生物方法治理水华

第一节　生物方法治理水华

一、与湖泊生态系统相关的理论

1975年Shapiro等最先提出了生物操纵概念（Biomanipulation），即通过对水生生物群及其栖息地的一系列调节，以增强其中的某些相互作用，促使浮游植物生物量下降。1985年，生态系统是由营养物质和高级捕食者共同调节的观点产生了，这就是Carpenter等提出的营养级联反应（Cascading trophic interactions），它是对生物操纵理论的有益补充，引入了营养物质的作用。其主要观点是某一营养级的生产力由其捕食者的生物量限定，食物网顶端生物种群的变化，通过体型大小的选择性捕食，在营养级中自上向下传递，对初级生产力产生较大影响。Mcqueen等于1986年提出了上行与下行理论（Bottom-up & Top-down theory ，图3-1），即各营养级生物在顺着金字塔方向和逆着金字塔方向均有相互影响作用。

图3-1 上行与下行效应

各种生物正是通过这些相互影响的方式维持着湖泊生态系统的平衡，如果环境因子变化或者某个营养级的生物缺失就会导致过度失衡，湖泊环境也会恶化。因此，我们要分析湖泊环境恶化的病因，有目的地引入外来生物为湖泊治病，维持湖泊生态系统的健康稳定。

1. 经典的生物操纵

通过改变捕食者（鱼类）的种类组成或多样性来操纵植食性的浮游动物群落的结构，促进滤食效率高的植食性大型浮游动物，特别是枝角类种群的发展，进而降低藻类生物量，可提高水的透明度，改善水质。具体方法为：① 投放肉食性鱼类间接控藻，通常是通过放养肉食性鱼类来控制浮游动物食性鱼类，通过改变浮游动物食性鱼类的种类组成来操纵藻食性的浮游动物群落的结构，借此发展壮大滤食效率高的藻食性大型浮游动物（特别是枝角类）的种群，通过浮游动物种群的壮大来遏制浮游植物的发展，从而降低藻类生物量，提高水的透明度，最后达到改善水质的目的。另外底层鱼类的活动有促进底泥中氮、磷向水体释放的作用，因此对其也应限制。② 人工去除浮游动物食性鱼类以间接控藻。这种类型的生物操纵技术是先用网具捕捞、化学方法（如鱼藤酮毒杀）去除、电捕、放水等方法将水体中的鱼类全部去除掉，然后再重新投放以鱼食性为主的鱼类。以此来促进大型浮游动物和底栖无脊椎动物（可摄食底栖、附生和浮游藻类）的发展，从而降低水体藻类的生物量。这种生物操纵的结果是重构了水体生态系统和生物组成，使之朝着人们所期望的生态系统自净功能强化的方向发展。经典的生物操纵方法主要运用于小型的、封闭的浮游植物群落，不是由水华蓝藻而是由绿球藻、小型硅藻和包括隐藻在内的鞭毛藻等组成的浅水水体。在捷克的Rimov水库中，研究者通过控制鲤科鱼类的成功产卵，提高食鱼性鱼类的数量来去除浮游生物食性鱼类，从而使得浮游动物的数量增多、体型增大，控制藻类的过度生长；在丹麦，对233个湖泊进行围隔试验，研究发现经典的生物操纵在浅水中比在深水中更有效。

2. 非经典的生物操纵

利用食浮游植物的鱼类和软体动物来直接控制藻类，治理湖泊富营养化。具体方法为：

（1）利用浮游植物食性鱼类（如鲢、鳙）来控制富营养化和藻类水华现象。首先应控制水体中的捕食鲢、鳙鱼种的凶猛性鱼类，以确保鲢、鳙的放养成活率。其次，鲢、鳙所摄食消化利用的浮游植物生物量需高于浮游植物的增殖速率。每个水体都需寻找一个合适的能有效控制藻类水华的鲢、鳙生物量的临界阈值，鲢、鳙对藻类的摄食利用率与藻类的种类组成和生理状况、其他可利用食物（如浮游动物）的相对丰度、水温等有密切关系，而藻类的增殖速率与光照、水温及水体的营养水平等有密切关系。②利用大型软体动物滤食作用控制藻类和其他悬浮物。螺、蚌、贝类能起很好的生物净化作用，有试验表明河流中的螺类对藻类有明显的抑制作用，一个壳长10 cm的河蚌，在20℃时，每天可过滤60 L水，过滤并吞食的浮游植物和悬浮物经过吸收代谢作用，分解为无害物，并使水澄清。牡蛎能够抑制藻类的生长，促进海草的生长，并使海水中氮通过反硝化作用减少，使海水变清。根据以上基本生态学理论，我们可以有针对地使用生物调控治理蓝藻水华，以下就对各类生物具体说明。

