楊蘇文,金位棟,閆玉紅,王圣瑞 (中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水所湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地,環(huán)境與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012)

湖泊理論藻源內(nèi)負(fù)荷估算方法研究

楊蘇文*,金位棟,閆玉紅,王圣瑞 (中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水所湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地,環(huán)境與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012)

在模擬不同溫度和營(yíng)養(yǎng)條件下,采用水質(zhì)指標(biāo)CODCr、CODMn、TP、TN表征湖泊典型藻類藻源內(nèi)負(fù)荷、胞外負(fù)荷、胞內(nèi)負(fù)荷,形成理論藻源內(nèi)負(fù)荷理論估算的方法體系.5種藻源TP負(fù)荷ATP均值隨貧、中和富營(yíng)養(yǎng)水平升高而升高,藻源TN負(fù)荷ATN為負(fù)值,藻源CODCr負(fù)荷ACODCr隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而顯著升高.藻源胞外 TP負(fù)荷ETP、TN負(fù)荷ETN、CODCr負(fù)荷ECODCr、CODMn負(fù)荷ECODMn均隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而降低,藻源胞內(nèi)TP負(fù)荷BTP、TN負(fù)荷BTN、CODCr負(fù)荷BCODCr和CODMn負(fù)荷BCODMn總體隨隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而升高.根據(jù)藻源內(nèi)負(fù)荷與藻密度顯著相關(guān)關(guān)系,確定了藻源內(nèi)負(fù)荷計(jì)算模型.藻源TP和COD在穩(wěn)定期對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn)均較大,為0.2～3.7倍,藻源TN內(nèi)負(fù)荷對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn)為負(fù),減少的比例在 26%～58%之間.本研究表明,藻類在增殖過程中產(chǎn)生了超出系統(tǒng)物質(zhì)總量的“額外”負(fù)荷,這些藻源內(nèi)負(fù)荷是引起水質(zhì)指標(biāo),特別是COD異常升高的重要原因.該估算方法為富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水華的定量削減控制提供科學(xué)依據(jù).

湖泊；藻；理論藻源內(nèi)負(fù)荷；胞外負(fù)荷；胞內(nèi)負(fù)荷；估算

健康湖泊生態(tài)系統(tǒng)中外源輸入的氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素在浮游藻類利用、沉積物沉降與吸附、水生植物與微生物利用、以及進(jìn)入大氣等物質(zhì)循環(huán)間的比例是動(dòng)態(tài)平衡的[1].由于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藻類“水華”破壞了水生生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量交換平衡,嚴(yán)重時(shí)甚至可引發(fā)生態(tài)災(zāi)變[2].通常內(nèi)負(fù)荷指單位時(shí)間湖內(nèi)產(chǎn)生的超出健康水生態(tài)系統(tǒng)需要的營(yíng)養(yǎng)或其他物質(zhì)的量,因此,湖泊“藻源內(nèi)負(fù)荷”即超過健康水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需求的過剩藻類生物量及其代謝量.目前國(guó)內(nèi)外鮮有對(duì)“藻源內(nèi)負(fù)荷”的相關(guān)研究,難以形成藻對(duì)水體主要生源要素貢獻(xiàn)的定量認(rèn)識(shí).針對(duì)這一問題,國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(下稱水專項(xiàng))“十一五”和“十二五”課題中,均把藻源內(nèi)負(fù)荷估算作為重點(diǎn)科學(xué)問題進(jìn)行深入研究.

水華爆發(fā)及形成機(jī)制的研究經(jīng)歷了氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽限制理論[3-5]、非穩(wěn)態(tài)種間競(jìng)爭(zhēng)理論[6-8]、藻類休眠復(fù)蘇理論[9-10]等過程.這些理論從優(yōu)勢(shì)藻類對(duì)營(yíng)養(yǎng)需求、外界干擾、自身生理優(yōu)勢(shì)[11-12]等角度闡述了藻類異常增殖的機(jī)理,并運(yùn)用宏觀技術(shù)對(duì)水華規(guī)模開展了定性研究[13-15].這些研究有助于了解藻類種群結(jié)構(gòu)特征與相應(yīng)水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系,但未能將藻類生物量與對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn)建立定量聯(lián)系,進(jìn)而確定湖泊水華生態(tài)災(zāi)害的定量控制目標(biāo).

