CN102295333A - 大型浅水湖泊越冬水华蓝藻种源的去除方法 - Google Patents
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Abstract
一种大型浅水湖泊越冬水华蓝藻种源的去除方法，分别在越冬和复苏期内，两次在越冬水华蓝藻种源的分布区域使用控藻剂对水体和底泥中的越冬蓝藻种源进行本底清除，第1次本底清除在越冬期内进行，第2次本底清除在复苏期内蓝藻复苏前进行，所使用的控藻剂由有效浓度的水稻秸秆和H2O2组成。本发明基于藻类自身生长复苏规律，在蓝藻生长的种源地和瓶颈时期——越冬和复苏期内，使用环境友好型抑藻剂对水华蓝藻进行防控处理，能有效清除大型浅水湖泊中越冬水华蓝藻的种源，从源头上对蓝藻水华进行治理，是一条防止和控制有害藻类水华发生的新途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型浅水湖泊中有害藻类水华的治理方法，特别涉及一种大型浅水湖泊中越冬水华蓝藻种源的去除方法，通过环境友好的生化途径对越冬水华蓝藻种源进行有效去除，从而防止蓝藻水华的发生。
背景技术
有害藻类水华的频发已经成为国内外普遍关注的环境问题。由于大型浅水湖泊水体的富营养化水平短期内无法降低，因此在以后相当长时期内，探讨在富营养化条件下，防控水华的发生凸显重要。
目前，治理水华的途径主要包括物理、化学和生物方法三种。物理方法快速、简单，如清除底泥法，可以短期控制藻类生长，但是这种方法风险也很大，可能会引起沉积在底泥中的污染物质的二次污染，也不能从根本上除去营养物质；其它物理方法如投加泥、粘土法，通过颗粒之间及颗粒与藻类细胞之间重力差异性消除水华；机械捞藻法，直接切断营养物由藻类物种演替传递的途径，但能捞取的藻类数量很少，一般作为应急之用。所以物理途径成治理本高，不经济，工程量一般也比较大，更不能从源头上控制水华的发生。
化学途径经济、有效，但处理后给水体造成二次污染。以往研究证实CuSO4具有高效、选择性毒杀水华形成的优势种——微囊藻的作用，Cu2+增加后，细胞质膜的通透性、细胞体积和形状都发生改变，同时金属离子进入叶绿体，产生毒害作用，使光合磷酸化解偶联，从而抑制藻类的生长与繁殖。但是，施用CuSO4后，金属离子会在底泥中沉积，长期积累后影响水质；此外由于化学抑藻剂的持续时间短，需要多次追加，加重了环境的二次污染，甚至会对其它水生生物产生毒害作用，不适于处理发生水华的水源水。
生物控藻技术的优点在于对环境造成的压力小，成本低，无二次污染。传统生物控藻技术包括生物操纵技术和水生植物控制藻类技术两种。生物操纵技术以浮游动物为核心，浮游动物通过捕食和改变周围水体营养和环境条件影响藻类的繁殖；水生植物控制藻类是利用水生植物，如水葫芦、水浮莲、浮萍等，通过与藻类竞争营养和环境要素，并通过根系向水中分泌有机物质来抑制藻类的繁殖。近年来，如何利用廉价的生物资源防控水华的发生已成为研究热点。
西方国家对大麦秸秆研究发现，腐烂的大麦秸秆降低了丝状藻数量，在施用后连续三年内均表现出抑制效应，施用后水体的营养盐浓度没有显著变化。随后研究证实，大麦秸秆中存在的酚类化合物及其氧化产物醌类具有极强的抑藻作用。亚洲国家利用廉价的水稻资源进行抑藻研究，初步证实水稻秸秆浸提液对藻细胞生长具有显著的抑制作用，使微囊藻细胞脱绿黄化，膜结构破坏，胞内物质大量渗出，光合放氧速率迅速下降，微囊藻细胞受到严重损伤。因此利用我国水稻资源丰富，其产量不会受到限制的优势，开展农作物秸秆抑制藻类的机理研究，可以为我国严峻环境问题的解决提供一条新路，具有良好的发展前景。
然而，到目前为止，还没有一种单纯的方法能完全成功防控蓝藻的水华，物理、化学、生物等多途径的综合应用是今后治理藻类水华的方向；同时，现有方法中水华的治理时期几乎全部集中在水华即将发生或发生后，均属于应急治理，而少有研究结合藻类自身的发生规律，在水华形成的瓶颈时期——越冬和复苏阶段进行防控，在藻类大量繁殖前进行水华优势藻种的防控具有经济性和从源头治理的重要性。