二、鱼类的控制作用

1. 放养滤食性鱼类

鲢、鳙鱼是典型的吃浮游生物的鱼类，它们靠滤食器官滤取食物。由于两者滤取食物的鳃耙形状、结构、排列致密程度不同，所以鲢鱼主要吃浮游植物，鳙鱼主要吃浮游动物。据测算，100 t的鲢鱼和鳙鱼，一年就能消耗55000 t蓝藻。而且它们能通过自身的代谢活动，将有害的蓝藻毒素转化成无害物质，并以动物蛋白的形式被捕捞出水体，从而使氮、磷等营养元素脱离湖泊。谢平等在武汉东湖的围隔实验表明，滤食性鱼类鲢鱼、鳙鱼对微囊藻的水华有强烈的控制作用（图3-2），这项研究成果已在滇池、巢湖中得到应用。

图3-2 利用鲢、鳙控制藻类水华的非经典生物操纵

最近报道的罗非鱼对蓝藻具有特殊摄食与消化能力已引起广泛关注。与鲢、鳙不同，罗非鱼属杂食性鱼类，兼有滤食、捕食和啮食等多种摄食方式，其特殊的鳃耙结构能过滤微小浮游生物和食物颗粒，并且其上下咽齿和颌齿能在水底有效摄取底栖动植物和有机腐屑，使之不仅具有宽广的摄食范围，也表现出较强的摄食能力。Bowen认为尼罗罗非鱼是迄今发现的能消化蓝藻的少数几种鱼类之一，罗非鱼发达的胃腺及其酸性的胃液（pH常低于2.5甚至达到1.0），使之在蓝藻的消化降解方面有着鲢、鳙无可比拟的优势。

2. 控制肉食性或浮游生物食性鱼类

从经典的生物操纵理论、营养级联反应、上行/下行理论入手，合理配置湖泊中肉食性、浮游生物食性鱼类的数量，使滤食性鱼类和浮游动物正常生长，这对于控制藻类的过度生长也是有效的（图3-3）。Jacobsen等的研究显示，肉食性鱼类影响浮游生物食性鱼类的种类和大小，浮游生物食性鱼类影响浮游动物（水蚤）的丰度和种类。Beklioglut等在Eymir湖的实验中控制了浮游动物食性鱼类丁鲷(Tincatinca)和底栖食性鱼类鲤鱼(Cyprinus carpio)的数量，一年后水体透明度增加了2.5倍，无机悬浮固体颗粒浓度减少为原来的1/4.5，叶绿素a浓度也显著降低。

三、软体动物的引入

通常用于藻类水华防治的软体动物主要指淡水双壳类（即蚌类）。其原理是蚌类为滤食性种类，食物主要为浮游植物、细菌、腐屑和小型浮游动物。由于双壳类的滤食能力极强，可使水体浮游生物量大为减少，从而增加水体透明度，提高水体的自净能力。由于双壳类的发育存在变态过程，在钩介幼虫阶段会对鱼类产生危害，所以该技术通常用于较小的封闭水体或对原有种群恢复的水体。例如，在长春南湖的生态修复工程中就投放了褶纹冠蚌(Cristaria plicata)，1996年测得其总生产量为21.67 gDW·m^-2·a^-1，若以全湖全年产量计则为1.848×10⁴ kg·DW，以有机态固定在蚌体内的总P量为153.384 kg（以干质量计，蚌体的平均含P量为0.83%）。该生态工程中凤眼莲、莲、鱼类、河蚌从湖泊移走的P量分别占26.1%、4.3%、38.5%、31.1%（图3-4）。