廣義上理解,湖泊藻源內(nèi)負(fù)荷的估算是一個(gè)開放的體系,即藻源內(nèi)負(fù)荷的計(jì)算應(yīng)考慮藻自身負(fù)荷、藻代謝負(fù)荷、被攝食與分解、入湖與出湖負(fù)荷五部分的影響.事實(shí)上,由于牧食或分解藻類的水生動(dòng)物和微生物的生命周期不同,攝食分解量不同,物質(zhì)的循環(huán)次數(shù)不同,使這一計(jì)算過程變得異常復(fù)雜,誤差控制難度較大,難以得到藻源內(nèi)負(fù)荷的準(zhǔn)確值.因此,本研究采用了理論藻源內(nèi)負(fù)荷估算方法來計(jì)算藻負(fù)荷量.研究表明,藻源物質(zhì)一般由胞內(nèi)物質(zhì)(IOM,如大分子蛋白質(zhì)、碳水化合物、核酸、酶類、脂類和色素等[16]為主)和胞外物質(zhì)(EOM[17-18],如酸性多糖類碳水化合物為主,并包括少量蛋白質(zhì)和脂類[19]等)組成,其中氨基酸和蛋白質(zhì)占25%～50%[20-21]、碳水化合物占40%[22],及少部分藻毒素[23-25]和異味物質(zhì)[26-27]等親水或疏水[30-32]的次生代謝物[28-29],這些藻源物質(zhì)是湖泊溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)的重要組成部分

[51].目前對(duì)藻源物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)和定量表征已成為藻類研究的熱點(diǎn),但作為內(nèi)負(fù)荷,藻源物質(zhì)對(duì)湖泊水質(zhì)貢獻(xiàn)的定量響應(yīng)關(guān)系尚未建立[33].

理論藻源內(nèi)負(fù)荷是指在特定環(huán)境條件下,不考慮藻類被攝食、微生物攝取與分解、出入湖的藻類的生物量與代謝量,僅將藻類凈增長(zhǎng)過程中藻細(xì)胞自身和代謝物質(zhì)(統(tǒng)稱藻源物質(zhì)),在一定時(shí)間內(nèi),超過模擬健康水生態(tài)系統(tǒng)所需藻生物量(換算為負(fù)荷)的“額外”貢獻(xiàn)量作為藻源內(nèi)負(fù)荷.

根據(jù)理論藻源內(nèi)負(fù)荷的定義,藻源內(nèi)負(fù)荷估值取決于藻源性物質(zhì)即胞內(nèi)物質(zhì)與胞外物質(zhì)(代謝)量的大小、湖泊水體C、N、P營(yíng)養(yǎng)要素質(zhì)量濃度水平的變化.本研究通過模擬自然實(shí)際湖泊春季與夏季不同溫度與營(yíng)養(yǎng)水平,開展室內(nèi)藻類生長(zhǎng) AGP實(shí)驗(yàn)[34],通過膜濾手段實(shí)現(xiàn)胞內(nèi)物質(zhì)與胞外物質(zhì)的分離,利用ρ(COD)、ρ(TN)、ρ(TP)等總體定量表征指標(biāo),建立了微觀藻源物質(zhì)與宏觀水質(zhì)指標(biāo)的定量關(guān)系,提出理論藻源內(nèi)負(fù)荷的估算方法.該方法以期為計(jì)算藻源物質(zhì)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水質(zhì)的實(shí)際貢獻(xiàn)提供理論依據(jù),并對(duì)藻類水華生態(tài)災(zāi)變的治理實(shí)踐提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 受試藻種

我國(guó)多數(shù)淺水湖泊藻類群落主要由藍(lán)藻、綠藻和硅藻3個(gè)門構(gòu)成,本研究選擇了其中5種典型藻類作為受試物種,通過模擬自然湖泊藻類結(jié)構(gòu)的組成,估算不同藻類組成湖泊的藻源內(nèi)負(fù)荷.其中包括夏季水華典型類群銅綠微囊藻(Microystis aerufinosa)和春季典型類群水華束絲藻(Aphanizomenon flos-aquae)2種藍(lán)藻,典型四季常見類群四尾柵藻(Scenedesmus quadricauda)和小球藻(Chlorella vulgaris)2種綠藻、放射舟形藻(Navicula radiosa)1種硅藻,5種藻均由中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院藻種庫(kù)(CRAES-AP)提供.

1.2 藻類的培養(yǎng)

設(shè)定春季模擬溫度為 15℃,夏季 23℃,將M11培養(yǎng)基及D1培養(yǎng)基[8]分別配制成模擬貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)、富營(yíng)養(yǎng)3個(gè)不同營(yíng)養(yǎng)水平的藻類培養(yǎng)液,考察不同營(yíng)養(yǎng)水平湖泊藻源內(nèi)負(fù)荷,包括藻胞內(nèi)與胞外負(fù)荷對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn).藻類培養(yǎng)液配置水質(zhì)見表1.

在500mL的培養(yǎng)瓶中加入200mL配置的培養(yǎng)液,將銅綠微囊藻、、水華束絲藻、四尾柵藻和小球藻分別接入3個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的M11培養(yǎng)液,接種濃度為8×l05cells/L.將放射舟形藻接入3個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的D1培養(yǎng)液,接種濃度為8×l05cells/L.每組均設(shè) 3個(gè)重復(fù).光強(qiáng) 4000lux,光照周期為 12h:12h,每3h隨機(jī)調(diào)換培養(yǎng)瓶位置.模擬春季的溫度設(shè)為 (15±1)℃,模擬夏季的溫度設(shè)為(23±1)℃.

