禾本科植物抑制三峽庫區(qū)水華優(yōu)勢藍藻的探討

張 彬 羅本福 梅自良

（西華大學能源與環(huán)境學院，四川成都 610039）

三峽工程的興建給防洪、發(fā)電、航運等方面帶來了巨大的經(jīng)濟效益，同時，也對庫區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響.三峽水庫實現(xiàn)175 m蓄水后，庫區(qū)水位提升、水流放緩、水體擴散能力減弱、庫灣和支流流域污染物的滯留時間延長，水域環(huán)境發(fā)生了顯著變化.特別受水庫回水頂托作用，庫灣和部分支流流域污染加重，局部水域已出現(xiàn)富營養(yǎng)化，水華暴發(fā)頻繁.2007年春季，三峽庫區(qū)澎溪河流域暴發(fā)了藍藻水華，藍藻門中的水華魚腥藻、類顫魚腥藻和水華束絲藻等為其優(yōu)勢群體[1,2].2008年三峽庫區(qū)香溪河流域在水華暴發(fā)期間，水華優(yōu)勢種表現(xiàn)出由河流型硅藻類向湖泊型藍藻、綠藻類演變的趨勢[3].此外，有研究者在對重慶主城區(qū)三峽水域優(yōu)勢藻種的演替及增殖行為進行研究時曾推測，三峽成庫后最可能暴發(fā)的水華是藍藻水華或綠藻水華[4].隨著三峽水庫2009年完成175 m蓄水，支流庫灣區(qū)水體流速進一步減緩，富營養(yǎng)化趨勢更加嚴重，一些主要支流水華現(xiàn)象也逐年加重，由此造成的庫區(qū)水域生態(tài)危害將更大，這已成為當前三峽水庫突出的生態(tài)環(huán)境問題之一.因此，如何采取有效措施，防控庫區(qū)水華已迫在眉睫.

1 三峽庫區(qū)水華研究現(xiàn)狀

近年來，圍繞三峽水庫水華現(xiàn)象展開了大量的研究，主要集中在以下幾個方面：

一是通過對三峽水庫主要流域的水華現(xiàn)狀展開調(diào)查研究，分析成庫前后及水華期間藻類的群落結(jié)構(gòu)及演替特征，闡釋庫區(qū)水華特點[1,4-6].

二是從水體富營養(yǎng)化角度，分析庫區(qū)主要流域氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的來源、形態(tài)及輸入特點，重點從水體營養(yǎng)程度同水華形成關(guān)系，闡釋庫區(qū)水華成因及防控策略和手段[7-9].

三是通過野外調(diào)查及室內(nèi)模擬試驗，研究典型優(yōu)勢藻種生長同主要環(huán)境因子的關(guān)系，著重分析水動力條件變化對藻類生長的影響[10-12].

從目前的研究報道看，研究者主要集中于庫區(qū)營養(yǎng)鹽狀態(tài)、水華成因、水華藻種種類組成、水華藻種的群落演替及主要水華優(yōu)勢種調(diào)查等幾個方面，并通過野外觀測和室內(nèi)模擬試驗闡釋了主要環(huán)境因子（營養(yǎng)鹽特征，水動力條件等）對藻類生長和演替的影響.但尚缺乏對庫區(qū)水華防控措施深入系統(tǒng)的研究.

2 抑藻技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)抑藻技術(shù)

抑制藻類生長為實現(xiàn)水華防控的有效途徑之一，傳統(tǒng)除藻技術(shù)大體分為物理方法、化學方法和生物方法.目前在許多供飲用水水域（如水庫）應用物理方法除藻比較多，主要包括微濾膜及活性炭除藻、黏土絮凝除藻、機械法及挖泥法除藻、超聲波除藻、隔離法除藻以及氣浮法除藻等.但物理法對低密度或底層藻類的殺滅效果不好，費用高、操作時間長，并且難以大面積使用[13].化學方法主要通過向水體投放化學藥品（如硫酸亞鐵、硫酸銅和二氧化溴等）來抑制藻類的生長繁殖.此種方法雖然簡便易行，省時省力，但是并不能從根本上明顯改善水質(zhì).相反，隨著投藥量的增加，藥品種類的不斷更換，對環(huán)境的再次污染不斷加大，從而使水環(huán)境形成嚴重的惡性循環(huán)，如溶解氧降低、魚類死亡、生物多樣性減少等，嚴重地影響了生態(tài)系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)，甚至可能導致整個水生態(tài)系統(tǒng)癱瘓.另外，一些金屬離子（如Cu2+、Fe2+等）易在食物鏈中通過生物放大作用積累，給人類帶來危害[14].傳統(tǒng)生物方法抑藻主要是利用培養(yǎng)的生物或培育、接種生物的生命活動，對水體中的污染物進行轉(zhuǎn)化、分解及轉(zhuǎn)移，從而使水體環(huán)境得到恢復的一種方法.目前很多供飲水水庫大多采用此種方法控藻.被用來除藻的生物主要有微生物和水生動物等[15].該法優(yōu)點是方法簡單，二次污染小.但該技術(shù)僅適用于微污染水域，而在藻密度較高的富營養(yǎng)化水體中，其較低的溶解氧水平不利于水生動物的生長繁殖.更為甚者，藻毒素又能在動物體內(nèi)大量富集，依附食物鏈傳遞危害人體健康，從而使其應用受到了限制[15].