图3-3 控制藻类水华的经典生物操纵理论示意图及放养的凶猛肉食性鱼类

图3-4 用于除藻的河蚌

四、原生动物的引入

原生动物是水生食物链中的重要环节，很多原生动物都以摄食藻类为生，以原生动物作为控藻生物有以下优点：① 原生动物取食范围广，已经分离到取食微囊藻、鱼腥藻、束丝藻等滇池优势藻种的原生动物；② 原生动物食量大，实验室中观测到只要原生动物数目达到某一阈值，体系中的藻细胞会被迅速消耗殆尽；③ 很多原生动物在食物耗尽时会形成包囊，度过食物缺乏期，当藻类重新增多时，包囊又会破壁复苏成为食藻营养体；④ 包囊结构具有很强的抗逆性，这种形式容易于包装和运输；⑤ 繁殖力强，原生动物可以利用有机培养基扩大培养。

目前发现和使用的食藻原生动物主要分为鞭毛虫、变形虫和纤毛虫3大类。在自然状况下，有很多原生动物大量繁殖导致水华消退的报道。但人为投放原生动物控制水华的报道并不多见，大多还处于实验室阶段（图3-5）。

图3-5 控藻的原生动物

五、高等水生植物的引种

已发现多种高等植物对藻类的抑制作用（表3-1）。研究表明，多数高等水生植物能分泌化感物质抑制藻类生长，按照化感物质的化学结构可分为5大类：脂肪族、芳香族、含氧杂环化合物、类萜和含氮化合物。高等水生植物的这些优点已广泛应用在富营养化湖泊的生态修复中（图3-6）。

表3-1 已报道的抑藻高等植物

图3-6 几种控藻的高等水生植物

目前已从不同植物中分离到多种能抑制藻类生长的化感物质。如从凤眼莲中分离出3种：N—苯基—2—萘胺，亚油酸，亚油酸甘油酯。其中，N—苯基—2—萘胺和亚油酸甘油酯对雷氏衣藻的抑制效果明显。狐尾藻中的抑藻物质主要是五倍子酸和焦桔酸，对铜绿微囊藻的抑制作用明显。大麦秆腐败后释放出的化感物质则包含了长链脂肪酸、酚类、酸类、醇类等。

高等水生植物的生长需要吸收大量的营养元素，在武汉东湖进行的水浮莲净化富营养化湖泊的试验表明：水浮莲对富营养化湖泊水体BOD₅的去除率在70%以上，总氮去除率在60%以上，总磷去除率在70%以上。何池全等通过试验发现石草蒲对水体总氮去除率达87.14%，总磷去除率达43.19%，溶解氧增加26.16%。研究东太湖沉积物中总氮、总磷与水生生物的关系后得出结论：表层沉积物中总氮与总碳量主要经过水生植物的生物沉积途径进入沉积物，脱离湖泊内的营养循环，进入地球化学循环过程，而磷在淤积物中的积累主要经过非生物沉积途径，可以防止底泥营养物重新悬浮，提高了水体透明度，改善了水质。此外，我们要预防水生植物残体带来的沼泽化风险。

六、以藻控藻技术

藻类之间也存在竞争和拮抗作用，Leslie发现一株海洋蓝藻Gomphosphaeria aponina可以成为Florida赤潮优势藻类Pytochodiscus brevis的控制因子，并且有可能用来控制赤潮的发生。在淡水湖泊生态系统中，也有引种“水网藻”控制水华的报道。水网藻繁殖快和吸收肥料能力强，易于人工收获利用，可以消除微囊藻等有害蓝藻赖以生长的高营养化条件。在富营养化水库（含TN 3.34~5.15 mg/L，TP 0.10~0.19 mg/L）和重营养化（TN 33.86 mg/L，TP 1.939 mg/L）湖区的试验中，经过水网藻（1 g/L）处理2天、4天、6天后，对氨氮、总氮、总磷去除率均在70%以上。

