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文章来源:本站原创   发布时间:2017-08-08   浏览量:1174

蓝藻的现状及目前的主要治理方法


摘要:最近几十年蓝藻水华在我国各大富营养化湖泊频繁爆发,形成藻灾。鉴于传统的打捞等治理手段的局限性,新兴的生物技术治理方法以其优越性而备受世人瞩目,渴望成为攻克蓝藻污染的最佳选择。文中从水华的爆发及危害、目前国内外主要的防治措施和研究方向以及蓝藻的生物工程等几个方面进行了论述,以希望能够寻求合理的治理方案。

关键词:富营养化  蓝藻  治理  生物技术

国家重点治理的“三湖”由于水体富营养化造成的藻害日益严重,其他湖泊如东湖、西湖、洞庭湖、洪湖、鄱阳湖、洪泽湖等也不容乐观,甚至连藏在群山之中、很少点面污染源的千岛湖,也由于游人猛增而水体富营养化,已出现蓝藻大规模增生的趋势。从1998年开始,这种蓝藻泛滥成灾的危机频频出现,并呈迅速蔓延之势。从50年代以来,由于人口急剧增长,工业化和城市化进程加快,大大增加了氮、磷营养物质向水体的排放量,加剧了湖泊等水体富营养化程度,使水体生态环境向恶化方向演变,最终影响经济和社会可持续发展。所以,富营养化问题日益受到世界各国政府和社会各界的关注和重视。

中国是一个湖泊众多的国家,大于1平方公里的天然湖泊有2300余个,湖泊面积为70988平方公里,约占全国陆地面积的0.8%,湖泊总储水量为7077多亿立方米。近年来,我国东部南部随着国民经济高速发展,环境污染控制相对滞后,不少水体负荷了超量氮、磷和其他有机污染等营养物,致使湖泊环境不断恶化。湖泊富营养化在中国已是一个突出的环境问题,所以预防治理蓝藻水华已成当务之急。

 

1 湖泊富营养化和水华的形成和危害

藻类和一些光合细菌能利用氮、磷等无机盐类通过光合作用合成有机质,称为光养型生物。富营养化缓流水体中的光养型生物,如蓝藻、绿藻等,通过光合作用以光能和无机物合成自身生长繁殖的有机物,并在短时间内集中大量繁殖,形成藻灾,即水华。

    通常春夏秋湖泊中的主要藻类是蓝藻、绿藻。但在重富营养化的湖泊中,自春至夏蓝藻常成为唯一的优势水华种群,其中以微囊藻水华最为严重。蓝藻(cyanobacteria)是全球分布最广的水生、陆生古老光合生物。在富营养化的水体中,当水面无风或微风、水温15~30℃、pH7~9、N:P≈15:1时,蓝藻水华最易爆发。

水华是水体富营养化状态下生态平衡破坏的集中体现,在我国以蓝藻水华最为常见。蓝藻(cyanophyta)也称蓝绿藻(blue-green algae)、蓝细菌(cyanobacteria),含有光合色素如叶绿素a和捕光色素藻胆蛋白,能进行放氧光合作用。蓝藻形态差异较大,已知有球状、杆状单细胞丝状聚合物(细胞链)两种形体。绝大多数蓝藻个体直径和宽度为3~10μm,当许多个个体聚集在一起,形成肉眼可见的群体。若生长茂盛,可使水体颜色随菌体颜色变化而变化,如滇池铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)在夏秋两季大量繁殖,形成水华,使水体变色。

蓝藻疯长是现代生产与生活导致生态环境的一不平衡状态,是在出现了水体严重营养化情况下又未能及时积极治理造成的。其根本原因是农业、工业、渔业、生活污水大量流入,使水体中氮、磷及有机物含量过高,促使各种浮游水生生物和藻类迅速生长繁殖。其结果是破坏了水资源环境,限制了人类对饮用、工业、农业和景观、娱乐等用水需要。湖泊中藻类短时间集中爆发,属单种生物畸形发展,引起生态平衡破坏,形成藻灾。

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溶解氧,严重时可能使深层水体溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态,使得需氧生物难以生存,甚至导致水中鱼类大批窒息死亡、水产资源遭到破坏。这种厌氧状态,可以触发或者加速底泥积累的营养物质释放,造成水体营养物质的更高负荷,形成富营养化水体的恶性循环,这种水体腐化变质最终导致湖泊老化和衰亡。

蓝藻水化爆发时,水生生态系统的生态平衡受到扰乱,生物多样性遭到破坏,加速了湖泊功能退化。因此必须采取切实有效措施进行预防和综合治理,遏止蓝藻爆发,减缓湖泊富营养化进程,以使水质趋向好转。

 