表1 藻類培養(yǎng)液配置水質(zhì)Table 1 Culture set of algae growth process

1.3 測(cè)定方法

藻密度采用 OLYMPUS CX41(日本奧林巴斯公司)3目顯微鏡和血球計(jì)數(shù)法測(cè)定.達(dá)到藻類穩(wěn)定增長(zhǎng)期,藍(lán)藻、綠藻在第 13d,硅藻在第 20d分別取藻液過 0.45μm玻璃纖維濾膜,過膜前后分別測(cè)定藻類培養(yǎng)液的ρ(COD)、ρ(TN)、ρ(TP),作為理論藻源內(nèi)負(fù)荷、理論藻源胞外負(fù)荷與理論藻源胞內(nèi)負(fù)荷計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).ρ(COD)測(cè)定采用重鉻酸鉀法(CODCr)和酸性高錳酸鉀法(CODMn), ρ(COD)、ρ(TN)、ρ(TP)的測(cè)定均按文獻(xiàn)[35]方法進(jìn)行.

1.4 計(jì)算方法

本研究中理論藻源內(nèi)負(fù)荷,分別為胞外與胞內(nèi)負(fù)荷,其計(jì)算公式為:

式中:ATP為藻源TP負(fù)荷,mg/L;Pb為穩(wěn)定期藻水混合液過濾前ρ(TP),mg/L;Pc為加藻1d后(作為前述健康水生態(tài)系統(tǒng)所需藻生物量的基準(zhǔn)值,即對(duì)照)培養(yǎng)液 ρ(TP),mg/L;ATN為藻源 TN負(fù)荷, mg/L;Nb為穩(wěn)定期藻水混合液過濾前ρ(TN),mg/L; Nc為加藻1d后培養(yǎng)液ρ(TN) ,mg/L;ACOD為藻源COD負(fù)荷,mg/L;Cr法測(cè)的為ACODCr,Mn法測(cè)的為 ACODMn;Cb為穩(wěn)定期藻水混合液過濾前ρ(COD),mg/L;Cc為加藻 1d后培養(yǎng)液 ρ(COD), mg/L.Cr法為Cc1,Mn法為Cc2.預(yù)研究發(fā)現(xiàn),藻類對(duì)水質(zhì)COD的貢獻(xiàn)因Cr法與Mn法測(cè)定方法的系統(tǒng)性差異,表現(xiàn)出不一致的變化規(guī)律,因此本文將COD負(fù)荷分別采用Cr法與Mn法估算藻源負(fù)荷,以期解釋差異性.

理論藻源胞外負(fù)荷定義為藻過0.45μm膜后各指標(biāo)數(shù)值.由于藻類在一定磷濃度(≤1.0mg/L)范圍內(nèi),在指數(shù)增長(zhǎng)末期即可實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)的全部吸收[36],同時(shí)該實(shí)驗(yàn)所配培養(yǎng)液氮磷比(質(zhì)量)在7～20之間(質(zhì)量比),符合藻類最適生長(zhǎng) Redfield比[37-38],因此該文假設(shè)培養(yǎng)液中各營(yíng)養(yǎng)要素全部被藻類吸收,則過膜后藻代謝各指標(biāo)數(shù)值即為理論藻胞外負(fù)荷,在此假設(shè)基礎(chǔ)上進(jìn)行各指標(biāo)總量平衡的分析.其中ETP為藻源胞外TP負(fù)荷,mg/L,穩(wěn)定期藻水混合液過膜后ρ(TP);ETN為藻源胞外TN負(fù)荷,mg/L,穩(wěn)定期藻水混合液過膜后ρ(TN); ECOD為藻源胞外COD負(fù)荷,mg/L,穩(wěn)定期藻水混合液過膜后ρ(COD),Cr法測(cè)的為ECODCr,Mn法測(cè)的為ECODMn.

理論藻源胞內(nèi)負(fù)荷,是指過膜前藻水混合液各指標(biāo)濃度減去相應(yīng)加藻1d后濃度與理論藻源胞外負(fù)荷,計(jì)算公式為:

式中:BTP為藻源胞內(nèi)TP負(fù)荷,mg/L;BTN為藻源胞內(nèi) TN負(fù)荷,mg/L;BCOD為藻源胞內(nèi) COD負(fù)荷, mg/L,Cr法測(cè)的為BCODCr,Mn法測(cè)的為BCODMn.

1.5 數(shù)據(jù)分析

藻密度及水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果均采用 Excel2007軟件分析,所有指標(biāo)組內(nèi)、組間及指標(biāo)間相關(guān)性與回歸模型采用SPSS 22.0軟件擬合.

