蓝藻水华爆发过程溶解性有机质产生及其降解过程研究

1学号：20141226552南京信息工程大学研究生学位论文开题报告及论文工作实施计划所在院（所）应用气象学院学科专业生态学研究生孙伟学位级别硕士导师李琪开题报告日期2015.12.23入学年月2014年9月南京信息工程大学研究生院2015年12月23日2说明1、论文开题报告由研究生向院（所）报告后，听取意见并整理成文后填写；2、论文工作实施计划由指导教师填写；3、博士生在第六学期结束前完成，硕士生在第三学期结束前完成；4、本表一式一份，提交研究生院审核盖章后，由学院留存整理归档。3一、论文开题报告论文题目蓝藻水华爆发过程溶解性有机质产生及其降解过程研究研究方向环境生态学题目来源国家部委省市厂、矿自选有无合同经费数√有题目类型工程技术应用研究理论研究跨学科研究其它√4开题报告内容：一、研究背景我囯湖泊众多，绝大部分已富营养化，其中有部分蓝藻爆发或曾爆发。如“三湖”（太湖、巢湖和滇池）是蓝藻年年严重爆发的浅水型湖泊，其它有一部分湖库发生间隔性蓝藻爆发或轻度爆发，鄱阳湖和洞庭湖等大型湖泊虽已富营养化但因为换水次数多而未蓝藻爆发，洪泽湖虽换水次数较多但也发生多次轻度蓝藻爆发及数次较重蓝藻爆发，三峡水库支流的回水河段也发生间隔性或轻度蓝藻爆发或藻类爆发[1]。蓝藻是一类极其古老、微小的原核生物,长期的进化形成了极强的生态竞争优势,在适合的环境条件下即可获得最大生长率,并以指数级迅速增长[2-3]。研究发现蓝藻具有自我强化机制作用的生态生长调节素,可使其产生尽可能多的后代,从而使产毒菌株密度增加,获得竞争优势,形成种类少而数量大的蓝藻水华[4]。研究发现蓝藻具有自我强化机制作用的生态生长调节素,可使其产生尽可能多的后代,从而使产毒菌株密度增加,获得竞争优势,形成种类少而数量大的蓝藻水华[5-8]。蓝藻水华有多种相近似的定义。目前大多数学者普遍认同蓝藻水华是在富营养化水体中蓝藻大量增殖，水体中叶绿素a浓度超过10mg/m3或藻细胞超过1.5×107个/L，并在水面形成一层蓝绿色或有恶臭的浮沫。我国报道的发生水华的蓝藻共26种，其中微囊藻属10种，鱼腥藻属(Anabaena)12种，拟鱼腥藻属(Anabaenopsis)、束丝藻属(Aphanizomenon)、浮丝藻属(Planktothrix)和拟浮丝藻属(Planktothricoides)各1种;国外记载了约89种[9]。Dokulil和Teubner[10]使用温带和(亚)热带地区各种浅水和深水湖泊的原始数据和文献资料分析并讨论了蓝藻优势形成的机制，认为蓝藻的长期优势通常是由多种因素(营养浓度，湖泊形态，水温，水底光可用性，混合条件等)引起的。孔繁翔和高光[11]分析了导致蓝藻水华形成的化学、物理和生物等主要环境因素，论述了蓝藻，尤其是微囊藻属(Microcystis)成为水华优势种的可能原因，并提出了蓝藻水华成因的“四阶段理论”。2008年出版的Hudnell主编的书中，提出了有害蓝藻水华研究的理论框架，确定研究的9个主要方向并进行了详细的论述[12-15]。蓝藻水华通过产生毒素、死亡分解时使水体缺氧和破坏正常的食物网威胁到饮用水安全、公众健康和景观，会造成严重的经济损失和社会问题。蓝藻大量生长改变了水体的理化环境,透明度降低,水体散发腥臭味,溶解氧减少[16]。当水体中的营养素被蓝藻耗尽时,蓝藻大量死亡,各种有害气体及蓝藻毒素大量释放,最终导致水生态系统的迅速崩溃。蓝藻水华也给水产养殖业、供水及旅游业带来极大的危害。蓝藻水华发生机理是阐明蓝藻水华发生规律的生态学理论[17]。近年来，特别是2007年太湖蓝藻水华引起的饮用水危机以来，蓝藻水华一直备受各级管理部门和社会各界关注，这一重要生态学领域在不断取得新成果。深入研究蓝藻水华的爆发过程及其机理，加深对蓝藻水华产生及消亡机理的科学认识，可以为蓝藻水华的防治提供可靠的理论支撑[18]。二、藻源性DOM研究国内外现状在蓝藻水华的爆发过程中必然伴随着蓝藻死亡分解。