CN111943360A - 一种针对富营养化水体藻华灾害的预防及治理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水体生态修复技术领域，具体涉及到一种针对富营养化水体藻华灾害的预防及治理方法，包括如下步骤：（1）选种：确定与主要藻华物种存在竞争关系的无害或低害藻种；（2）扩繁：培养上述无害或低害藻种；（3）抑制：通过在目标水体的特定区间内铺设半开放式光生物反应器集群，使无害或低害藻种在目标水体内更容易获取生存要素，形成对目标水体内有害藻华的竞争优势及抑制作用；（4）回收：通过对半开放式光生物反应器集群内藻液的连续回收，实现对目标水体内氮磷等富营养元素的高效率移除。本发明利用人工培养藻类对有害藻华进行生态位替换，从而抑制藻华、提升水质；其益处是降低了藻华治理过程中的高投入、高能耗及生态风险。

Description

一种针对富营养化水体藻华灾害的预防及治理方法
技术领域
本发明属于水体生态修复技术领域，具体涉及到一种针对富营养化水体藻华灾害的预防及治理方法。
背景技术
天然水体中蕴含大量可以利用光合作用高速生长的单细胞藻类。在良性天然生态系统中，藻类的生长受限于水体中氮磷元素的数量，而不会过量生长导致生态失衡。伴随着由于人类活动对水体中氮磷元素排放的增长，富营养水体成为单细胞藻类的繁殖的温床。在光照和温度适宜时，微藻在极短的时间内散布于水体；水体表层微藻吸收光能进行繁殖，而水体中不受光的藻类细胞在呼吸作用下消耗氧气形成缺氧环境。缺氧导致鱼虾，浮游动物等水生生物死亡，在水体中形成死亡区，进而引起生态链崩溃。
由于人口密集，农业及养殖业发达，中国大部分湖泊，水库和近海水体均处于富营养化状态。由此引发的藻华问题已经成为受到广泛关注的社会问题。当前治理藻华的主要途径是人工/机械打捞，利用船舶（201710011674.5）和沿岸建设的藻水分离站（CN101602551A）对水体中悬浮颗粒进行絮凝打捞。该处理方式对于应急改善水质有明显效果，然而其作用有限，目前只能保障分离站附近水质。同时利用藻水分离站滤水能耗巨大，对藻华前期的低浓度藻水处理效率低，生态损害大。而且藻水分离站分离出的藻泥成分复杂，重金属，毒素含量高，目前主要通过焚烧处理。其他的方法有化学抑制法和生物抑制法，然而上述方法在大型水体中应用效果欠佳，尚未有商业应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种针对富营养化水体藻华灾害的预防及治理方法。本发明针对现有藻华治理方法能耗高，治理效果不佳等问题，提出了依托生态位抑制理论的藻华预防和治理方案，利用生物反应器辅助无害藻类占据表层水体与空气交界面，从而抑制有害藻华对光照和二氧化碳的获取，实现对藻华灾害的预防和抑制，同时无害藻类的培养带来高价值附产品。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种针对富营养化水体藻华灾害的预防及治理方法，包括以下步骤：
（1）选种：通过对目标水体的大范围采样和生物信息学分析，确定并分离目标水体中与主要藻华物种存在竞争或者依存关系的无害或低害的自养或者异养微生物；
（2）扩繁：将上述自养或者异养微生物中的一种或几种接种至光生物反应器内进行人工培养；
（3）抑制：将上述光生物反应器铺设在目标水体的特定区间，所述自养或者异养微生物在目标水体内更容易获取包括二氧化碳和光照在内的生存要素，阻碍主要藻华物种对包括二氧化碳和光照在内的生存要素的获取，形成对目标水体内有害藻华的竞争优势及抑制作用；
（4）回收：在特定浓度时将上述光生物反应器内的培养物导出至外接管道或者外接容器，实现对目标水体内包括氮磷在内的富营养元素的高效率移除。
所述自养或者异养微生物中至少含有一个物种同时满足以下条件：（1）该物种属于目标水体中的本土物种，非外来引入；（2）该物种的生长需要利用光能，并且在光照强度小于200 μE·m−2· s−1时，其生长速度与光照强度呈正相关；（3）该物种的生长需要利用二氧化碳，并且在二氧化碳浓度低于0.03%时，其生长速度与二氧化碳浓度呈正相关；（4）该物种的次级代谢产物中不含有微囊藻毒素；（5）该物种与主要藻华物种在目标水体中的分布呈现负相关性，这一负相关性体现在对物种本身的细胞计数上或对特征性标记物的间接计数上。
