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蓝藻水华治理——打捞能否控制蓝藻生长?

日期:2019-11-03 16:27

北极星环境修复网讯:湖泊富营养化是一个国际性的环境问题,尤其在当下中国已是一个非常棘手的水生态难题,蓝藻水华是其重要的体现形式。因此,蓝藻水华的防治已成当务之急!

目前治理的主要方法有物理法、化学法和生物法。物理法中的蓝藻打捞被认为是一种最直接有效的防控手段,尽管其成本相对较高,但其作为一种应急措施仍被广泛运用!

然而,关于蓝藻打捞的基础理论研究较少。史小丽博士长期扎根太湖,对于太湖蓝藻水华的监测预警和防治开展了大量而深入的基础理论研究。近期,喜闻史小丽博士在蓝藻打捞的理论研究方面取得突破。这里请史小丽博士主笔此文,谈谈如何实现从粗放式打捞V1.0向精准化打捞V2.0的转变。

太湖蓝藻水华

太湖概况

太湖为我国的第三大淡水湖,湖岸线总长405 km。太湖水面面积2,338平方公里,在多年平均水位2.99米时的库容为44.28亿立方米,平均水深1.89米,是典型的浅水性湖泊。

太湖流域涉及三省一市,而整个湖面归江苏省管辖。主要有14条出入湖河流,水源主要有三个方面:1) 北部来自京杭大运河和长江,2) 西部来自南溪水系,3) 南部来自苕溪水系(图1)。

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图1 太湖流域示意图 | 来自网络

太湖景色优美,是著名的旅游胜地。同时太湖承担着防洪供水、航运交通、渔业和生态保护等多种功能。

太湖蓝藻水华

2007年5月29日在梅梁湾和贡湖湾交界的贡湖水厂发生了震惊中外的饮用水源地水源污染事件,造成了严重的社会影响,引起国内外广泛关注。

这些肉眼可见的蓝藻水华,实际上是水体当中的微生物(蓝藻)短期快速增殖的表现。尽管细胞大小仅在5-10μm之间,但是其大量繁殖后可以聚集成群体,进而危害水体生态系统。

太湖水华蓝藻主要有微囊藻属Microcystis、长孢藻属Dolichospermum、束丝藻属Aphanizomenon、浮丝藻属Planktothrix、拟浮丝藻属Planktothricoides和拟柱孢藻属Cylindrospermopsis等6属15个种类。

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太湖水华蓝藻主要物种显微图 (a) 鱼害微囊藻;(b) 水华微囊藻;(c) 铜绿微囊藻;(d) 惠氏微囊藻;(e) 片状微囊藻;(f) 挪氏微囊藻;(g) 放射微囊藻;(h) 绿色微囊藻;(i) 史密斯微囊藻;(j) 拉氏拟浮丝藻;(k) 阿氏浮丝藻;(l) 水华束丝藻;(m) 近亲长孢藻;(n) 拉氏拟柱孢藻;(o) 水华长孢藻 | Algae-Hub 制作

湖泊富营养化和蓝藻水华问题是世界性难题,也是学术界关注的热点,遗憾的是到目前为止蓝藻水华暴发的机制仍未完全探明。

太湖富营养化及其蓝藻水华治理已成为国家和全民关注的重大而紧迫的问题。江苏省政府和无锡市政府加强了太湖蓝藻水华的监测和预警工作,以及蓝藻处置工作,确保饮用水安全和确保不发生大面积湖泛。多年来江苏省政府和无锡市政府在蓝藻监测、预警和处置等方面投入巨大,也取得了丰富的“蓝藻斗争”经验。

长期存在的必然性

蓝藻水华是我国许多浅水湖泊所面临的重大水环境和水生态问题。

高营养水平是蓝藻水华暴发的先决条件。水专项研究结果表明湖泊水体总磷和总氮浓度分别为0.03 mg/L和0.60 mg/L,是蓝藻水华暴发的营养盐阈值。

叶绿素a是反映湖泊藻类生物量的重要指标。国际上普遍认为叶绿素a浓度20 μg/L是蓝藻水华的阈值,高于该值,蓝藻水华发生概率明显增加。因此在现有的营养水平和藻类生物量背景下,蓝藻水华将长期存在。

为什么要打捞蓝藻?