本发明在发掘新的控藻方法的同时，基于藻类自身的演替规律，通过有效去除浅水湖泊中的蓝藻越冬种源，找到一条控制和防止有害藻类水华发生的新的途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种大型浅水湖泊水华蓝藻种源的去除方法，针对蓝藻水华防控中的难题，根据藻类自身生长复苏的变化规律，采用环境友好的生化途径，达到有效去除或减少越冬水华蓝藻种源，从而防止和控制蓝藻水华发生的目的。
本发明所采用的技术方案如下：
一种大型浅水湖泊越冬水华蓝藻种源的去除方法，其特征在于：分别在越冬和复苏期内，两次在越冬蓝藻种源的分布区域使用控藻剂对水体和底泥中的越冬蓝藻种源进行本底清除，第1次本底清除在越冬期内进行，第2次本底清除在复苏期内蓝藻复苏前进行，所使用的控藻剂由有效作用浓度的水稻秸秆和H2O2组成。
本发明的一个特点是基于藻类生长复苏的规律，确定蓝藻水华治理的时间和空间要素，即在蓝藻种源地和水华形成的瓶颈时期，从源头进行治理，使治理措施更有效率，效果更加显著。具体而言，根据确定的越冬蓝藻种源的分布区域，在藻类生长的越冬和复苏期内，分别两次进行蓝藻种源的本底清除，达到有效去除越冬水华蓝藻种源、防止和控制蓝藻水华发生的目的。
本发明的另一个特点是采用生化途径对种源进行抑制处理，选用环境友好的新型生化控藻剂。控藻剂由水稻秸秆和H2O2组成，水稻秸秆对于藻类细胞生长具有长期抑制作用，而H2O2对蓝藻的生长具有短期的强抑制作用。H2O2是藻类代谢的中间产物，施用后藻类不会产生遗传变异，同时由于H2O2在自然环境条件下容易降解，也避免了二次污染的发生。
第1次本底清除在蓝藻越冬期内进行，通常在月平均温度低于10℃的期间内进行。根据湖泊的不同地理区域，通常自每年冬季11、12月起进入蓝藻越冬期，至次年的3、4月进入蓝藻复苏期止。当实际水温接近蓝藻复苏温度阈值时，蓝藻进入复苏期，在实际水温达到蓝藻复苏温度阈值前5～10天内进行第2次本底清除。
所述的方法包括以下步骤：
1)每年蓝藻越冬期间，采集并分析不同湖区水体和底泥样品中叶绿素和藻蓝素含量，同时结合实时风向数据，确定越冬蓝藻种源分布区域；
2）在越冬蓝藻种源分布区域内，原位采集水体和底泥样品，进行模拟复苏试验，确定蓝藻复苏的温度阈值；
3）蓝藻越冬期内，在越冬蓝藻种源分布区域进行原位围隔控藻，施用有效作用浓度的水稻秸秆和H2O2控藻剂，进行第1次蓝藻种源本底清除；
4）当水温达到蓝藻复苏温度阈值前5～10天内，在越冬蓝藻种源分布区域原位围隔中再次进行控藻，施用与步骤3）相同的控藻剂，对少量逃逸的蓝藻种源进行第2次清除。
所述的蓝藻复苏温度阈值，可以通过室内模拟复苏试验确定。通常在次年3月左右（日平均温度接近藻类复苏温度），在种源分布区域原位采集水样和底泥，进行室内模拟复苏试验，通过测定样品上覆水中叶绿素(a和b)和藻蓝素的含量，分析蓝藻复苏过程中随温度上升藻蓝素含量第一次发生显著增加的温度，确定为蓝藻复苏的温度阈值。具体方法如下：
a) 称取适量原位底泥样，置于量筒底部，添加原位湖水，用铝箔遮光至液面，在实时原位平均水温下进行暗适应培养。
b)拆除铝箔，补充常规光照进行培养，起始培养温度为实时原位平均水温，随后以一定速率增加培养温度，在不同培养温度下，分离、采集量筒中水样和底泥样品，分别测定色素浓度。
c) 以Chla(叶绿素a)、Chlb(叶绿素b)和PC（藻蓝素）表征总藻、非蓝藻和蓝藻浓度的变化，记录藻蓝素在水体中第一次显著增加的温度，此温度即为蓝藻复苏的温度阈值。
