤食生物对藻类的捕食和消化能力有限, 实际应用受到一定的限制。

3.3.3 微生物控藻法

微生物对于藻类的作用可分为直接作用和间接作用；直接作用主要表现为捕食，间接作用表现为通过影响营养物质循环，产生胞外分泌干扰物，促进或抑制藻类的生长繁殖。微生物控藻法主要有微生物制剂、酶处理技术等。微生物制剂常用的有芽孢杆菌、乳酸菌、光合细菌、EM复合菌等。酶处理技术即通过某种固定技术，将微生物作用产生的细胞外聚合物或者酶固定在一种载体上，能有效破坏藻体中某些物质，从来直接降解藻类。

4结语

随着工业的发展,各种污水大量排放,有害藻类水华发生频率逐渐增高,已经成为危害坏境和人类健康的世界性问题,水华的预防和治理成为当务之急。由于藻类水华的主要成因水体富营养化问题短时间内难以得到根本解决,水华爆发成了一个周期性的过程。物理、化学方法大多能从短期内抑制水华藻类的生长,却难以从根本上解决水华问题。生物方法相对于物理、化学方法有一定的优势,在作用过程中往往对水质或水体坏境有改善作用,但同时存在生物污染及作用时间相对较长等问题,有待进一步研究解决。

总的来看,应对水华问题要以防为主,防治结合。首先要减少水华形成的诱因,如减少污水的排放等来达到预防目的；其次,在水华大规模发生前,应建立预警系统,做到早发现、早治理；最后,一旦发生水华问题,应立即采取合理的措施进行治理,减少损失。

参考文献

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作者简介：李雨萱（2002-），女，江苏淮安人，在校本科生，研究方向为生态河湖治理技术。邮箱：19516126779@163.com     通讯地址：江苏省徐州市云龙区丽水路2号邮编：221018。