在全球气候变暖和极端天气不断出现的大背景下,中国湖泊面临较为严重的富营养化,蓝藻水华必然会大规模出现和暴发。

在这样的背景条件下,针对湖泊的敏感区域,如饮用水源地和社会关注度高的水域,湖泊管理者迫切需要一些生态友好型的快速抑藻或控藻技术,快速缓解和消除这些水域的蓝藻水华。

国家和太湖流域各级政府对太湖采取了控源截污、打捞蓝藻、生态调水、生态清淤以及生态环境整治等措施和手段。

目前治理的主要方法大致可分为物理法、化学法和生物法。

1)物理法:主要是借助物理工程技术调控水体中氮磷营养盐含量,进而达到降低水体富营养化程度和控制蓝藻水华的目的。

如外源营养盐控制中的调水冲稀和内源营养盐控制技术中的底泥疏浚、原位覆盖等技术均属于物理控制方法。蓝藻的人工和机械化打捞也属此范畴。

2)化学法:氮磷的化学控制是利用化学的方法,使水体中氮、磷通过化学反应来达到消减或者生成沉淀物等的控制方法。

通过向底泥或水体中投放氧化剂、 还原剂、沉淀剂或调节剂来降低水体中氮、磷的含量,减缓水体中藻类的生长,进而控制水体中藻类的含量。

化学控制技术虽然能在短期内降低水体中的氮磷营养盐含量,而且投资较低,能耗少,但是化学药剂难以长期有效地抑制污染物的释放。同时,化学方法往往因为不能把握药剂的合理用量而造成水体的二次污染,影响原有的水生生态系统。

因此,在太湖这样的大水面,多功能湖泊,尤其是具有多个重要饮用水源地的湖泊来说不宜使用。

3)生物法:通过水生植物、水生微生物、水生动物控制水体中氮磷营养盐,减轻水华蓝藻暴发,常通过水生植物竞争、微生物降解、动物摄食等方式实现。主要包括微生物菌剂、水生植物控制和水生动物控制。

从目前来看,微生物菌剂的效果虽然在短期内明显,但是使用需要非常谨慎。而水生动植物等生物操纵法控藻的实施取决于水体营养负荷,沉积物性状和水文动力条件,难度大。

就这些治理方法而言,实际上本身无所谓好坏,只是适用的场景不同而已。但是对于像太湖这样的水体,通过几种蓝藻控制方法的比较,不难发现尽管蓝藻打捞成本相对较高,但它仍是一种最为直接、安全、有效的防控手段,尤其可作为一种应急措施被广泛推广!同时,蓝藻打捞也是国内常用的湖泊控藻技术,目前常用的有蓝藻打捞船、灭藻阱平台、藻水分离站等,这些措施能够缓解部分湖区蓝藻堆积的现状,减少次生灾害的发生。

为什么蓝藻越捞越多?

人民日报2017年12月31日03版报道:“10年治理,河长制全面上岗,重拳出击:清淤泥、疏河道、控源截污,累计关闭企业5300多家,打捞蓝藻1000万吨,生态清淤3700万方……”

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人民日报报道,太湖“年轻”了。

监测数据表明,湖区整体水质从劣Ⅴ类提升至Ⅴ类以上,富营养化程度有所减轻,连续10年安全度夏。可贵的是,在流域经济总量增长1.5倍、人口增加1100多万的背景下,太湖水质实现了稳中向好。太湖流域全面建立河长制,走出一条经济发达、人口稠密地区的人与自然和谐共生新路。

另外,环保部发布的中国环境状况公报显示,1997年以后太湖污染明显加重,2007年总磷、总氮达到最高点。经过十年治理,太湖无锡水域总氮、总磷分别下降了54.4%、38.9%,好于1997年以前的水平,相当于“年轻”了十岁以上。2007年,15条主要入湖河流9条水质都是劣五类。现在,3条是四类,其余的都是三类。太湖的水质真的出现了明显好转!

实际上,这里“太湖的年轻”更多体现在了水质方面,尽管蓝藻打捞可量化带走湖体中的营养盐,然而太湖蓝藻水华依然每年如期而至……

2017年,多家媒体和平台对太湖治理的10年进行了总结报道,例如环保在线发表了题为“太湖病为何久治不愈 恢复元气亟需对症下药”的报道,指出2017年4月以来,太湖发生蓝藻水华20多次,藻密度、聚集面积均较去年同期有所增加,个别时段的部分湖区蓝藻聚集情况较严重,太湖环境的未来仍令人担忧。

在太湖治理十年之际,多家媒体的密集报道,使太湖治理工作背负了空前的舆论压力!但也在客观上促成社会各界对“太湖水质”和“太湖蓝藻”两个层面的治理具有一定时滞性的共识。以目前打捞的效率和生物量来看,仅就打捞来治理太湖蓝藻还远远不够!