2 国内外水化的主要防治措施和研究新趋势

在过去30年中,世界各国对防治水化提出了不少措施,其中典型例子是美国的华盛顿湖,污染了30年,治理历时26年,耗资数十亿。纵观过去30年中世界各国对水化防治措施,诸如废水脱氮去鳞、工业产品改进(禁止含洗涤剂的使用)、排水改道、疏浚底泥、湖水凝聚沉淀处理、稀释和溢流、底泥暴晒与干燥、深层排水、曝气循环、加大水深、湖底覆盖、土壤改良、化学杀藻、生物去除、生态系统控制以及生物利用等方法。其基本指导思想是:尽量控制外源性(点源、面源)营养物质输入;削减内源性营养物质的负荷;水化爆发前后应急除藻抑藻。虽然某些方法在特定的条件下发挥了一定的作用,但是总的说来大多数措施往往旷日持久、耗资巨大、收效甚微,难以彻底解决湖泊水华问题,因此有必要探究快速、高效、经济的新型治理方法。基于现代生态环保理念,生物方法以逐渐得到认可,并成为主流的处理方法。上个世纪70年代有许多学者提出生物操纵法(biomanipulation),强调整个生态系统管理,从营养环节来控制水华,使水体中的营养物通过光合作用和食物链变成人类所需的最终产品(鱼、莲藕等)。

最近几年,澳大利亚和美国许多州利用标本兼治综合治理方式,开始实施流域保护(watershed protection approach),这是一种有效保护和重建水体生态系统以及保护人类健康策略。这种方法可以解决许多单个水体或污染源控制层面上不能完全解决的问题,把重点放在水体生态目标和质量目标的实现上,而不是把重点放在污染源的控制上。治理决策不但考虑到造成污染的传统的化学因子,还考虑到诸如景观、环境、水文、地质、水温等其他因素。

对于蓝藻办法十分严重的水域,为了达到标本兼治、综合治理的长期目标,针对湖体本身,主要采取两大工程:生物除藻工程和生物—生态复原工程。

第一步,实施生物除藻工程。使用对人类无害的高效除藻剂,阻抑藻类生长,改变藻类生长的水环境,遏制藻类疯长。

利用除藻剂应急杀藻、抑藻,这时除藻剂主要采取喷洒法。藻类在抑制环境中会逐渐发生回避效应,从而使水环境出现一种持续的抑藻状态。可供选择的除藻剂有硫酸铜、2,2—二溴—3—氮川丙酰胺(简称DBNPA)、有效微生物(effective microorganisms)菌制剂、“酶制剂(蓝藻酶制剂)”以及嗜藻体(藻类病毒)等。传统的除藻剂(如硫酸铜)不是效果不够理想,就是会产生二次污染。因此人们开始开发清洁高效的新型除藻剂,其中蓝藻酶制剂是当前最为引人注目的新型除藻剂。

在生物除藻剂中,蓝藻酶制剂”是其中的佼佼者。“巴斯德研究所”环境保护组织中法、意、瑞士等国家的生物学教授们,综合各自多年的研究成果,联合研制成功了具有世界前沿科技水平的生物制剂“蓝藻酶制剂”,在水华生物技术治理领域产生了重大突破。“蓝藻酶制剂”生物产品有数十个配方,是经人工精选的良性菌种,加上利用30多种酶来催化,便组成了一个生物菌的复合制剂。因此其优势是多方面的,如:无毒无害无臭、无腐蚀性、无二次污染的危险;对有机物的降解更加快速;它的全谱微生物可以在有氧和无氧状态下发挥作用,甚至在有各种污染源的条件下也可以降解有机物;使用中没有任何特别要求或忌用范围,操作方便、简易。更为突出的是,它可以应用于在传统化学和生物方法难以发挥效果的场合,如城市中的景观河流、臭水沟和富营养化的湖泊等。正是有了上述种种优势,调水人生态环境工程有限公司将“酶制剂”引进中国,并以成功的将“蓝藻酶制剂”产品应用于富营养化水体治理,取得了令人欣喜的效果。

第二步,实施“生物—生态复原”工程,这是一项十分复杂的综合系统工程。

湖泊是一个复杂的动态生态系统,其特征是由一系列复杂的物理化学和生物因子所决定的,其中包括水文、气候、流域、地质、土壤、土地利用、水利勘测、污染物负荷、湖泊习性和生物区系。

在已发生严重富营养化的水体中,参考和统计水体现有的各种参数,在一定条件下进行相关标本的模拟,邮寄地利用这些因素特别是有效地管理和控制日光、营养物(污染物)和微生物之间微妙的相互制约、相互促进、相互重叠的关系,能够逐步建立起一个新的水体食物链,构筑起全新的包括微生物、有益藻类、浮游动物、底栖动物以及水生植物的生态型生物链。长此以往,湖泊水生生态系统将恢复生机。

针对上述各个不同的治理环节,结合现代生物技术的最新成果,为揭示蓝藻水华的形成机理并最终加以根治,当前国内外正开始从下几方面进行研究。如:对水华藻类物种特别是蓝藻进行全面的调查和鉴定,对其生物学性质包括营养、新陈代谢和生长繁殖机理进行深入研究;分离藻类病毒和病毒祥粒子(VLP),建立藻类污染模式及其特异病毒的感染体系,研究病毒与宿主相互作用的分子生物学机制,为利用病毒控制蓝藻提供理论基础;加强裂藻细菌、真菌的分离、鉴定及分子生物学研究,通过此类细菌、真菌常规转化方法和体系,向其中导人几丁质酶基因等去壁酶类编码基因(也可导入病毒),构建工程菌株,改进其裂藻机制,使之具有控制藻类污染的实际应用价值;利用藻类病毒和裂藻细菌、真菌作为