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬春季理論藻源內(nèi)負(fù)荷計(jì)算

2.1.1 理論藻源內(nèi)負(fù)荷 模擬春季15℃時(shí),5種藻在不同營(yíng)養(yǎng)條件下穩(wěn)定增長(zhǎng)期 ATP、ATN和ACOD負(fù)荷如圖1所示.5種藻ATP平均值分別為0.044、0.044與0.133mg/L,貧營(yíng)養(yǎng)與中營(yíng)養(yǎng)無顯著差異,分別與富營(yíng)養(yǎng)有顯著差異(P＜0.05);3個(gè)營(yíng)養(yǎng)水平下5種藻平均ATP占過膜前藻水混合培養(yǎng)液ρ(TP)的比例分別為63%、29%和32%,表現(xiàn)出隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而降低的趨勢(shì);3個(gè)營(yíng)養(yǎng)水平下均為水華束絲藻ATP值較小,四尾柵藻、銅綠微囊藻、小球藻ATP值較大;貧營(yíng)養(yǎng)ATP最大與最小間相差31倍,富營(yíng)養(yǎng)時(shí)相差24倍.

3個(gè)營(yíng)養(yǎng)水平間ATN差異極顯著(P＜0.01).貧營(yíng)養(yǎng)下5種藻ATN差異顯著,中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)下差異不顯著;不同營(yíng)養(yǎng)水平下ATN均為負(fù)值,即加藻后培養(yǎng)液中 ρ(TN)低于對(duì)照,并隨營(yíng)養(yǎng)水平升高負(fù)值增大;貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)條件下ATN最大與最小值分別相差7、5和3倍;ATN的減少量分別占穩(wěn)定期過膜前藻水混合液 ρ(TN)的34%、105%與42%.

圖1 模擬春季15℃5種藻藻源ATP、ATN、ACODCr和ACODMn負(fù)荷Fig.1 Algae loading of ATP, ATN, ACODCr, and ACODMnof 5species at 15℃simulating spring temperature

不同營(yíng)養(yǎng)水平間ACODCr差異極顯著(P＜0.01),變化規(guī)律與 ATP相似,即各營(yíng)養(yǎng)級(jí)水華束絲藻ACODCr最低,且不隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而顯著升高;小球藻、四尾柵藻和銅綠微囊藻ACODCr較高;貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng) ACODCr的最大與最小值分別相差2、5和4倍;3個(gè)營(yíng)養(yǎng)水平下ACODCr分別是穩(wěn)定期過膜前藻水混合液的71%、79%與75%,占比與營(yíng)養(yǎng)水平無顯著相關(guān)性.

3個(gè)營(yíng)養(yǎng)水平間ACODMn差異極顯著(P＜0.01),規(guī)律與 ACODCr相似;貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng) 5種藻ACODMn最大與最小值分別相差35、8和2倍,均值分別是穩(wěn)定期過膜前藻水混合液的65%、69%與73%,占比隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而升高. 2.1.2 理論藻源胞外負(fù)荷 15℃時(shí) 5 種藻源胞外負(fù)荷如圖2所示.ETP、ETN、ECODCr和ECODMn表現(xiàn)出隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而升高的趨勢(shì),ETP和ETN在不同營(yíng)養(yǎng)水平間差異極顯著(P＜0.01);在貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)條件下,ETP均值分別占穩(wěn)定期過膜前藻水混合液 ρ(TP)的 43%、29%和16%;ETN均值分別占穩(wěn)定期過膜前藻水混合液ρ(TN)的68%、42%和31%,不同營(yíng)養(yǎng)水平間占比差異不顯著(P＞0.05);ECODCr分別占穩(wěn)定期過膜前藻水混合液ρ(CODCr)的43%、27%和24%,其中銅綠微囊藻的 ECODCr隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而顯著升高;ECODMn分別占穩(wěn)定期過膜前藻水混合液ρ(CODMn)的41%、21%和20%;ETP、ETN、ECODCr和ECODMn在過膜前藻水混合液中各指標(biāo)質(zhì)量濃度的占比,均隨營(yíng)養(yǎng)水平的升高而降低.

圖2 15℃不同營(yíng)養(yǎng)水平5種藻源胞外ETP、ETN、ECODCr和ECODMn負(fù)荷Fig.2 Algae extracellular loading of ETP, ETN, ECODCr, and ECODMnof 5species at 15℃

2.1.3 理論藻源胞內(nèi)負(fù)荷 模擬春季15℃時(shí),5種藻源胞內(nèi)負(fù)荷如圖 3所示.BTP、BTN、BCODCr和BCODMn總體呈現(xiàn)隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而升高的趨勢(shì),其中BTN、BCODCr和BCODMn在不同營(yíng)養(yǎng)水平間差異顯著(P＜0.05);在貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)條件下,BTP均值分別為定期過膜前藻水混合液ρ(TP)的19%、-2%和16%,占比呈中營(yíng)養(yǎng)較低,貧營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)持平的趨勢(shì);BTN均值分別為穩(wěn)定期過膜前藻水混合液ρ(TN)的-102%、-147%和-73%,藻胞內(nèi)總氮負(fù)荷值顯著小于相應(yīng)對(duì)照值(P＜0.05),2者相減為負(fù)值;BCODCr分別為穩(wěn)定期過膜前藻水混合液ρ(CODCr)的26%、52%和50%,占比呈升高后持續(xù)保持的趨勢(shì);BCODMn分別為穩(wěn)定期過膜前藻水混合液ρ(CODMn)的21%、45%和51%,占比持續(xù)升高.