本发明采用由水稻秸秆和H2O2组成的环境友好型控藻剂，可以通过室内模拟试验，优选控藻剂水稻秸秆和H2O2对水华形成优势藻的有效作用浓度和作用期限。将水华形成的优势纯系蓝藻和对照绿藻置于最佳生长环境条件下，比较本发明的控藻剂（H2O2、水稻秸秆）对蓝藻和绿藻抑制作用特性，明确其作用的有效浓度和持续期限。其方法如下：
将大型浅水湖泊水华形成的优势纯系蓝藻和对照绿藻置于最佳生长状态（对数生长期）和生长环境条件下（温度25℃，强度为30 μmol，12:12 光:暗比），对数生长期接种后适应培养3天，将不同浓度的水稻秸秆或H2O2加入藻类培养基中，每3天在显微镜下进行细胞计数，检测对蓝、绿藻抑制效应，试验持续时间至少为1月，确定水稻秸秆和H2O2对蓝藻抑制的有效浓度和持续时期。
在太湖水域进行的抑藻实验表明：水稻秸秆对藻类的生长具有长期抑制作用，有效作用浓度为1000 mg/L以上，作用周期为15-20天； H2O2对蓝藻的生长具有短期的强抑制作用，有效作用浓度为10 mg/L以上，作用周期为5-10天。
根据模拟实验确定的蓝藻复苏温度阈值和控藻剂有效作用浓度和期限，即可以分两次对越冬水华蓝藻种源进行去除，方法是：
a) 在封闭围隔内，于藻类越冬期内，进行第一次蓝藻种源进行本底清除，施用有效作用浓度的水稻秸秆和H2O2，对水体和底泥中的越冬蓝藻种源本底进行清除，如施用后水体藻蓝素水平仍较高，可以重复此过程；
b) 依据实时温度监测数据和天气预报，在实际水温达到蓝藻复苏温度阈值前5～10天内，在封闭围隔内第二次施用相同浓度的控藻剂，抑制少量逃逸蓝藻的复苏，有效去除大型浅水湖泊中的越冬水华蓝藻种源。
确定大型浅水性湖泊越冬蓝藻种源分布区域，可以采用以下方法：
越冬期内，在大型浅水湖泊的不同湖区原位采集水体和底泥样品，采样频率不低于每月一次，测定水体和底泥中的叶绿素和藻蓝素的含量，表征蓝藻的区域分布，同时结合气象监测数据，藻蓝素含量高于阈值的季风下风向采样点区域确定为蓝藻越冬区域。
本发明的优点及效果：
本发明结合实时风向数据和原位水体和底泥样品的叶绿素和藻蓝素水平，确定越冬蓝藻种源的分布区域；在藻类生长的越冬和复苏期内，分别两次在越冬水华蓝藻种源的分布区域进行原位围隔控藻，使用环境友好型抑藻剂水稻秸秆和H2O2进行水华蓝藻种源的本底清除。本发明基于藻类自身生长复苏规律，针对水华治理中关键的时间和空间要素，在蓝藻生长的种源地和瓶颈时期——越冬和复苏期内，对蓝藻进行防控处理，能有效清除大型浅水性湖泊中越冬水华蓝藻的种源，治理措施更为经济、高效；且使用的控藻剂易降解，能够避免二次污染的发生，环境安全性高。使用本发明的方法进行水华治理，当年即可对治理区域的效果进行评估、改进和优化。
附图说明
图1 本发明的大型浅水湖泊越冬水华蓝藻种源的去除方法的流程示意图。
图2 太湖藻蓝素逐月变化图。
图3 太湖月平均温度变化图。
图4 水稻秸秆对蓝藻的抑制效果。
图5 H2O2对蓝藻的抑制效果。
图6 蓝藻种源处理前后太湖水体中叶绿素含量对比。
图7 蓝藻种源处理前后太湖水体中藻蓝素含量对比。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述。所述的实施方式有助于对本发明的理解和实施，并非构成对本发明的限制。实施本发明并不限于以下具体实施方式的记载，对于其中某些特定的技术参数和措施，本领域技术人员可以根据不同湖泊的地理位置和自然条件，进行等同或等效的替换或变化。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。
采用本发明的方法，对太湖水域越冬水华蓝藻种源进行清除，分别在越冬和复苏期内，在越冬蓝藻种源的分布区域施用由水稻秸秆和H2O2组成的控藻剂，分别两次对水体和底泥中的越冬蓝藻种源进行本底清除，第1次本底清除在越冬期内进行，第2次本底清除在复苏期内蓝藻复苏前进行。
太湖水域越冬水华蓝藻种源去除方法的流程见图1，包括以下步骤：