所述自养或者异养微生物由单一藻种或多个藻种构成，或者是单一或多个藻类物种加上成分明确的异养微生物构成的组合群体。
所述光生物反应器的部分结构允许相对分子质量在300 kDa以下的化合物通过，保证气体和营养物质在反应器与目标水体之间的交换，阻断或者减慢所培养的微生物群体向目标水体的自由扩散。
所述光生物反应器在目标水体铺设的特定区间为水体表面上方10厘米至水体表面向水下50厘米的区间，或者是目标水体中650-690纳米波长光线透射率大于10%的区间。
所述培养物的回收步骤由培养物浓度的直接测量值反馈启动：当培养物藻类的浓度超过5×107个/mL时，启动对反应器内培养物的回收。
所述培养物的回收步骤由培养物浓度的间接测量值反馈启动，包括叶绿素浓度、叶绿素荧光强度、导电率或培养液电阻。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）能耗低。与传统的打捞过滤藻华方法相比，本方法对场地、能源的依赖极低。
（2）生态风险小。与传统的水草竞争抑制、鲢鱼捕食等方法相比，本方法不涉及外来物种，仅选择本地原生物种进行生态干预，即使装置发生泄漏，对原生生态系统不构成威胁。
（3）附加值高。传统的藻华治理产生大量的藻类生物质废物，由于含有藻毒素，成分不明确等原因，无法深度利用，反而成为二次污染源。而本方法产生大量的无毒藻类生物质资源，具有非常高的附加值。
（4）应用范围广。传统的藻华治理方法受限于成本等原因，无法在大型水体中广泛实施，从而导致藻华清除不彻底，藻华持续复发。本方法的工程难度低，初期投入低，在小型和大型水体中都可以灵活开展。
附图说明
图1是实施例1针对富营养化水体藻华灾害的预防及治理方法的示意图。
图2是图1所述预防及治理方法中采用的光生物反应器的结构示意图。图中：1-遮光部；2-隔气部；3-半透部；4-扰流部；5-开放空间；6-交换接口；7-气道；8-气道释放口；11-顶部遮光部；12-底部遮光部。
图3是针对太湖的藻类多样性分析原理示意图。图中：①-⑨是本实施例中选择的9个不同位置的采样。
图4是针对太湖中有害藻华的竞争物种分析原理示意图。
图5是针对太湖的藻华定点生态位替换示意图。图中：1-光生物反应器的一个单元，2-光生物反应器之间联通的管道，3-由光生物反应器构成的反应器集群。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1
一种针对富营养化水体藻华灾害的预防及治理方法，包括以下步骤：
（1）选种：通过对目标水体的大范围采样和生物信息学分析，确定并分离目标水体中与主要藻华物种存在竞争或者依存关系的无害或低害的自养或者异养微生物；
所述自养或者异养微生物中至少含有一个物种同时满足以下条件：（1）该物种属于目标水体中的本土物种，非外来引入；（2）该物种的生长需要利用光能，并且在光照强度小于200 微爱因斯坦（μE·m−2· s−1）时，其生长速度与光照强度呈正相关；（3）该物种的生长需要利用二氧化碳，并且在二氧化碳浓度低于0.03%时，其生长速度与二氧化碳浓度呈正相关；（4）该物种的次级代谢产物中不含有微囊藻毒素；（5）该物种与主要藻华物种在目标水体中的分布呈现负相关性，这一负相关性体现在对物种本身的细胞计数上或对特征性标记物的间接计数上。
所述自养或者异养微生物由单一藻种或多个藻种构成，或者是单一或多个藻类物种加上成分明确的异养微生物构成的组合群体。
（2）扩繁：将上述自养或者异养微生物中的一种或几种接种至光生物反应器内进行人工培养，所述光生物反应器的部分结构允许相对分子质量在300 kDa以下的化合物的通过，保证气体和营养物质在培养装置与目标水体之间的交换，阻断或者减慢所培养的微生物群体向目标水体的自由扩散。
（3）抑制：将上述光生物反应器铺设在目标水体的特定区间，所述自养或者异养微生物在目标水体内更容易获取包括二氧化碳和光照在内的生存要素，阻碍主要藻华物种对光照和二氧化碳等生存要素的获取，形成对目标水体内有害藻华的竞争优势及抑制作用；
所述光生物反应器在目标水体铺设的特定区间为水体表面上方10厘米至水体表面向水下50厘米的区间，或者是目标水体中650-690纳米波长光线透射率大于10%的区间。