在藻类死亡和分解的过程中，由于氧气的大量消耗会造成一个厌氧的环境导致水生生物的死亡；在分解的过程中还会伴随着N、P等无机营养盐和有机质的释放[19-22]。溶解性有机质(DOM)是水生生态系统中一种重要的、活跃的化学组分。DOM在水环境中会影响水体的酸碱特性、营养物质的有效性和污染物质的环境行为特性，如污染物质的毒性、迁移转化特性及生物可降解性等；同时，对重金属元素和有机污染物在水环境中的迁移行为也具有重要影响[23]。溶解性有机质可以吸收UV-B辐射，减少紫外对水生生物的伤害：从溶解性有机质中有色溶解性有机质的吸收光谱来看，其对紫外光吸收最强，在近红外光处吸收趋向于零[24]。由于有色溶解性有机质对紫外辐射的强烈吸收，因此限制了对生物有害的UV-B辐射的深度。因为在藻型湖泊中溶解性有机质的较高含量，造成短波长的光在水体中衰减较快，减少了紫外光对水体生态系统的影响[25-26]。溶解性有机质可以直接或间接被微生物利用。在溶解性有机质中含有大量有机营养物质，有利于5上层藻类特别是具有气囊的微囊藻大量生长繁殖；藻类能够较快地运用有机营养物质，高溶解性有机质为其快速生长提供了必要的条件。藻类的生长周期短，藻类生长繁殖死亡的过程中经过光合作用积累和生产的有机质也会被溶解于水体，又加剧了水体中可溶性有机质浓度的增大，这样反过来又促进了藻类的生长繁殖，而形成了溶解性有机质的循环。溶解性有机质本身也可以进行光的降解作用产生大量游离态的离子基团从而改变水体的环境[27]。溶解性有机质可以和金属（如Fe、Cu）作用，影响金属的生物可利用性；可以调节湖泊的pH值，起到缓冲作用。溶解性有机质（DOM）来源主要有两个方面：内源输入和外源输入。内源与生物活动密切相关，主要为水体中的浮游动植物有机体光降解、细菌降解、浮游动植物和浮游细菌细胞渗漏等;而外源主要为地表径流引起的周围土壤中动植物残体及有机质的汇入以及工农业污水、生活污水的排入，此外，河水输入也是湖泊DOM的重要外源，一般情况下外源输入对湖泊溶解性有机质的影响从湖边到湖心区域成依次递减的，所以在湖心区域主要以内源输入为主，而在靠近陆地的湖区外源输入占主要部分[28]。目前在国内外研究方面：傅平青等利用荧光发射光谱、三维荧光光谱研究云贵高原湖泊红枫湖和百花湖中的DOM的组成、荧光光谱特性及其在湖泊水体中的垂直分布情况[29]。张运林等利用三维荧光对太湖溶解性有机碳的来源也进行了分析，并取得了丰富的研究成果。胡素征等通过测定2014年2、3月份长江口表层水中有色溶解有机物(CDOM)吸收光谱及溶解有机碳(DOC)质量浓度，探究CDOM的来源及其与DOC的关系[31]。Stedmon和Mmarkager[32]通过藻类降解实验，运用三维荧光分析法追踪内源DOM的生成与降解，研究了在不同无机营养状态下浮游植物对DOM的产生以及利用情况。通过文献的查阅，发现藻源性DOM产生是随着藻类的消亡降解而产生的。藻源性DOM在湖泊生态系统中的循环主要要有两条路径[33-35]。其中一条是藻源性DOM经过自然光的降解作用产生DON、NH4+、NO3-、NO2-、PO43-等离子可以提供给藻类促进藻类的生长，从一方面促进了蓝藻水华的爆发；另一条途径是藻源性DOM经过细菌的分解，产生N、P等无机营养盐,无机营养盐的增加进一步加剧蓝藻水华的爆发，部分的蓝藻和细菌被浮游动物所捕食，大部分蓝藻自动消亡降解又会产生藻源性DOM。这就形成了DOM在湖泊生态形态中的循环过程[36]。但现有研究大多为室内培养藻类研究其DOM的释放；且对其后续的光降解和生物降解缺乏系统的研究，导致对DOM的不同组分的光解和细菌降解性质了解不深入，为此本研究将从蓝藻水华爆发过程DOM的产生、DOM的转化（光降解和细菌降解）进行系统的研究。三、实验内容本文研究基于原位和人工控制实验，利用吸收光谱和荧光等技术,揭示蓝藻水华爆发过程溶解性有机质的产生和降解过程。