2.2 化感抑藻技術(shù)

由于現(xiàn)有藻類控制技術(shù)存在的固有缺陷，人們對新型高效、生態(tài)安全的藻類控制技術(shù)的探索一直沒有停止.1949年，Hasler等人首次發(fā)現(xiàn)了水生植物的化感抑藻作用，此后，化感抑藻作用及化感抑藻物質(zhì)的研究便為開發(fā)藻類控制技術(shù)提供了新方向.目前關(guān)于化感抑藻作用和抑藻物質(zhì)的研究已經(jīng)取得一些階段性的成果.

2.2.1 常見化感抑藻植物研究

目前發(fā)現(xiàn)的常見化感抑藻植物主要包括浮水植物（浮萍、紫萍、鳳眼蓮、水花生等）[16-18]，沉水植物（穗狀狐尾藻、金魚藻、苦草、伊樂藻、眼子菜等）[19-24]，挺水植物（馬蹄蓮、石菖蒲、蘆葦?shù)龋25-26]和陸生植物（大麥秸稈、美人蕉、稻殼、黃花蒿等）[27-29].

2.2.2 化感抑藻機理研究

目前化感抑藻機理研究主要包括對藻類光合作用的影響（通過破壞藻類葉綠素，減少藻類同化產(chǎn)物，破壞光合系統(tǒng)II等方面抑制藻類生長）[19,30-32]；對細胞膜的破壞（通過抑制膜ATP酶活性，改變膜滲透性及其內(nèi)外離子通道，破壞膜結(jié)構(gòu)，使其發(fā)生質(zhì)壁分離等作用來殺死藻細胞，降低藻細胞數(shù)量，抑制藻類的生長）[33,34]；影響酶活性（主要通過改變藻細胞中超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性及增加膜脂過氧化產(chǎn)物（MDA）的含量使得細胞內(nèi)活性氧水平增加，破壞藻細胞的抗氧化系統(tǒng)，從而導致細胞死亡和生物量減少）[19,35-37]；對細胞超微結(jié)構(gòu)的影響（通過破壞細胞膜，傷害膜質(zhì)系統(tǒng)，從而進一步作用于膜內(nèi)的擬核、葉綠體、線粒體、內(nèi)含物及細胞超微結(jié)構(gòu)，使得藻細胞死亡量增加，以達到控制藻類生長的目的）[38]；影響細胞的基因表達（誘導藻細胞內(nèi)某些基因表達上調(diào)，通過阻止DNA翻譯和轉(zhuǎn)錄的進行來抑制蛋白質(zhì)的合成及細胞的有絲分裂等方面）[39].

2.2.3 化感抑藻物質(zhì)研究

目前研究發(fā)現(xiàn)的常見化感抑藻物質(zhì)主要有有機酸、酚酸類、脂肪族化合物、多酚類、萜類和芳香族化合物等；主要的分離鑒定方法有有機溶劑萃取法、色譜法、層析法、質(zhì)譜法、氣質(zhì)和液質(zhì)聯(lián)用法、紅外光譜法、核磁共振法等[20,24,25,38].

3 三峽庫區(qū)禾本科植物抑藻探討

3.1 可行性分析

筆者在參與國家水體污染控制與治理科技重大專項-子課題“消落帶污染負荷特征及其對水環(huán)境影響研究”（編號“2008ZX07104-003-02”）的工作中曾發(fā)現(xiàn)，禾本科植物牛鞭草為三峽水庫消落帶主要岸生植物.在冬季蓄水期間，其被水體淹沒后仍能存活但生長緩慢[40]；春季氣候回暖，開始大量生長繁殖.且有研究表明，牛鞭草能分泌酚酸類化感物質(zhì)[41]；酚酸類化感物質(zhì)對水華魚腥藻生長有抑制作用[38,42].而藍藻門中的水華魚腥藻在庫區(qū)水華暴發(fā)期間可成為優(yōu)勢藻種[1,2].從藍藻生長的幾個階段來看，三峽水庫冬季蓄水，此時水溫較低，藻類通常處于休眠狀態(tài)，同時牛鞭草也生長緩慢.而來年春季氣候回暖，藻類開始復蘇，通常藻類處于復蘇階段的控藻效果比水華暴發(fā)期更有效.且氣候回暖后，牛鞭草也開始大量生長繁殖，而此時的牛鞭草分泌的化感物質(zhì)有可能更多.因此，在三峽水庫這種特殊的水利運行方式和牛鞭草這種獨特的生境變化條件下研究其化感抑藻作用有一定的可行性[43].