圖3 15℃不同營(yíng)養(yǎng)水平5種藻源胞內(nèi)BTP、BTN、BCODCr和BCODMn負(fù)荷Fig.3 Algae intracellular loading of BTP, BTN, BCODCr, and BCODMnof 5species at 15℃

圖4 15℃時(shí)不同營(yíng)養(yǎng)水平5種藻穩(wěn)定期藻密度變化Fig. 4 Algae density at stable stage under different nutrient levels at 15℃

2.1.4 不同營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)藻類增殖的影響 15℃時(shí),5種藻密度在3個(gè)營(yíng)養(yǎng)水平間差異不顯著(圖4).貧營(yíng)養(yǎng)水平下5種藻密度均較低,放射舟形藻藻密度達(dá)到 1.1×108cell/L,為最大值,最小為水華束絲藻2.3×106cell/L,2者相差50倍;中營(yíng)養(yǎng)水平小球藻藻密度最大,達(dá)到 2.3×109cell/L,其次為四尾柵藻,最小為銅綠微囊藻 4.1×107cell/L,2者相差 57倍.富營(yíng)養(yǎng)水平,最大值為小球藻達(dá)到7.9×109cell/L,最小為銅綠微囊藻 1.0×108cell/L,2者相差76倍.

2.2 模擬夏季理論藻源內(nèi)負(fù)荷計(jì)算

2.2.1 理論藻源內(nèi)負(fù)荷 模擬夏季 23℃時(shí),5種藻不同營(yíng)養(yǎng)水平穩(wěn)定期藻源COD、TN和TP負(fù)荷如圖5所示.ATP在貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)水平下的均值分別為 0.017、0.034與0.081mg/L,營(yíng)養(yǎng)級(jí)間差異不顯著(P＞0.05);貧營(yíng)養(yǎng)條件下5種藻平均ATP占穩(wěn)定期過膜前藻水混合液ρ(TP)的42%,銅綠微囊藻的ATP最大,放射舟形藻最小,2者相差3倍;中營(yíng)養(yǎng)條件下5種藻平均 ATP占穩(wěn)定期過膜前藻水混合液 ρ(TP)的25%;富營(yíng)養(yǎng)條件下5種藻ATP占穩(wěn)定期過膜前藻水混合液 ρ(TP)的 22%;ATP占穩(wěn)定期藻水混合液過膜前 ρ(TP)的比例隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而下降.

藻源 ATN變化趨勢(shì)與春季相似,3個(gè)營(yíng)養(yǎng)水平間差異極顯著(P＜0.01).各藻TN負(fù)荷均為負(fù)值,加藻后培養(yǎng)液中 ρ(TN)低于對(duì)照;中營(yíng)養(yǎng)與富營(yíng)養(yǎng)水平時(shí) ATN負(fù)值程度大于貧營(yíng)養(yǎng);ATN的減少量分別為穩(wěn)定期過膜前藻水混合液 ρ(TN)的61%、141%,56%.

圖5 23℃時(shí)5種藻穩(wěn)定期藻源ATP、ATN、ACODCr和ACODMn負(fù)荷Fig.5 Algae loading of ATP, ATN, ACODCr, and ACODMnof 5species at 23℃

ACODCr在不同營(yíng)養(yǎng)水平間差異極顯著(P＜0.01),規(guī)律與春季相似.5種藻的 ACODCr在貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)條件下,最大與最小值分別相差5、11和13倍,5種藻ACODCr均值分別為穩(wěn)定期過膜前藻水混合液 ρ(CODCr)的 73%、79%與78%,占比隨營(yíng)養(yǎng)水平升高無顯著變化.

ACODMn在不同營(yíng)養(yǎng)水平間差異極顯著(P＜0.01),規(guī)律與春季相似,5種藻的ACODMn均隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而增大.貧營(yíng)養(yǎng)水平下放射舟形藻ACODMn最大,其余4藻無顯著差異;富營(yíng)養(yǎng)條件下5種藻的 ACODMn均顯著高于中營(yíng)養(yǎng)與貧營(yíng)養(yǎng).3個(gè)營(yíng)養(yǎng)條件下5種藻最大與最小ACODMn分別相差57、16和1倍,5種藻均值分別為穩(wěn)定期過膜前藻水混合液 ρ(CODMn)的 62%、70%與 76%,占比隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而升高.