具体研究内容包括以下几个方面；1、DOM的变化研究设计不同浓度蓝藻的围格来模拟蓝藻爆发和消亡的过程，在其过程中采集水样，分析和测量其中溶解性有机质的变化过程、各种水质参数和组分。2、DOM光降解研究通过控制不同的受控因素如光强、波长、溶解氧、PH、光照时间等情况下，研究DOM的分解情况分解情况及其影响因素。3、DOM细菌降解实验将藻源性DOM稀释后接种取样湖水避光培养，取样进行分析三维荧光和吸收光谱、细菌丰度的测定，来研究细菌降解藻源性DOM的过程及其影响因素。6四、DOM表征方法现阶段对于DOM的研究主要集中于对CDOM的研究，表征的方法主要有紫外可见吸收光谱和三维荧光光谱法。（一）紫外光可见吸收光谱紫外分光光度计测量CDOM的光谱吸收系数通常采用通过GF/F过滤的水样在UV2401分光光度计下测定其吸光度,然后根据(1)式进行计算得到各波长的吸收系数。a(λ＇)=2.303D(λ)/r（1）式中,a(λ＇)为波长入未校正的吸收系数(m-1)，D(λ)为吸光度,r为光程路径(m)。（二）三维荧光光谱法三维荧光技术(3DEEM)能够获得激发波长和发射波长同时变化时的荧光强度信息，能够对多组分复杂体系中荧光光谱(发射/激发，Ex/Em)重叠的对象进行光谱识别和表征，是一种很有效的光谱指纹技术[36]。当前用来定量描述和区分CDOM荧光特性的指标主要有5种：荧光指数、新鲜度指数、腐殖化指数、氧化还原指数和荧光强度比值[37]。(三)平行因子分析法在三维光谱图中的应用。平行因子分析（PARAFAC）是基于三线性分解理论，采用交替最小二乘算法实现的一种数学模型，广泛应用于三维和高维数据的分析和应用。一方面，与一些二维数据分析方法（如主成分分析法）相比平行因子分析的解是唯一的，因而较好的避免了由于研究者本身的随意性而造成的分析结果的差异；另一方面平行因子分析法可以将荧光信号分解为相对独立的荧光现象而加以鉴别，从而提高了准确性。近年Stdemon来等利用PARAFAC方法来对CDOM的三维荧光光谱进行解谱，可客观地识别出样品中各个荧光组分的特征及其浓度[38]。7五、实验设计及方案（一）不同浓度蓝藻降解（消亡）过程产生的DOM1、实验围格的设计按下图进行实验围格的设计。2、实验地点和时间选取此次实验地点选在安徽巢湖，实验的时间为2015年7月和8月。3、采样时间从施加不同的藻浓度起第二天开始采样，采样的周期为隔天采样，采样的次数预计为10次。4、样品采集上层水下层水此次实验采集水样按上图进行，分上下层取样，即每个围格都需要取其上下层水样，一次采样为6种水样。每层水样都做以下处理；（1）取原水样40ml装瓶，测总氮总磷（TN、TP）；（2）取45ml原水样至Corning离心管加0.1mol/L的硝酸使得PH2，测总金属含量；（3）用事先蒸馏水浸泡1小时的0.45um的玻璃纤维膜过滤原水样直至很慢，记录体积，滤膜保存2ml离心管，测叶绿素；（4）经0.45um过滤的水样装瓶，测溶解性氮磷和三氮一磷；（5）使用事先经过马弗炉烧过并称重的0.7GF/F膜过滤原水样，记录过滤体积直至很慢，滤膜用锡箔纸包好后装入塑封袋，测总悬浮物（TSS）和烧失量（LOI）；（6）用没有称重的GF/F膜过滤原水样，记录过滤体积直至过滤很慢，滤膜用锡箔纸包裹装入塑封袋，测POM；（7）经过0.7umGF/F膜过滤的水样用30ml棕色瓶避光保存，测DOC；（8）将经过0.7umGF/F过滤的水样用0.2um膜过滤，过滤后的水样用60ml的棕色瓶避光保存，测有色溶解性有机质（CDOM）；（9）将上述经过0.2um过滤的水，用50ml康宁管装好，测溶解性金属；（10）将上述经过0.2um滤膜过滤的水样取0.4ml，先后加入事先配好的0.5ml的缓冲溶液和0.4ml菲啰嗪后用锡箔纸包好避光保存，测Fe2+；上述水样和膜都需要冷冻保存，带回来后进行测样分析，导出数据运用数学模型分析，得出结论。1号有底围格叶绿素浓度12.47mg/l2号有底围格叶绿素浓度25.5mg/l3号有底围格