湖泊理论藻源内负荷估算方法研究

中国环境科学2017,37(1)：271~283ChinaEnvironmentalScience湖泊理论藻源内负荷估算方法研究杨苏文*,金位栋,闫玉红,王圣瑞(中国环境科学研究院水所湖泊生态环境创新基地,环境与风险评估国家重点实验室,北京100012)摘要：在模拟不同温度和营养条件下,采用水质指标CODCr、CODMn、TP、TN表征湖泊典型藻类藻源内负荷、胞外负荷、胞内负荷,形成理论藻源内负荷理论估算的方法体系.5种藻源TP负荷ATP均值随贫、中和富营养水平升高而升高,藻源TN负荷ATN为负值,藻源CODCr负荷ACODCr随营养水平升高而显著升高.藻源胞外TP负荷ETP、TN负荷ETN、CODCr负荷ECODCr、CODMn负荷ECODMn均随营养水平升高而降低,藻源胞内TP负荷BTP、TN负荷BTN、CODCr负荷BCODCr和CODMn负荷BCODMn总体随随营养水平升高而升高.根据藻源内负荷与藻密度显著相关关系,确定了藻源内负荷计算模型.藻源TP和COD在稳定期对水质的贡献均较大,为0.2~3.7倍,藻源TN内负荷对水质的贡献为负,减少的比例在26%~58%之间.本研究表明,藻类在增殖过程中产生了超出系统物质总量的“额外”负荷,这些藻源内负荷是引起水质指标,特别是COD异常升高的重要原因.该估算方法为富营养化湖泊水华的定量削减控制提供科学依据.关键词：湖泊；藻；理论藻源内负荷；胞外负荷；胞内负荷；估算中图分类号：X524文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)01-0271-13Theoreticestimationmethodofalgaederivedloadingforlakes.YANGSu-wen*,JINWei-dong,YANYu-hong,WANGSheng-rui(StateKeyLaboratoryofEnvironmentalCriteriaandRiskAssessment,StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryforLakePollutionControl,ResearchCenterofLakeEco-environment,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(1)：271~283Abstract：WaterqualityindexsuchasCODCr,CODMn,TP,andTNwereselectedtocharacterizetheoryalgaederivedloading,extracellularloading,andalgaederivedintracellularloadingtosetupestimationmethodsystemofalgaederivedloadingunderthesimulationoftwotemperaturesand3nutritionlevelsconditions.ResultsshowedthataverageATPof5specieskeptincreasingwithnutritionlevelrising.MeanwhilethetheoryalgaederivedTNloadingATNwasbasicallynegative.ACODCrandACODMnkeptincreasingwithnutritionlevelrising.AlgaederivedextracellularTPloadingETP,extracellularTNloadingETN,extracellularCODCrloadingECODCr,andextracellularCODMnloadingECODMnkeptdroppingwithnutritionlevelrising.AlgaederivedintracellularTPloadingBTP,extracellularTNloadingBTN,extracellularCODCrloadingBCODCr,andextracellularCODMnloadingBCODMnkeptincreasingwithnutritionlevelrising.Resultsshowedthattheoryalgaederivedloadingwascorrelationwithalgaedensitysignificantly.ContributiontowaterqualityofTPandCODloadingwaslarger.Itwasintherangeof0.2~3.7times.ThatofTNwasnegative.Thepercentageofdecliningwasintherangeof26%~58%.Duringtheprocessofalgaegrowththeextraloadingofthetotalamountofsystemmaterialwasproduced.Itwasanimportantreasonforthewaterqualityindicators,especiallytheincreaseofCOD.Thisestimationmethodwouldbeanimportantscientificbasisonwaterbloomcontrolandquantitativereductionofeutrophicationlakes.Keywords：lake；algae；theoryalgaederivedloading；extracellularloading；intracellularloading；estimation健康湖泊生态系统中外源输入的氮磷等营养元素在浮游藻类利用、沉积物沉降与吸附、水生植物与微生物利用、以及进入大气等物质循环间的比例是动态平衡的[1].