如图2所示，所述光生物反应器包括降低特定波长光线透过率的遮光部1、降低气体交换速率的隔气部2、允许一定大小范围的无机或有机分子穿透的半透部3、促进气体液体混合的扰流部4、开放空间5及允许气体和液体进出的交换接口6，所述开放空间5由上述遮光部1、隔气部2和半透部3包围形成。
在本实施例中，所述遮光部1、隔气部2、半透部3和扰流部4是功能各自独立的部件，主要采用聚丙烯和聚碳酸酯等聚合物材料制作而成。
所述遮光部1设置于装置顶部和底部，顶部遮光部11采用红色光学涂层允许波长640～730nm之间光线能够透射，为装置内部的光合微生物提供光能；底部遮光部12采用绿色光学涂层限制波长范围在440～480nm和640～730nm之间的光线透射，阻碍装置外部藻华对光能的吸收。
所述隔气部2采用厚度大于2毫米的聚丙烯涂层来防止外部藻华对装置的化学腐蚀，同时降低隔气部两侧的微小气泡、氧气或二氧化碳交换，隔气部2设置于装置四周直接接触水体的区间。
所述半透部3位于装置底部接触藻华生长水域的区间，半透部3为聚丙烯纤维压制而成的滤网结构，能够延缓粒径0.2微米以上的微小颗粒通过自由扩散的方式进入装置内部，并且不阻断分子质量在300kDa以下生物大分子的自由扩散，也不能限制装置内部的液体向装置外扩散。半透部3与底部遮光部12具有一致的光线选择性，即限制波长范围在440～480nm和640～730nm之间光线的透射。
所述扰流部4设置在装置底部遮光部12朝向开放空间5的位置，在外力作用下随装置晃动促进装置内容物的混合，同时扰流部4内嵌气道7，并设置有气道释放口8，装置外部的空气经由交换接口6进入，从气道释放口8释放至装置内部，装置内部的液体经由气道释放口8和交换接口6输出至装置外部。
所述交换接口6采用多通路阀门控制，用于液体和气体的进出，同时通过外接管道对装置提供物理支撑，以使得藻华抑制装置被固定于水体表面特定空间范围。
（4）回收：在特定浓度时将上述光生物反应器内的培养物导出至外接管道或者外接容器，实现对目标水体内包括氮磷在内的富营养元素的高效率移除，同时根据反应器内无害藻类的生长浓度及时利用采集船对反应器进行藻液回收，回收的藻液通过离心、干燥制成藻粉。
所述回收步骤由培养物浓度的直接测量值反馈启动：当培养物藻类的浓度超过5×107个/mL时，启动对反应器内培养物的回收。
所述培养物的回收步骤还可以由培养物浓度的间接测量值反馈启动，包括但不限于叶绿素浓度、叶绿素荧光强度、导电率或培养液电阻。
最后，当一年的治理周期完成时，评估反应器的铺设状况，对反应器进行维护。
本发明的工作原理是：在一个没有外部干预的富营养化水体中，一些藻类取得了该环境条件下的竞争优势，因而疯长形成藻华灾害，任何藻华治理方法，如果不能够改变这种自然环境下的竞争优势，就无法避免彻底抑制藻华和避免其反复发作。本发明从不同藻类物种间的竞争关系入手，利用人工手段干预不同藻类物种在特定生态环境下的竞争优势。首先是筛选出具有竞争潜力的无害的本地藻类物种，利用半开放式光生物反应器收纳这一无害藻类物种并控制其在水体/气体交界面生长，反应器内的无害藻类物种可以与水体进行营养交换，同时与空气进行气体交换。同时上述反应器阻断或制约光能和空气中二氧化碳向深层水体传播，削弱有害藻华的生长，降低其竞争优势。上述反应器模块中的无害藻类在生长过程中降低水体富营养指数，从根本上降低藻华爆发因素。另外，上述反应器内的无害藻类在达到收获密度后会被采集，其生物质可用于下游商业加工。上述反应器模块检修后再次被用于下一轮藻华抑制作业。
实施例1
以治理太湖藻华为例。
（1）选种：为了选出一种无害藻种用于后续扩繁，需要提前一年对太湖本地藻类品种的竞争关系进行分析。从2月份开始到11月结束，每隔一周对目标水体不同位置的水样进行采集。开始不同物种间生态关系分析时，先利用常规的物理破碎和碱裂解法等提取样品总核酸；再利用二代测序法对核酸样品进行基因组测序；然后开始对测序数据进行分析。本实施例选择保守性较好的psbA，ftsH和psb29这三个基因作为标志物兼内参，进行同一物种内不同基因和不同物种内同一基因的相对定量分析，如图3所示。
