净水技术 | 青草沙水库水华蓝藻生长的营养盐吸收动力学特征
世界范围内日益增加的蓝藻水华使得水生态系统健康遭到严重破坏，同时威胁湖库区居民的饮用水安全。常见的水华蓝藻中，铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)发生频次最高，但也有水华束丝藻(Aphanizomenon flosaquae)、假鱼腥藻(Pseudoanabaena sp.)、拟柱胞藻(Clindrospermopsis sp.)等其他蓝藻发生水华，甚至在同一湖库水体中如巢湖存在不同种类蓝藻水华同时或者交替发生的现象。氮和磷作为藻类生长必不可少的两大基本元素，其在水体中存在的水平和形态直接影响着藻类群落结构、生物量和生产力等。很多研究发现，磷是湖泊藻类生长的第一限制因子，然而亦有学者发现一些湖泊在特定时间特定区域呈现出氮磷双限制或氮限制的情况。目前，搞清楚在蓝藻频发的湖泊、水库生态系统中，哪一种营养元素调控着蓝藻的大量增殖和水华形成是水科学研究者和管理者面临的中心问题。回答这一问题对于制定合理的湖库富营养化及蓝藻预控管理策略来减轻这类严重的水质问题具有非常重要的指导意义。
青草沙水库水面面积为66 km2，有效库容为4.35亿m3，供水规模达708万m3/d，满足上海50%以上用水规模，受益人口超1 000万。自2011年运营以来，曾在特定时间局部区域出现铜绿微囊藻聚集现象，亦出现其他种类水华蓝藻，如假鱼腥藻、水华束丝藻、浮颤藻(Planktothrix)、卷曲鱼腥藻(Anabaena circinalis)等，且在不同时间存在明显的演替现象，原因尚不清楚。因此，本文研究青草沙水库主要水华蓝藻种类氮磷营养盐吸收动力学特征，为探讨青草沙水库水华蓝藻种类演替原因及蓝藻水华预控管理提供理论依据和技术支持。
1.1 水样采集及处理
2015年8月青草沙水库蓝藻生长优势期，选取库区敞水带区域，采集0.5 m深水层水样，带回实验室后用0.7 μm玻璃纤维滤膜进行过滤预处理，去除水体中原有的浮游植物，滤后水样于121 ℃高压灭菌30 min，冷却后用于试验。
1.2 藻种及试验条件
以青草沙水库5种常见蓝藻为供试藻种，其中铜绿微囊藻、假鱼腥藻、水华束丝藻、卷曲鱼腥藻藻株均购自中科院水生所淡水藻种库(FACHB-collection)，浮颤藻为青草沙水库分离培养所得。所有处理于2 000 lx、(25±1)℃、光暗比12 h∶12 h条件下培养。
将各供试藻株于BG-11培养基扩大培养至对数期，取一定体积藻种以5 000 r/min速度离心，弃掉上清液，再用15 mg/L的碳酸氢钠溶液洗涤后离心，重复3次，用无菌水稀释后用于接种。
以NaNO3和K2HPO4·3H2O作为氮源和磷源，参考藻类增长潜力试验(algal growth potential test，AGP试验)原理，确定磷浓度为0.015、0.03 mg/L和0.05 mg/L，氮浓度为0.225、0.5 mg/L和0.75 mg/L，灭菌后的原水作为空白对照，接种一定浓度藻种，进行藻类增长试验。
1.3 检测指标与方法
生物量以叶绿素调制荧光仪(PHYTO-PAM)检测的叶绿素a荧光值表示。
细胞增长率(μ)用藻细胞在一段时间内的细胞比增长速率表示，计算如式(1)。
(1)
(2)
变成双倒数如式(3)。
(3)
其中：μm—饱和质量浓度中藻类最大比增长速率，d-1；