2.2.2 理論藻源胞外負(fù)荷 模擬夏季23℃時(shí),5種

藻胞外負(fù)荷如圖6所示.ETP、ETN、ECODCr和ECODMn均隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而升高,ETP和 ETN在不同營(yíng)養(yǎng)水平間差異極顯著(P＜0.01);3個(gè)營(yíng)養(yǎng)水平下5種藻ETP均值分別占穩(wěn)定期過膜前藻水混合液ρ(TP)的62%、24%和13%;ETN分別占64%、37%和34%; ECODCr在不同營(yíng)養(yǎng)水平間無顯著差異(P＞0.05),分別占穩(wěn)定期過膜前藻水混合液ρ(CODCr)的40%、25%和 23%;ECODMn在不同營(yíng)養(yǎng)水平間差異顯著(P＜0.05),分別占穩(wěn)定期過膜前藻水混合液ρ(CODMn)的38%、14%和14%.ETP、ETN、ECODCr和ECODMn在過膜前藻水混合液中各指標(biāo)質(zhì)量濃度的占比,均隨營(yíng)養(yǎng)水平的升高而降低.

2.2.3 理論藻源胞內(nèi)負(fù)荷 模擬夏季 23℃時(shí),5種藻藻源胞內(nèi)負(fù)荷如圖 7所示.與 15℃時(shí)相似,BTP、BTN、BCODCr和BCODMn總體呈現(xiàn)隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而升高的趨勢(shì),且不同營(yíng)養(yǎng)水平間差異顯著(P＜0.05).在貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)條件下,BTP均值分別為定期過膜前藻水混合液ρ(TP)的-20%、1%和10%;BTN均值分別為穩(wěn)定期過膜前藻水混合液 ρ(TN)的-125%、-173%和-88%,BTN顯著小于相應(yīng)對(duì)照值(P＜0.05),2者相減為負(fù)值;BCODCr分別為穩(wěn)定期過膜前藻水混合液ρ(CODCr)的32%、53%和54%,占比呈升高后持續(xù)保持的趨勢(shì);BCODMn分別為穩(wěn)定期過膜前藻水混合液ρ(CODMn)的22%、53%和61%.BTP、BTN、BCODCr和 BCODMn在過膜前藻水混合液中各指標(biāo)質(zhì)量濃度的占比,均隨營(yíng)養(yǎng)水平的升高而升高.

圖6 23℃時(shí)不同營(yíng)養(yǎng)水平5種藻的胞外ETP、ETN、ECODCr和ECODMn負(fù)荷Fig.6 Algae metabolism loading of ETP, ETN, ECODCr, and ECODMnof 5species at 23℃

2.2.4 不同營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)藻類增殖的影響 模擬夏季23℃時(shí)5種藻增殖規(guī)律與15℃時(shí)相似,但不同營(yíng)養(yǎng)水平間存在顯著差異(P＜0.05)(圖 8).5種藻藻密度在貧營(yíng)養(yǎng)水平時(shí)均較低,藻密度最大值與最小值相差79倍;中營(yíng)養(yǎng)水平下藻密度最高值為小球藻,達(dá)到 1.2×109cell/L,其次為四尾柵藻和銅綠微囊藻,最小為水華束絲藻 1.9×107cell/L,最大值與最小值相差60倍.富營(yíng)養(yǎng)規(guī)律與中營(yíng)養(yǎng)相似,最高值為小球藻達(dá)到 8.7×109cell/L,最小為水華束絲藻4.5×108cell/L,2者相差19倍.

圖7 23℃不同營(yíng)養(yǎng)水平5種藻源胞內(nèi)BTP、BTN、BCODCr、BCODMn負(fù)荷Fig.7 Algae intracellular loading of BTP, BTN, BCODCr, and BCODMnof 5species at 23℃

圖8 23℃時(shí)不同營(yíng)養(yǎng)水平藻類穩(wěn)定期藻密度變化Fig.8 Algae density at stable stage and different nutrient levels at 23℃