基因库,从中分离具有重要价值的调控元件及编码序列,丰富藻类基因工程研究的内容。

近十年来,蓝藻分子遗传学进展很大,在基因载体构建、基因测序、基因克隆、基因表达、功能分析等方面都取得了显著进展,利用基因工程可以培植一批经济价值高、净化能力强的藻类生物用于污水生物技术处理,也可以培植水华藻类的竞争生物,抑制特征性水华藻类的生长,或者直接利用生物生产除藻剂,在不久的将来,基因工程在防治水体富营养化方面会发挥巨大的作用。

通过上述研究,有可能提出一套既有理论基础,又有应用价值的生物治理方案。但急治与缓复实际操作起来却有一定难度,它这与蓝藻水华形成机理尚未研究清楚有很大的关系,所以关于蓝藻生长繁殖与水华形成机理的研究十分必要。

 

3 蓝藻生物工程

蓝藻是一种能进行放氧光合作用的最简单微生物,是一种宝贵的自然资源,蓝藻生物技术是现代生物技术领域中的重要热点,蓝藻对人类具有众多益处,概括来讲将在蓝藻资源的开发、蓝藻基因工程、环境保护等方面发挥重要作用。

蓝藻是丰富的蛋白质资源,其蛋白质含量高达38%~47%,是地球上所有已知生物中最高的。其中藻胆蛋白(phycobiliprotein,简称PBP)含量可达细

胞干重的10%~20%。藻胆蛋白主要包括藻蓝蛋白(phycocyanin,简称PC)、别藻蓝蛋白(allophycocyanin,简称APC)和藻红蛋白(phycoerythrin,简称PE)三类。藻胆蛋白具有重要的食品功能成分,并且含有高等动物所必需的某些氨基酸,所以在功能食品和保健食品方面具有广泛的应用前景。国外市售__的藻胆蛋白一般是从螺旋藻中提取的,这些藻胆蛋白已被高度纯化,具有极高的经济价值和营养价值。与螺旋藻同属蓝藻门的水华蓝藻如微囊藻也含有藻胆蛋白,这对我国利用水华蓝藻生产高附加值生物制品具有重要意义。日本等国正研究利用蓝藻,加工成饲料,并提取制备维生素及营养添加剂。在我国,淡水湖泊爆发水华的藻类以蓝藻为主,每年若从湖中获取5 000 t藻类(干重),即相当于从湖泊中除去525 t氮和62 t磷。可见,合理开发利用水华蓝藻,不仅有一定经济价值,还能减少水体中氮、磷和有机物的含量,减缓湖泊富营养化速度。目前国内外已经开始用水华蓝藻制作肥料、饲料,制取沼气和氢气,提取有用物质。

蓝藻将在基因工程领域发挥重要的作用。人类对蓝藻的研究已经有上百年的历史,但应用现代分子生物学技术来研究蓝藻也只是近20年的事情。蓝藻是世界上分布最广的生物,无论是在酷寒的两极,还是在炎热的赤道和干旱的沙漠,都能见到蓝藻的踪迹,它具有非常强的抗逆能力。因此,科学家开始着手研究如何把蓝藻中能够抵抗恶劣环境的基因鉴定并提取出来,利用转基因技术将它转移到农作物中去,这样就使农作物拥有好的抵抗恶劣环境能力。中国在蓝藻基因工程领域的研究已经取得一定成果,比如研究成功的金属硫蛋白转基因蓝藻。

蓝藻将在环保领域起到独特的作用。科学家发现很多蓝藻具有能够结合并清除水中有害金属、有害化学物质的能力,甚至有的蓝藻具有一定的海水淡化能力,所以科学家现在正在研究如何利用蓝藻的这些特点进行环境污染监测、环境污染水处理。藻蓝蛋白、别藻蓝蛋白和藻红蛋白,在免疫分析(immunoassay)、荧光显微镜(fluorescence microscopy)和流式荧光细胞仪(fIow cytofluorimetry)等分析中是很好的生化探针(biochemical tracer),可在环境污染的生物监测方面发挥重要作用。

我国还建成了几个大型工业化的蓝藻生产基地,比如云南的螺旋藻生产基地以及北京、上海等地利用生物技术制作生物反应器的养殖基地。中国所拥有的蓝藻种类分布是世界上最多的,有非常好的先天条件,加上生物技术在这几年已经有了很大的提高,如果能够抓住机遇,加快蓝藻的研究和开发,将会在环保、能源、食品以及农业等方面发挥更大作用。尽管如此,目前对蓝藻资源的开发主要集中在螺旋藻,关于水华蓝藻的开发研究尚处于起步阶段,因此关于水华蓝藻的应用研究还须进一步加强。只有这样,才能实现化害为利,造福人类的目的。

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