七、微生物及其附加产品的应用

1. 裂解藻类的微生物的应用

早在1978年，Redhead就分离到了70株均可裂解水华鱼腥藻（Anabaena flos-aquae）的微生物，其中大多数还能裂解丝状和单细胞蓝藻。70株中有62株为真菌，分别属于Acremonium、Emericellopsis、Verticilliu三个属，裂解效果好于细菌。Garza在1995年分离到四株细菌（Alteromonas sp.A27，A28，A29，A30），它们可以裂解硅藻Skeletonema costatum NIES-324、Eucampioa zochiac、Thalassiosira sp.以及鞭毛藻Chattonella antiqua。近年来，有用微生物用于水华治理的报道，如中山大学的李雪梅等在人工湖泊的试验表明有效微生物群（Effective microorganisms）可有效抑制藻类生长，对提高水体透明度、降低叶绿素a浓度也有明显效果。最近，还有用藻—菌生物膜法改善富营养化水体的报道。

当然，用细菌、真菌等来裂解藻类水华还有些问题需要解决，如特异性不强，效率不高，有存在二次污染的可能等。

2. 降解藻毒素的细菌筛选

形成水华的多种藻类会分泌毒素，对水产养殖和饮用水安全带来危害。例如：水华常见优势种——微囊藻分泌的微囊藻毒素是人们研究较多的一类藻类毒素。人们试图使用微生物降解水华藻类产生的毒素，已筛选到的菌株有：鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、青枯菌（Ralstonia solanacearum）等。近年来，还出现了用碳纳米管加载微生物降解微囊藻毒素的工艺，取得了较好的效果。

3. 微生物絮凝剂的应用

微生物絮凝剂是一种由微生物产生的具有絮凝功能的高分子有机物，主要有微生物细胞絮凝剂、微生物细胞壁提取物絮凝剂和微生物细胞代谢产物絮凝剂3种类型。利用微生物本身或产生的多肽、酯类、糖蛋白、黏多糖、纤维素和核酸等作絮凝剂，可以絮凝沉降水华，效果好于黏土。另外水体恢复功能菌（RB）、利水剂、AEM菌、PSB光合菌等也有较好的絮凝沉藻效果。在滇池草海约800 m³围隔水域的试验中，光合细菌（PSB）净水剂对叶绿素a去除率在75%以上，藻类去除率在90%以上，平均透明度从0.3 m增加到1.06 m。

八、藻类病毒的探讨

藻类病毒的发现只有四十多年的历史，1963年Safferman和Morris首先报道了能感染鞘丝藻（Lynbya）、席藻（Phormidium）及织线藻（Plectonema）的LPP病毒。随后，越来越多的蓝藻病毒和真核藻类病毒得到分离鉴定，由于藻类病毒的形态与噬菌体相似，通常藻类病毒又称为“噬藻体”（Cyannophage）。自然水体中的藻类病毒具有调节藻密度的重要作用，1989年和1990年《自然》刊载了3篇文章，指出海洋中广泛存在的噬藻体具有重要的生态学功能。在淡水生态系统中藻类病毒的密度平均为1.2~6.1×10⁷个/mL，在湖底沉积物中可达6.5×10⁸~1.83×10¹⁰个/mL。

人们对藻类病毒已有40多年的研究，结合以往病毒在病虫害生物防治中的经验，可以总结出用藻类病毒治理水华有以下特点：① 藻类病毒对宿主的侵染有很高的专一性。如：小球藻病毒只专一裂解某一株系的小球藻，有些藻类病毒也只侵染几个株系、亚种，一个种乃至一个属的藻类。这就为藻类病毒的生物防治带来安全性。② 藻类病毒能迅速降低特定藻类的数量。藻类病毒有3种增殖方式：裂解性侵染、惰性侵染和溶原现象。作为控制藻类水华的病毒我们应该筛选裂解性侵染的藻类病毒。因此，以藻类病毒作为防治水华的控制因子是经济高效的。目前已有人工增加病毒的数量来检验对淡水生态系统影响的报道，2002年5月第一株噬藻体“P60”的全基因组论文正式发表。研究人员正致力于筛选和改造藻类病毒，使其成为防治水华的有力武器。