当两个不同藻种的标志物均呈现出一定范围内的负相关性（相关系数r<0），则定义这两种藻类存在一定程度的竞争关系，可以进一步筛选目标藻种。太湖中一类重要的有害藻华物种是微囊藻。这里以微囊藻为抑制目标，在分析数据时寻找这样一个藻种：该物种的三个标志物与微囊藻的对应标志物在时间和空间维度上均呈现出明显的负相关性；同时该藻类不具备产生藻毒素的能力，即该物种已经发表或者经过测序组装而成的基因组中不含有mcy基因。
（2）扩繁：将上述选出的能够竞争微囊藻（以图4中物种a为例）的无害藻种（以图4中物种e为例）接种至光生物反应器，在正式开始治理的第二年4月份，将上述光生物反应器固定于太湖中往年微囊藻爆发较为严重的区域，如图1和5所示，所述光生物反应器铺设在目标水体表面上方10厘米至水体表面向水下50厘米的区间；
（3）抑制&回收：进入夏季藻华爆发期6到8月份，根据有害藻华的发展趋势及时调度藻类生物反应器铺设的空间位置和铺设的数量，同时根据反应器内无害藻类的生长浓度及时利用采集船对反应器进行藻液回收。当培养物藻类的浓度超过5×107个/mL时，启动对反应器内培养物的回收，回收的藻液通过离心、干燥制成藻粉。
最后，当一年的治理周期完成时，评估反应器的铺设状况，对反应器进行维护。
以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种针对富营养化水体藻华灾害的预防及治理方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）选种：通过对目标水体的大范围采样和生物信息学分析，确定并分离目标水体中与主要藻华物种存在竞争或者依存关系的无害或低害的自养或者异养微生物；
（2）扩繁：将上述自养或者异养微生物中的一种或几种接种至光生物反应器内进行人工培养；
（3）抑制：将上述光生物反应器铺设在目标水体的特定区间，所述自养或者异养微生物在目标水体内更容易获取包括二氧化碳和光照在内的生存要素，阻碍主要藻华物种对包括二氧化碳和光照在内的生存要素的获取，形成对目标水体内有害藻华的竞争优势及抑制作用；
（4）回收：在特定浓度时将上述光生物反应器内的培养物导出至外接管道或者外接容器，实现对目标水体内包括氮磷在内的富营养元素的高效率移除。
2.根据权利要求1所述的针对富营养化水体藻华灾害的预防及治理方法，其特征在于，所述自养或者异养微生物中至少含有一个物种同时满足以下条件：（1）该物种属于目标水体中的本土物种，非外来引入；（2）该物种的生长需要利用光能，并且在光照强度小于200 μE·m−2· s−1时，其生长速度与光照强度呈正相关；（3）该物种的生长需要利用二氧化碳，并且在二氧化碳浓度低于0.03%时，其生长速度与二氧化碳浓度呈正相关；（4）该物种的次级代谢产物中不含有微囊藻毒素；（5）该物种与主要藻华物种在目标水体中的分布呈现负相关性，这一负相关性体现在对物种本身的细胞计数上或对特征性标记物的间接计数上。
3.根据权利要求1所述的针对富营养化水体藻华灾害的预防及治理方法，其特征在于，所述自养或者异养微生物由单一藻种或多个藻种构成，或者是单一或多个藻类物种加上成分明确的异养微生物构成的组合群体。
4.根据权利要求1所述的针对富营养化水体藻华灾害的预防及治理方法，其特征在于，所述光生物反应器的部分结构允许相对分子质量在300 kDa以下的化合物通过，保证气体和营养物质在反应器与目标水体之间的交换，阻断或者减慢所培养的微生物群体向目标水体的自由扩散。
5.根据权利要求1所述的针对富营养化水体藻华灾害的预防及治理方法，其特征在于，所述光生物反应器在目标水体铺设的特定区间为水体表面上方10厘米至水体表面向水下50厘米的区间，或者是目标水体中650-690纳米波长光线透射率大于10%的区间。
6.根据权利要求1所述的针对富营养化水体藻华灾害的预防及治理方法，其特征在于，所述培养物的回收步骤由培养物浓度的直接测量值反馈启动：当培养物藻类的浓度超过5×107个/mL时，启动对反应器内培养物的回收。
7.根据权利要求1所述的针对富营养化水体藻华灾害的预防及治理方法，其特征在于，所述培养物的回收步骤由培养物浓度的间接测量值反馈启动，包括叶绿素浓度、叶绿素荧光强度、导电率或培养液电阻。
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