同时,蓝藻治理是一项系统工程,也不是一两个政府部门的事情,应多部门联合协同作战!

生态环境部对蓝藻水华防控工作也非常重视!

2019年2月20日,生态环境部印发《关于做好2019年重点湖库蓝藻水华防控工作的通知》(以下简称《通知》),分析重点湖库形势,就防控蓝藻水华暴发提出要求。

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《通知》指出,根据气象预测和水环境形势分析,2019年上半年太湖、巢湖、滇池、洱海等重点流域气温较2018年同期偏高,1月份,太湖、滇池叶绿素a浓度高于往年同期水平,2019年重点湖库暴发蓝藻水华风险较大。因此,对于蓝藻水华的污染防控,政府应多部门联合协同作战,发挥各部门的资源优势,从而实现信息共享,更快更好地推进蓝藻水华治理工作!

尽管太湖蓝藻打捞工作,对于太湖蓝藻的污染防控起到了明显的社会效果,但是依然存在不少问题:

1) 蓝藻暴发的不确定性:由于受夏天季风和天气条件的影响,蓝藻的暴发和聚集较难预测,在一定程度上增加了打捞难度。

2) 资源配置不均衡:蓝藻暴发的不确定性,以及在时间和空间上的不均衡性,导致不同蓝藻打捞点之间打捞船的利用效率存在差异;高峰期蓝藻打捞处置能力不足,制约工作顺利开展。

3) 蓝藻打捞人员待遇低,招工困难。现有打捞人员老龄化现象严重,文化程度较低,多为文盲或半文盲,并存在无证驾驶现象,打捞积极性和效率有待提高。

4) 打捞机械化程度有待提升,打捞设备及操作人员配备有待进一步增强。

5) 藻水分离站的处置能力制约了蓝藻水华的打捞,尤其是蓝藻的资源化和无害化处理是蓝藻打捞的瓶颈。

6) 打捞任务目前还处于被动应对阶段,同时媒体和社会各界对打捞工作的舆论氛围有待进一步提升。

不可以不肯定政府“铁腕治太”的决心,也不能不肯定科学家对太湖治理的情怀,更不能否认社会各界对太湖治理的殷切希望!但是太湖治理需要转变思路,必须由原来的粗放式治理,逐步走向精准化治理。

对于太湖蓝藻的打捞而言,我们究竟打捞了多少生物量?打捞量占到湖体总量的多少?打捞量与藻类增殖量的平衡点到底在哪里?如何更好地提高打捞效率和提升投入产出比……

这些问题还有待进一步研究,以及在实际的打捞工作中不断摸索和总结!

政府需要继续坚定“铁腕治太”的信心,在目前阶段性成果的基础上,凝聚社会各界力量,相信太湖明天一定会更美!

蓝藻打捞的理论基础

为了搞清楚如何打捞能够更加有效地控制蓝藻水华,中国科学院南京地理与湖泊研究所的浮游藻类生态学研究团队在太湖生态系统研究站进行了为期两个星期的野外原位实验,定量研究了不同打捞强度对富营养化水体蓝藻的后续生长和藻类群落结构的影响。文章在2019年的Science of the Total Environment上发表。

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本研究采用200 L的大桶进行试验,直接加入太湖站附近水域的藻水150 L,初始叶绿素浓度约为80 μg/L。用30 μm 筛绢的过滤30%,60%和90%的藻水得到不同打捞程度的处理(图14)。

为了模拟太湖水体的生长环境,每天监测桶内和太湖站附近水域水体溶解性N、P 营养盐浓度,根据需要及时在大桶内添加营养盐(磷酸二氢钾、氯化铵和硝酸钠的混合溶液),确保试验桶内和太湖水体的N、P营养盐无显著性差异。

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本研究结果表明,孔径为30 μm的筛绢能打捞去除大部分微囊藻颗粒,蓝藻生物量显著下降,30%,60%和90%的打捞量使得藻蓝素浓度分别下降29%,49%和67%(图15a)。

由于实验期间每天都会补充一定量的溶解性营养盐,在营养盐充足的条件下,去除部分蓝藻生物量,会给其后续生长带来更大的空间。打捞组的蓝藻生长速率显著高于对照组,尤其是60%的打捞强度下,蓝藻的生长速率最大,达到了0.234/天,是对照组的2.19倍(图15b)。