1) 越冬期内在太湖水域不同湖区进行定期巡查，采集不同湖区原位湖水和底泥样品，并分析其中叶绿素a、叶绿素b和藻蓝素含量，同时结合实时风向数据，确定越冬蓝藻种源分布区域。
太湖蓝藻越冬期每年11月至次年3月。历史数据表明，越冬期内藻蓝素和气温均处于较低水平，如图1和图2所示。自每年冬季11月起，采集太湖不同湖区原位湖水和底泥样品，采样频率不低于每月一次，每个采样点分别采集三份平行样品。泥样切取最上层2cm左右厚度的表层底泥移至密封袋中。水样采集整水柱、混匀。
测定水体和底泥中的叶绿素和藻蓝素含量，色素测定方法为：将100ml水样过滤后的GF-C膜或2g冻干后底泥样品，用90%丙酮缓冲液经研磨磨为匀浆，于4℃低温静置8-10小时，随后在4℃、6500（rpm）离心25分钟，分离上清液，定容至10毫升，通过精确的荧光分光光度计法，测定叶绿素(a和b)含量。藻蓝素测定方法与叶绿素测定方法相同，只需将90%丙酮缓冲液替换为0.05mol/L Trsi-HCl。
根据不同湖区水体和底泥中的叶绿素和藻蓝素含量，表征蓝藻的区域分布，同时结合自动气象监测站数据，蓝藻的越冬区域一般处于季风下风向，可以根据太湖历史监测数据和治理要求，藻蓝素含量高于至少80%其它区域，或者说藻蓝素含量高于第80百分位数（阈值）的季风下风向样点区域确定为蓝藻越冬区域。
2）蓝藻复苏的温度阈值的界定：
在种源分布区域原位采集水样和底泥，进行室内复苏模拟试验，分析蓝藻生物复苏的规律，确定蓝藻复苏的温度阈值。
复苏模拟试验的方法如下：
a) 称取25g（样品量可适量增加或降低）原位底泥样，置于1L量筒底部，小心添加500ml原位湖水，用铝箔遮光至液面，在实时原位平均水温（如太湖2010年3月初为6℃）进行暗适应培养5天。
b) 拆除铝箔，补充常规光照（强度为30 μmol，12:12 光:暗比），起始培养温度仍为实时原位平均水温（6℃），随后增加培养温度，温度增加速率为1℃/5天，分别在6℃、9℃、12℃、15℃、18℃、21℃温度下，小心分离量筒中水样和底泥样品，分别测定色素浓度。
c) 以Chla, Chlb, PC表征总藻、非蓝藻和蓝藻浓度的变化，记录藻蓝素在水体中第一次显著增加的温度，此温度即为蓝藻复苏的起始温度（温度阈值）。
复苏模拟试验表明，太湖蓝藻复苏的温度阈值约为15℃。
3）控藻剂施用参数的筛选：
将太湖水华形成的优势纯系蓝藻，如太湖中铜绿微囊藻和水华微囊藻，和湖泊中常见绿藻置于最佳生长状态（对数生长期）和生长环境条件下（温度25℃，强度为30 μmol，12:12 光:暗比），对数生长期接种后适应培养3天，将控藻剂水稻秸秆（10mg/L、100 mg/L、1000 mg/L，剪为1～2cm）、H2O2（0.1mg/L、1 mg/L、10 mg/L）分别加入藻类培养基中，每3天在显微镜下进行细胞计数，检测对蓝、绿藻抑制效应，试验持续时间为1月。
太湖抑藻室内模拟实验证明：水稻秸秆对藻类的生长具有长期抑制作用，有效作用浓度最低为1000 mg/L，作用周期为15-20天（图3）； H2O2对蓝藻的生长具有短期的强抑制作用， H2O2有效作用浓度最低为10 mg/L，作用周期为5-10天（图4）。
4）第1次蓝藻种源本底清除：
在封闭围隔内，于藻类越冬期内，进行第一次蓝藻种源进行本底清除，施用浓度为1000 mg/L的水稻秸秆（优选剪切至10 cm以下）和10 mg/L 的H2O2，对水体和底泥中的越冬蓝藻种源本底进行清除，如施用后水体藻蓝素水平仍较高，可以重复多次施用控藻剂。
5）第2次蓝藻种源本底清除：
依据实时温度监测数据和天气预报（http://www.weather.com.cn/），建立日平均水温和天气预报日平均气温、日最高温度和日最低温度间的相关性方程。基于天气预报，计算未来3-7天内日平均水温，随后结合蓝藻复苏的温度阈值，在蓝藻复苏的前5～10天控藻剂作用周期内，第二次施用相同浓度的控藻剂，以抑制少量逃逸蓝藻的复苏，从而有效去除大型浅水性湖泊中的越冬水华蓝藻种源。