2.3 模擬春季 15℃與夏季 23℃藻源負(fù)荷差異及與藻密度相關(guān)性

模擬春季與夏季兩個(gè)不同溫度下藻負(fù)荷各項(xiàng)指標(biāo)中,僅貧營(yíng)養(yǎng)水平時(shí) ATP有顯著差異(P＜0.05),表明貧營(yíng)養(yǎng)條件下藻ATP對(duì)溫度較為敏感;ATN、ACODCr、ACODMn對(duì)溫度均差異不顯著(P＞0.05),而對(duì)營(yíng)養(yǎng)水平差異極顯著(P＜0.01),表明藻源TN和COD負(fù)荷對(duì)溫度不敏感,對(duì)營(yíng)養(yǎng)水平較敏感;藻胞外負(fù)荷ETP、ETN、ECODCr和ECODMn在不同溫度下差異不顯著(P＞0.05),15℃時(shí)ETP、ETN和23℃時(shí)ECODMn在3個(gè)營(yíng)養(yǎng)水平下分別為極顯著差異和顯著差異表明,藻胞外負(fù)荷對(duì)溫度不敏感對(duì)營(yíng)養(yǎng)水平敏感;藻胞內(nèi)負(fù)荷BTP、BTN、BCODCr和BCODMn與胞外負(fù)荷相似,均表現(xiàn)為對(duì)溫度不敏感對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)水平敏感;15℃時(shí),藻密度與ATP和 BTP極顯著相關(guān),與 ACODCr和 ETN顯著相關(guān);23℃時(shí),藻密度與 ACODCr、ACODMn、BCODCr和BCODMn為極顯著正相關(guān)(P＜0.01),與ETN和ETP顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05).

2.4 理論藻源內(nèi)負(fù)荷估算模型的確定

2.4.1 藻源TP負(fù)荷ATP的估算 根據(jù)前述分析與討論結(jié)果,藻源 ATP與藻密度的對(duì)數(shù)呈顯著線性回歸關(guān)系(P＜0.05,圖9),因此TP的理論藻源內(nèi)負(fù)荷估算通量模型為:

式中:D為藻密度,cell/L,此公式僅適用于藻密度大于1.2×107cell/L的情況.

圖9 ATP與藻密度回歸曲線Fig.9 Fit curve between ATPand algae density

2.4.2 藻源TN負(fù)荷ATN的估算 本研究中測(cè)得過膜前藻水混合ρ(TN)濃度均小于對(duì)照,ATN出現(xiàn)負(fù)值的現(xiàn)象,這可能與藻胞外物分解產(chǎn)生的含氮類揮發(fā)物質(zhì)排入大氣有關(guān)[39-40].因此,在計(jì)算理論藻TN負(fù)荷時(shí)采用了膜前減膜后TN濃度的方法估算藻類TN負(fù)荷,稱為A’TN,與藻密度的回歸模型見圖10,計(jì)算模型如下:

式中:D為藻密度,cell/L,此公式僅適用于藻密度大于1.05×107cell/L的情況.

2.4.3 藻源CODCr負(fù)荷的估算 根據(jù)前述不同溫度各藻 ACODCr差異不顯著,并與藻密度成極顯著的對(duì)數(shù)回歸關(guān)系(P＜0.01,圖11),得到CODCr的理論藻源內(nèi)負(fù)荷估算通量模型為:

式中:D為藻密度,cell/L,此公式僅適用于藻密度大于5.2×106cell/L的情況.

圖10 A’TN與藻密度回歸曲線Fig.10 Fit curve between ATNand algae density

圖11 ACODCr與藻密度回歸曲線Fig.11 Fit curve between ACODCrand algae density

圖12 ACODMn與藻密度回歸曲線Fig.12 Fit curve between ACODMnand algae density

2.4.4 藻源 CODMn負(fù)荷 ACODMn的估算 根據(jù)前述ACODMn對(duì)不同溫度差異顯著,ACODMn與藻密度成極顯著的對(duì)數(shù)回歸關(guān)系(P＜0.01,圖 12),得到CODMn的理論藻源內(nèi)負(fù)荷估算通量模型為:

式中:D為藻密度,cell/L,此公式僅適用于藻密度大于5.5×106cell/L的情況.

2.5 總量平衡分析

根據(jù)理論藻源內(nèi)負(fù)荷計(jì)算公式,藻源內(nèi)負(fù)荷應(yīng)等于藻與培養(yǎng)液的各指標(biāo)的混合液濃度減去相應(yīng)對(duì)照濃度,即培養(yǎng)液中的C、N、P元素濃度全部轉(zhuǎn)化為藻源胞內(nèi)負(fù)荷與胞外負(fù)荷.但事實(shí)上,本研究發(fā)現(xiàn)ATP、ACODCr和ACODMn的量均高于藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的初始基準(zhǔn)濃度(表2),即因藻類的增殖將外界“額外的負(fù)荷”帶入到系統(tǒng)中;ATN則顯著低于各營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)照的 ρ(TN),為負(fù)值.對(duì) ATP而言,藻類在磷缺乏的情況下,系統(tǒng)中“多出來的磷”可能來源于大氣中可溶性總磷(TDP),大氣TDP占大氣總磷的比例超過65%[41],這種形態(tài)的磷極易被藻類吸收利用;ATN的“虧損”可能與藻類釋放部分揮發(fā)性氮類物質(zhì)有關(guān)[39,40];各營(yíng)養(yǎng)水平下5種藻水混合液的ACODCr與ACODMn超出藻類基準(zhǔn)ρ(COD)的1.5～3.7倍,表明藻類生長(zhǎng)不僅利用了培養(yǎng)液中HCO3-作為碳源[42-43],更多的利用了空氣中CO2合成自身有機(jī)物質(zhì)[44].