此外对蓝藻实施30%和60%的打捞后,相对低的生物量只能维持很短时间,第6天这些处理组的蓝藻生物量和对照组便没有显著差异。相对而言90%的打捞组中蓝藻生物量在实验的15天内都相对较低。

国际著名的浮游藻类生态学家Reynolds曾指出自然水体中,单位水柱的资源能够支撑的浮游藻类具有一定的容量限制(capacity-limiting),因此部分藻类的去除,会对蓝藻的进一步生长创造空间。

图15.jpg图15 (a) 不同处理组中藻蓝素随时间的变化;(b) 蓝藻在不同打捞强度的生长速率

微囊藻群体初始粒径为70 μm,过滤打捞实施后粒径显著下降,例如在打捞强度为90%的处理组中,微囊藻群体粒径降为50 μm。然而,实验进行的第3天微囊藻粒径就变大,并恢复为初始值。这表明当微囊藻生物量达到一定程度后,小群体微囊藻因聚集粘附,很快就形成大群体,为后续实施微囊藻的过滤打捞带来可能(图16a)。

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(a) 微囊藻粒径的变化;(b) 浮游藻类群落结构的演替

由于本研究中的湖水是来自于太湖站附近水域,7月份微囊藻为优势物种,占到了93%以上的生物量。30 μm孔径筛网的过滤去除了大部分微囊藻颗粒,有利于藻类多样性的增加,丝状蓝藻、绿藻和硅藻的比例显著上升(图16b)。藻类的后续生长和演替主要取决于当时的温度、光照和营养盐条件。在本次模拟实验的条件下蓝藻的竞争优势明显,总体上微囊藻的优势度明显,同时丝状蓝藻的比例有所增加。

究竟如何进行蓝藻打捞?

由于受风的影响,大型浅水湖泊敞水区的蓝藻会在下风向聚集,造成沿岸带蓝藻大量堆积。在这种情况下,对蓝藻的适度打捞,能够缓解蓝藻堆积发臭,有利于消除次生灾害。然而对于大湖面的蓝藻实施打捞,只会更进一步促进蓝藻的生长,可能会陷入“越捞越长”的尴尬境地。

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小鼠捕捉模型示意图 | Algae-Hub 制作

以上述小鼠模型为例,假设条件为:1)笼中原有9只老鼠,相对于笼中空间尚处于未饱和状态;2)捕捉后的数量为一定时期内的数量。

捕捉后出现4种情况:

1)反作用:捕捉1只后,由于笼中的空间得以释放,老鼠的捕捉量不足以抵消增殖量,因此老鼠不减反增至12只;

2)无用功:捕捉3只后,老鼠的增殖量和捕捉量相抵,因此,老鼠仍为9只;

3)有效果:捕捉6只后,由于捕捉量大于老鼠的增殖量,因此老鼠数量降至3只;

4)效果显著:捕捉7只后,由于捕捉量大于老鼠的增殖数,因此老鼠数量降至2只,但是由于生理和心理等内外因素,老鼠死了一只,所以剩下1只。

本研究结果对于实施蓝藻打捞措施具有一定的现实指导意义。然而,本研究限于研究对象太湖和微囊藻、研究周期和实验条件等限制,很多假设还需要进一步验证,很多模型还需要进一步完善,要做到精准指导蓝藻打捞工作仍需进一步研究!

同时,对于今后蓝藻治理,尤其是蓝藻打捞工作,如何从粗放式迈向精准化,还需要水利、环保、气象等政府部门,以及高校科研院所等科研部门联合协同作战,用数据来指导打捞,从而实现从粗放式打捞V1.0向精准化打捞V2.0的飞跃。

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史小丽,中国科学院南京地理与湖泊研究所副研究员,同时担任湖泊生物与生态研究室副主任。

主要从事浮游藻类生态学方向的研究。主要研究包括蓝藻水华发生和防控机制,为巢湖、太湖蓝藻水华的形势分析、预测和防控提供科技支撑,得到相关管理部门的认可;湖泊超微型浮游藻类的群落结构分布特征,研究了淡水生态系统超微型浮游藻类的生物多样性和生态功能,揭示其在不同水域生境中的群落结构特征和主导环境因子,在一定程度上填补了国内对淡水超微型藻的认知空白。

原标题:学术论坛:(三)蓝藻水华治理——打捞能否控制蓝藻生长?