经过上述两次蓝藻种源去除后，太湖水体中叶绿素a和藻蓝素分别降低38.89%和27.09%，如图6、图7所示。由于蓝藻种源数量的有效降低，当年蓝藻水华发生的概率和强度将大大降低。
本发明方法通过蓝藻水华的源头治理，能够大大降低蓝藻水华防控的成本，提高蓝藻水华治理的效率。
Claims (8)
1.一种大型浅水湖泊越冬水华蓝藻种源的去除方法，其特征在于：分别在越冬和复苏期内，两次在越冬蓝藻种源的分布区域使用控藻剂对水体和底泥中的越冬蓝藻种源进行本底清除，第1次本底清除在越冬期内进行，第2次本底清除在复苏期内蓝藻复苏前进行，所使用的控藻剂由有效作用浓度的水稻秸秆和H2O2组成。
2.根据权利要求1所述的越冬水华蓝藻种源的去除方法，其特征在于：蓝藻复苏期内，在实际水温达到蓝藻复苏温度阈值前5～10天内进行第2次本底清除。
3.根据权利要求1所述的越冬水华蓝藻种源的去除方法，其特征在于包括以下步骤：
1）每年蓝藻越冬期间，采集并分析不同湖区水体和底泥样品中叶绿素和藻蓝素含量，同时结合实时风向数据，确定越冬蓝藻种源分布区域；
2）在越冬蓝藻种源分布区域内，原位采集水体和底泥样品，进行模拟复苏试验，确定蓝藻复苏的温度阈值；
3）蓝藻越冬期内，在越冬蓝藻种源分布区域进行原位围隔控藻，施用有效作用浓度的水稻秸秆和H2O2控藻剂，进行第1次蓝藻种源本底清除；
4）当水温达到蓝藻复苏温度阈值前5～10天内，在越冬蓝藻种源分布区域原位围隔中再次进行控藻，施用与步骤3）相同的控藻剂，对少量逃逸的蓝藻种源进行第2次清除。
4.根据权利要求2或3所述的越冬水华蓝藻种源的去除方法，其特征在于所述的蓝藻复苏温度阈值是指原位底泥和水样进行室内模拟复苏试验时，蓝藻复苏过程中随温度上升水体中藻蓝素含量第一次发生显著增加的温度。
5.根据权利要求4所述的越冬水华蓝藻种源的去除方法，其特征在于所述的蓝藻复苏温度阈值是将种源分布区域原位采集的水样和底泥，进行室内模拟复苏试验确定，方法如下：
1）称取适量原位底泥样，置于量筒底部，添加原位湖水，用铝箔遮光至液面，在实时原位平均水温下进行暗适应；
2）拆除铝箔，补充常规光照进行培养，起始培养温度为实时原位平均水温，随后以一定速率增加培养温度，在不同培养温度下，分离、采集量筒中水样和底泥样品，分别测定色素浓度；
3）以Chla、 Chlb、PC表征总藻、非蓝藻和蓝藻浓度的变化，记录藻蓝素在水体中第一次显著增加的温度，此温度即为蓝藻复苏的温度阈值。
6.根据权利要求1、2或3所述的越冬水华蓝藻种源的去除方法，其特征在于所述的控藻剂的有效作用浓度的确定方法，是将大型浅水湖泊中水华形成的优势纯系蓝藻和对照绿藻，置于最佳生长环境条件下，在对数生长期接种后适应培养3天后，将不同浓度的水稻秸秆或H2O2加入藻类培养基中，每3天在显微镜下进行细胞计数，检测对蓝、绿藻抑制效应，试验持续时间至少为1月，确定水稻秸秆和H2O2对蓝藻抑制的有效作用浓度。
7.根据权利要求1、2或3所述的越冬水华蓝藻种源的去除方法，其特征在于：所述的控藻剂中，水稻秸秆的有效作用浓度为1000 mg/L以上，H2O2的有效作用浓度为10 mg/L以上。
8.根据权利要求1、2或3所述的越冬水华蓝藻种源的去除方法，其特征在于采用以下方法确定大型浅水湖泊越冬蓝藻种源分布区域：越冬期内，在大型浅水湖泊的不同湖区原位采集水体和底泥样品，采样频率不低于每月一次，测定水体和底泥中的叶绿素和藻蓝素的含量，表征蓝藻的区域分布，同时结合气象监测数据，季风下风向采样点且藻蓝素含量高于阈值的区域确定为水华蓝藻越冬区域。
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