s—溶液中限制微生物增殖的营养盐质量浓度，mg/L；
Ks—半饱和常数，即
时营养盐质量浓度，mg/L。
根据不同蓝藻在不同初始营养盐浓度条件下的细胞增长率，绘制双倒数曲线，该曲线为一条截距为1/μm、Ks/μm为斜率的直线，据其可求出Ks和μm。
2.1 不同氮磷营养盐条件下藻细胞增长率
表1 不同氮磷营养盐条件下蓝藻对数生长期细胞增长率
2.2 不同蓝藻细胞生长营养盐动力学参数的比较
根据式(3)对各蓝藻在不同氮磷初始浓度条件下分别进行回归分析，根据回归方程计算出各蓝藻在氮磷营养盐条件下的最大比增长速率和半饱和常数，结果如表2所示。
表2 氮磷营养盐条件下不同蓝藻最大比增长速率和半饱和常数
由表2可知：氮营养盐条件下，浮颤藻的最大比增长速率为0.500 d-1，半饱和常数为3.133 mg/L；假鱼腥藻的最大比增长速率为0.081 d-1，半饱和常数为-0.486 mg/L；水华束丝藻最大比增长速率为0.305 d-1，半饱和常数为0.831 mg/L；铜绿微囊藻最大比增长速率为0.508 d-1，半饱和常数为0.027 mg/L；卷曲鱼腥藻最大比增长速率为0.361 d-1，半饱和常数为1.437 mg/L。不同蓝藻在试验条件下氮营养盐的半饱和常数顺序：铜绿微囊藻>浮颤藻>假鱼腥藻>卷曲鱼腥藻>水华束丝藻。
磷营养盐条件下，浮颤藻的最大比增长速率为0.989 d-1,半饱和常数为0.071 mg/L；假鱼腥藻的最大比增长速率为0.194 d-1，半饱和常数为0.023 mg/L；水华束丝藻最大比增长速率为0.225 d-1，半饱和常数为0.006 mg/L；铜绿微囊藻最大比增长速率为0.183 d-1，半饱和常数为0.027 mg/L；卷曲鱼腥藻最大比增长速率为0.333 d-1，半饱和常数为0.033 mg/L。不同蓝藻在试验条件下磷营养盐的半饱和常数顺序：浮颤藻>卷曲鱼腥藻>铜绿微囊藻>假鱼腥藻>水华束丝藻。
有学者研究发现，在同等条件单独培养时，水华束丝藻和卷曲鱼腥藻生长速率要明显高于铜绿微囊藻，本文结果与之相似，不论氮添加还是磷添加条件下，铜绿微囊藻细胞增长率均不占优势，反而是几种丝状蓝藻增长率占优势。由本文试验结果可知，以青草沙水源水库原水为背景的培养液中，试验藻种在同等试验条件下细胞增长率相差并不大，但实际上世界上暴发频率最高的蓝藻水华却是微囊藻水华。这说明水华蓝藻细胞增长率不能成为解释微囊藻或是其他蓝藻水华发生的原因，许海等在研究铜绿微囊藻和斜生栅藻生长的氮磷营养动力学特征时也发现，铜绿微囊藻是一种低生长速率物种，其依靠快速生长在竞争中取得优势而形成水华。
已有的关于藻类生长的限制性营养元素研究中，多是集中在氮磷营养盐的比例与藻类生长的关系方面，如Refield和Sakamoto常用N/P来表示水体中氮磷营养盐对藻类生长的限制作用，且国内学者也认为这一方法适用于我国八大生态分区湖库，但该作法忽略了环境中氮、磷营养盐的再生速率及浮游植物细胞对氮、磷营养盐的储存等问题，因此，仅用环境中氮、磷营养盐的比例进行判断往往不能反映真实情况，而采用生物方法进行评估就显得比较直接和客观。AGP试验是专门为研究富营养化问题而制订的一种生物测试方法，该试验认为藻类的生长服从于李比西“最低因子律”，即植物的生长受它所需环境因子最低量的限制，这时该因子即为植物生长的限制因子；同样，当这种物质的含量增加会促进植物的生长或生长潜力时，该种物质又被称为生长的刺激因子或生长刺激物。