長(zhǎng)期以來對(duì)湖泊藻類的研究主要集中在水質(zhì)與藻類種群結(jié)構(gòu)及與水華形成關(guān)系等方面[45-47],隨著湖泊富營(yíng)養(yǎng)化研究的深入,藻類自身對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)要素的貢獻(xiàn)和有效性受到關(guān)注[48].湖泊中溶解性有機(jī)質(zhì)約占上覆水總 DOM的60%～75.9%[49-50],據(jù)推測(cè),其中藻源性DOM的貢獻(xiàn)占 25%～41%[51].與此推測(cè)相似,本研究發(fā)現(xiàn),藻類在增殖過程中確實(shí)產(chǎn)生了遠(yuǎn)超過系統(tǒng)物質(zhì)總量的“額外”負(fù)荷,這些藻源負(fù)荷可能是引起水質(zhì)指標(biāo),特別是 COD異常升高的重要原因.更深入的研究涉及到對(duì)藻類全生命過程的吸收、降解或代謝有機(jī)物質(zhì)動(dòng)力學(xué)、物質(zhì)平衡、結(jié)構(gòu)表征與差異性等多方面機(jī)理的揭示,以及與環(huán)境污染因素之間的協(xié)同或抑制關(guān)系的深入研究,是今后研究的主要方向.

表2 理論藻源內(nèi)負(fù)荷超過相應(yīng)對(duì)照營(yíng)養(yǎng)要素總量的比例Table 2 Proportions of the algae derived theory loading to the main nutrient more than corresponding control

3 結(jié)論

3.1 模擬春季夏季溫度時(shí),理論藻源ATP隨營(yíng)養(yǎng)水平升高對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn)率下降,ACODCr和 ACODMn的貢獻(xiàn)隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而升高;胞外負(fù)荷 ETP、ETN、ECODCr、ECODMn均隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而顯著降低;胞內(nèi)負(fù)荷BTP、BTN、BCODCr和BCODMn隨營(yíng)養(yǎng)水平升高而顯著升高.

3.2 理論藻源內(nèi)負(fù)荷計(jì)算模型分別為 ATP= -0.260+0.016ln(D)、A′TN=-3.406+0.211ln(D)、ACODCr=-102.690+6.652ln(D)和ACODMn=-20.912+ 1.357ln(D).

3.3 藻類在增殖過程中產(chǎn)生了超出系統(tǒng)外的“額外”負(fù)荷,這些藻源負(fù)荷可能是引起水質(zhì)指標(biāo),特別是 COD異常升高的重要原因.藻源 TP和COD負(fù)荷在穩(wěn)定期對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn)較大,為 0.2～3.7倍,藻源 TN負(fù)荷的貢獻(xiàn)為負(fù),減少的比例在26%～58%之間.

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Theoretic estimation method of algae derived loading for lakes.

YANG Su-wen*, JIN Wei-dong, YAN Yu-hong, WANG Sheng-rui
(State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, Research Center of Lake Eco-environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China). China Environmental Science, 2017,37(1)：271～283

Water quality index such as CODCr, CODMn, TP, and TN were selected to characterize theory algae derived loading, extracellular loading,and algae derived intracellular loading to set up estimation method system of algae derived loading under the simulation of two temperatures and 3 nutrition levels conditions. Results showed that average ATPof 5species kept increasing with nutrition level rising. Meanwhile the theory algae derived TN loading ATNwas basically negative. ACODCrand ACODMnkept increasing withnutrition level rising. Algae derived extracellular TP loading ETP, extracellular TN loading ETN, extracellular CODCrloading ECODCr, and extracellular CODMnloading ECODMnkept dropping with nutrition level rising. Algae derived intracellular TP loading BTP, extracellular TN loading BTN, extracellular CODCrloading BCODCr, and extracellular CODMnloading BCODMnkept increasing withnutrition level rising. Results showed that theory algae derived loading was correlation with algae density significantly. Contribution to water quality of TP and COD loading waslarger. It was in the range of 0.2～3.7 times. That of TN was negative. The percentage of declining was in the range of 26%～58%. During the process of algae growth the "extra" loading of the total amount of system material was produced. It was an important reason for the water quality indicators, especially the increase of COD. This estimation method would be an important scientific basis on waterbloom control and quantitative reduction of eutrophication lakes.

lake；algae；theory algae derived loading；extracellular loading；intracellular loading；estimation

X524

A

1000-6923(2017)01-0271-13

楊蘇文(1970-),女,內(nèi)蒙古呼和浩特人,研究員,博士,主要從事湖泊水污染生態(tài)學(xué)研究.發(fā)表論文40余篇.

2016-03-31

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07102-004);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1202235)

* 責(zé)任作者, 研究員, yangsw@craes.org.cn