由于富营养化湖泊藻类“水华”破坏了水生生态系统物质能量交换平衡,严重时甚至可引发生态灾变[2].通常内负荷指单位时间湖内产生的超出健康水生态系统需要的营养或其他物质的量,因此,湖泊“藻源内负荷”即超过健康水生态系统结构需求的过剩藻类生物量及其代谢量.目前国内外鲜有对“藻源内负收稿日期：2016-03-31基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07102-004);国家自然科学基金项目(U1202235)*责任作者,研究员,[e-mail]272中国环境科学37卷荷”的相关研究,难以形成藻对水体主要生源要素贡献的定量认识.针对这一问题,国家水体污染控制与治理科技重大专项(下称水专项)“十一五”和“十二五”课题中,均把藻源内负荷估算作为重点科学问题进行深入研究.水华爆发及形成机制的研究经历了氮磷营养盐限制理论[3-5]、非稳态种间竞争理论[6-8]、藻类休眠复苏理论[9-10]等过程.这些理论从优势藻类对营养需求、外界干扰、自身生理优势[11-12]等角度阐述了藻类异常增殖的机理,并运用宏观技术对水华规模开展了定性研究[13-15].这些研究有助于了解藻类种群结构特征与相应水质的动态变化关系,但未能将藻类生物量与对水质的贡献建立定量联系,进而确定湖泊水华生态灾害的定量控制目标.广义上理解,湖泊藻源内负荷的估算是一个开放的体系,即藻源内负荷的计算应考虑藻自身负荷、藻代谢负荷、被摄食与分解、入湖与出湖负荷五部分的影响.事实上,由于牧食或分解藻类的水生动物和微生物的生命周期不同,摄食分解量不同,物质的循环次数不同,使这一计算过程变得异常复杂,误差控制难度较大,难以得到藻源内负荷的准确值.因此,本研究采用了理论藻源内负荷估算方法来计算藻负荷量.研究表明,藻源物质一般由胞内物质(IOM,如大分子蛋白质、碳水化合物、核酸、酶类、脂类和色素等[16]为主)和胞外物质(EOM[17-18],如酸性多糖类碳水化合物为主,并包括少量蛋白质和脂类[19]等)组成,其中氨基酸和蛋白质占25%~50%[20-21]、碳水化合物占40%[22],及少部分藻毒素[23-25]和异味物质[26-27]等亲水或疏水[30-32]的次生代谢物[28-29],这些藻源物质是湖泊溶解性有机质(DOM)的重要组成部分[51].目前对藻源物质化学结构和定量表征已成为藻类研究的热点,但作为内负荷,藻源物质对湖泊水质贡献的定量响应关系尚未建立[33].理论藻源内负荷是指在特定环境条件下,不考虑藻类被摄食、微生物摄取与分解、出入湖的藻类的生物量与代谢量,仅将藻类净增长过程中藻细胞自身和代谢物质(统称藻源物质),在一定时间内,超过模拟健康水生态系统所需藻生物量(换算为负荷)的“额外”贡献量作为藻源内负荷.根据理论藻源内负荷的定义,藻源内负荷估值取决于藻源性物质即胞内物质与胞外物质(代谢)量的大小、湖泊水体C、N、P营养要素质量浓度水平的变化.本研究通过模拟自然实际湖泊春季与夏季不同温度与营养水平,开展室内藻类生长AGP实验[34],通过膜滤手段实现胞内物质与胞外物质的分离,利用ρ(COD)、ρ(TN)、ρ(TP)等总体定量表征指标,建立了微观藻源物质与宏观水质指标的定量关系,提出理论藻源内负荷的估算方法.该方法以期为计算藻源物质对富营养化湖泊水质的实际贡献提供理论依据,并对藻类水华生态灾变的治理实践提供技术支撑.1材料与方法1.1受试藻种我国多数浅水湖泊藻类群落主要由蓝藻、绿藻和硅藻3个门构成,本研究选择了其中5种典型藻类作为受试物种,通过模拟自然湖泊藻类结构的组成,估算不同藻类组成湖泊的藻源内负荷.其中包括夏季水华典型类群铜绿微囊藻(Microystisaerufinosa)和春季典型类群水华束丝藻(Aphanizomenonflos-aquae)2种蓝藻,典型四季常见类群四尾栅藻(Scenedesmusquadricauda)和小球藻(Chlorellavulgaris)2种绿藻、放射舟形藻(Navicularadiosa)1种硅藻,5种藻均由中国环境科学研究院藻种库(CRAES-AP)提供.1.2藻类的培养设定春季模拟温度为15℃,夏季23℃,将M11培养基及D1培养基[8]分别配制成模拟贫营养、中营养、富营养3个不同营养水平的藻类培养液,考察不同营养水平湖泊藻源内负荷,包括藻胞内与胞外负荷对水质的贡献.藻类培养液配置水质见表1.在500mL的培养瓶中加入200mL配置的培养液,将铜绿微囊藻、、水华束丝藻、四尾栅藻和小球藻分别接入3个营养级的M11培养液,接种浓度为8×l05cells/L.将放射舟形藻接入3个营养级的D1培养液,接种浓度为8×l05cells/L.每组均设3个重复.光强4000lux,光照周期为12h:12h,1期杨苏文等：湖泊理论藻源内负荷估算方法研究273每3h随机调换培养瓶位置.模拟春季的温度设为(15±1)℃,模拟夏季的温度设为(23±1)℃.表1藻类培养液配置水质Table1Culturesetofalgaegrowthprocess营养水平ρ(TN)(mg/L)春季ρ(TN)(mg/L)夏季ρ(TP)(µg/L)春季ρ(TP)(µg/L)夏季ρ(CODMn)(mg/L)春季ρ(CODMn)(mg/L)夏季ρ(CODCr)(mg/L)春季ρ(CODCr)(mg/L)夏季贫营养0.160.1726240.830.843.383.30中营养1.891.851111022.262.347.027.16M11富营养3.373.262832803.623.5214.5614.39贫营养0.180.1724240.590.572.342.32中营养2.362.041041051.331.205.875.74D1富营养3.263.382832832.712.7011.5511.48注:*不同营养水平的对照和藻类培养液均按上表配置.1.