很多学者认为，淡水湖库水体藻类生长的主要限制因素是磷；也有研究认为，同一水体藻类生长的限制因素随空间、时间变化，或者是氮磷双限制或均不限制，但多数研究都是针对水体中藻类或是蓝藻门整个群体的生长响应进行分析，而对于群体内不同的藻种却较少进行单独的研究和分析。本文的研究结果显示，青草沙水库原水对浮颤藻和假鱼腥藻表现出一定的磷限制性，而对铜绿微囊藻表现出一定的氮限制性，可见仅对藻类群体进行分析，不能对同时存在的不同种类水华蓝藻的生长特性进行明确区分。如果根据藻类群体的试验结果采取控藻措施的话，如本文结果，若采取控氮措施控制微囊藻水华的话，磷限制型的浮颤藻和假鱼腥藻就可能因为氮源的降低、磷源的相对升高而变得具有竞争优势，再次暴发水华。
卷曲鱼腥藻和水华束丝藻均为含异形胞的丝状蓝藻。研究发现，当C∶N比达到8∶1时，蓝藻异形胞即大量发生，蓝藻固氮能力增强。因此，虽然本次试验结果不能明确分辨水库原水对鱼腥藻和束丝藻的营养盐限制性，但一般情况下鱼腥藻和束丝藻不会受到氮源限制。
最大比增长速率为当限制性底物浓度趋向无穷大时生物的生长速率；半饱和常数Ks通常用来衡量生物物种对营养物质的亲和性，Ks小，表示亲和性好，只需很低的营养物浓度就能使种群增长率达到最大增长率的一半。比增长速率和半饱和常数是藻类在浮游植物群落种间竞争能力和演替顺序的指标：通过比较不同藻类的μm和Ks可以推测营养限制条件下藻类竞争的结果。若μm1=μm2、Ks1<Ks2，那么两种藻在营养较丰富的时候可以共同生长，互不占优势，但是在营养短缺时，藻1可以迅速占优势；当μm1>μm2、Ks1>Ks2，在营养丰富时，藻1占优势，而营养短缺时，藻2将占优势，这就是确定最大比增长速率和半饱和常数的意义。
根据本文的结果与分析：氮营养盐充足的情况下，铜绿微囊藻最大比增长速率最大，容易形成优势；在氮不足的情况下，假鱼腥藻等其他几种水华蓝藻容易形成优势，这与贾晓燕等研究发现的氮限制下鱼腥藻生长良好的结果一致。在磷源充足的情况下，最高比增长速率最大者浮颤藻容易形成优势，其次是卷曲鱼腥藻鱼腥藻和水华束丝藻；磷源不足时，Ks越小者如水华束丝藻易在水库中形成优势，其次是假鱼腥藻。王亚超等对太湖鱼腥藻的生长特征研究显示，鱼腥藻的生长对水环境中氮浓度要求较低，受磷浓度变化影响显著，高磷环境有利于卷曲鱼腥藻的生长，反之亦然；顾启华等在鱼腥藻和微囊藻的共培养过程中，发现高磷浓度有利于鱼腥藻占优势，而低磷浓度则有利于微囊藻占优势。本文试验结果与之一致，即在磷源充足时，卷曲鱼腥藻易于微囊藻形成优势。
以往研究发现，在营养水平较低的水体中，往往最先出现的水华蓝藻种类是鱼腥藻，其次是束丝藻，随着富营养化程度的加剧，占显著优势的水华种类往往是微囊藻，这种规律性的水华演替已在国内外多个湖泊水库中出现，这极可能与藻类对氮磷营养盐的吸收有关。基于上述研究分析，湖库水体蓝藻水华的发生及不同种类水华蓝藻种类的演替变化与氮磷营养盐有着非常重要的关系，真正揭示蓝藻水华发生机理还有大量的工作要做。
(1)青草沙水源水库原水对铜绿微囊藻表现出氮限制，对浮颤藻、假鱼腥藻表现出磷限制。
(2)氮充足时，青草沙水源水库中铜绿微囊藻容易形成优势；氮不足时，假鱼腥藻容易形成优势。
(3)磷充足时，青草沙水源水库中浮颤藻容易形成优势；磷不足时，水华束丝藻容易形成优势。
(4)控磷除氮可能导致不同水华蓝藻此消彼长。