3.2 研究實施方案

具體研究可考慮從以下三個方面展開相關(guān)研究工作：1）采用共培養(yǎng)法研究消落帶常見禾本科植物牛鞭草對水華魚腥藻的化感作用；2）分離純化化感物質(zhì)，鑒定其結(jié)構(gòu)；3）通過分析化感物質(zhì)對藻類光合作用、酶活性、基因表達及超微結(jié)構(gòu)等方面的影響，闡釋化感作用機制.

3.2.1 室內(nèi)共培養(yǎng)試驗

將一個有機玻璃缸分成兩部分，玻璃缸中加入培養(yǎng)液，中間用0.45 μm（或0.22 μm）的玻璃纖維濾膜分隔，一部分培養(yǎng)供試植物（牛鞭草），另一部分培養(yǎng)受體生物（水華魚腥藻）（對照組不接種牛鞭草），定期測定受體生物的生長狀況指標，并計算抑制率.為避免二者間的營養(yǎng)競爭，定期向培養(yǎng)容器內(nèi)添加培養(yǎng)液，以補償消耗的營養(yǎng)鹽.該培養(yǎng)體系中供試的兩種生物不直接接觸，但分泌的化感物質(zhì)可以通過玻璃纖維濾膜自由通過，且該系統(tǒng)完全排除了光遮擋和直接接觸等因素的干擾.并將玻璃缸置于光照培養(yǎng)箱中，達到控制環(huán)境條件的目的.整個培養(yǎng)體系處于無菌室中.

3.2.2 化感物質(zhì)的分離純化及鑒定

首先采用有機溶劑萃取樣品材料，然后選取一定體積的硅膠柱進行分離，通過抑藻活性實驗確定活性組分，進一步采用合適途徑如硅膠柱層析，凝膠柱層析，反相硅膠柱層析，制備薄層色譜等手段分離提取活性組分，最后將提取的較純物質(zhì)通過氣質(zhì)或液質(zhì)聯(lián)用，紅外光譜，核磁共振等手段鑒定其成分及結(jié)構(gòu).

3.2.3 光合作用、酶活性、MDA含量、基因表達及超微結(jié)構(gòu)的測定

取一定量分離純化后的化感物質(zhì)加入到藻類培養(yǎng)液中，研究化感物質(zhì)對水華魚腥藻的抑制機理.其中光合作用通過測定葉綠素a含量、藻膽蛋白含量、光合系統(tǒng)II來反映.酶活性SOD的測定采用改進的氮藍四唑（NBT）光化學反應法，POD采用改良聯(lián)苯胺染色法測定，CAT通過測定H202的消失來測定，COD采用二甲基對苯二胺染色法測定；MDA含量的測定采用硫代巴比妥酸方法；基因表達測定參照Qian et al（2008）方法，超微結(jié)構(gòu)的測定通過對藻細胞進行緩沖液淋洗，固體瓊脂固定，Epn812環(huán)氧樹脂浸透、包埋，LKB超薄切片機切片，最后進行雙染色，投射電鏡下觀察其結(jié)構(gòu)變化.

4 開展三峽庫區(qū)禾本科植物控藻的重要意義

植物抑藻化感物質(zhì)是其生長過程中產(chǎn)生的代謝物質(zhì)，通常可以在自然條件下分解，難以在生態(tài)系統(tǒng)中積累，生態(tài)安全性好.在人類極力倡導食品安全的今天，在大型水庫、河流及養(yǎng)殖水域等水體利用化感抑藻技術(shù)改善水質(zhì)，無疑是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ纳鷳B(tài)模式，具有良好的應用前景[19,38].然而近年來，關(guān)于水生生物（主要指水生植物及浮游藻類）對藻類的化感抑制作用報道較多，實驗室研究以及現(xiàn)場試驗也主要發(fā)現(xiàn)微藻、大型藻類和高等水生植物能產(chǎn)生并釋放具有一定化感作用的活性物質(zhì).而關(guān)于禾本科植物對藻類的化感作用鮮有報道，利用禾本科植物抑制三峽庫區(qū)水華藻類的研究尚屬空白.本研究方案的提出，可以填補禾本科植物牛鞭草對藻類化感作用研究的空白，并進一步為開展化感抑藻技術(shù)有效防控三峽庫區(qū)水華等研究提供參考.

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