藻源性湖泛發(fā)生過程的季節(jié)差異

邵世光,薛聯(lián)青,劉　成,申秋實(shí),周麒麟,余居華,范成新*（.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 0098；.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京0008）

藻源性湖泛發(fā)生過程的季節(jié)差異

邵世光1,2,薛聯(lián)青1,劉成2,申秋實(shí)2,周麒麟2,余居華2,范成新2*（1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098；2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210008）

藻源性湖泛在春季和夏季均有發(fā)生,但湖泛發(fā)生的完整過程在野外很難被追蹤到.本文利用專利裝置進(jìn)行了春季與夏季藻源性湖泛的室內(nèi)發(fā)生模擬,研究了湖泛發(fā)生過程中水體視覺和嗅覺兩方面特征指標(biāo)的變化過程.結(jié)果表明：湖泛在春季比夏季需要更長的醞釀時(shí)間方可發(fā)生,且持續(xù)時(shí)間較短；春季湖泛發(fā)生時(shí)水體真色度與懸浮固體含量均要高于夏季,且波動更顯著；夏季湖泛致臭物質(zhì)的變化較春季更明顯,具有迅速、持久的特點(diǎn)；春季與夏季藻源性湖泛過程均具有嗅覺特征先于視覺效果顯現(xiàn)的現(xiàn)象,即呈現(xiàn)先臭后黑的特點(diǎn).

湖泛；季節(jié)差異；視覺特征；嗅覺特征；變化過程

湖泛是近20年來常見于我國淺水湖泊的一種極端水環(huán)境問題［1-4］,主要有草源性和藻源性 2種類型［3-4］.湖泛發(fā)生時(shí)水體變黑且伴有極度難聞的氣味［5］,嚴(yán)重影響水生態(tài)系統(tǒng)及供水安全.湖泛現(xiàn)象并不僅僅發(fā)生在中國,在國外許多海灣及湖泊中都曾出現(xiàn)過這一現(xiàn)象,如德國的 Wadden sea［6］,意大利的Garda湖［7］,美國的Illinois湖［8］等.對于這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,目前尚沒有定論,但有研究［8-9］認(rèn)為,金屬硫化物是水體發(fā)黑的重要原因,而揮發(fā)性硫化物（VSCs）則是水體發(fā)臭的主要原因［10-11］.

藻源性湖泛與藻華有很大的區(qū)別,湖泛現(xiàn)象是藻華以后,藻類大量死亡降解同時(shí)有沉積物參與而引起的次生災(zāi)害,湖泛發(fā)生時(shí)水體呈現(xiàn)出黑色并伴有刺激性臭味.發(fā)生在我國淺水湖泊中的湖泛主要特征［12-13］：極低的溶解氧濃度,一般接近0mg/L,水體的pH值呈弱酸性,低氧化還原電位,高濃度的金屬硫化物,高濃度的揮發(fā)性有機(jī)硫化物［VOSCs,如二甲基硫醚（DMS）,二甲基二硫醚（DMDS）,二甲基三硫醚（DMTS）,和甲硫醇（MTL）］.目前已有的報(bào)道認(rèn)為表層沉積物及間隙水中Fe2+和 ΣH2S的累積是導(dǎo)致形成致黑物質(zhì)的主要原因［12］,沉積物中的硫酸鹽還原菌（SRB）在這一過程中起著重要的作用［14］；而致臭物質(zhì)形成的主要原因則可能是由于藻類的大量死亡和降解過程中一系列的生化反應(yīng)所產(chǎn)生的伴生物［15-16］.

湖泛在春季和夏季都曾發(fā)生過,但是湖泛發(fā)生后給人們的感覺差異較大,如持續(xù)時(shí)間、視覺效果和嗅覺效果都不盡相同.目前,還沒有關(guān)于不同季節(jié)湖泛發(fā)生過程存在差異的相關(guān)報(bào)道,在湖泊中春季和夏季水體和沉積物的溫度存在一定的差異,這會引起其他與溫度相關(guān)的地球化學(xué)循環(huán)過程發(fā)生變化.湖泛最典型的感官現(xiàn)象就是視覺上的“黑”和嗅覺上的“臭”.在視覺上,由于湖泛發(fā)生過程中水體由正常顏色變成黑色所經(jīng)歷的時(shí)間較短,目前在野外沒有完整的監(jiān)測記錄.在嗅覺上,對于湖泛發(fā)生過程中臭味物質(zhì)的報(bào)道主要集中在發(fā)生湖泛后進(jìn)行的臭味物質(zhì)含量分析,缺少對湖泛發(fā)生過程中臭味物質(zhì)變化過程的研究.

湖泛的相關(guān)研究基本處于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室小體量的燒瓶實(shí)驗(yàn),模擬原位水深和有原位沉積物參與的湖泛發(fā)生過程相對較少,且沒有考慮春季和夏季湖泛之間存在的感官差異原因.本研究利用專利裝置模擬的藻源性湖泛解決了室內(nèi)燒瓶實(shí)驗(yàn)無法解決的技術(shù)難題：實(shí)驗(yàn)采用湖泛發(fā)生水域結(jié)構(gòu)未被破壞的 0～20cm原位沉積物；實(shí)驗(yàn)水深為實(shí)際湖泊中1.85m的同等水深；模擬湖泊中盛行風(fēng)速引起的波浪過程；實(shí)驗(yàn)室建在湖邊可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室溫度與湖泊自然溫度同步變化.本文通過模擬實(shí)驗(yàn)對湖泛發(fā)生過程中水體的兩類敏感指標(biāo)變化過程進(jìn)行研究,以探究春夏季藻源性湖泛發(fā)生過程存在的季節(jié)差異.

1　材料與方法

1.1采樣地點(diǎn)及方法

本實(shí)驗(yàn)采樣點(diǎn)選擇在太湖月亮灣湖泛易發(fā)區(qū)域.月亮灣位于太湖北部梅梁灣與竺山灣之間,北靠馬山,南面為太湖開闊區(qū)域,面積約10.51km2（圖 1）.由于月亮灣的地理位置特殊,再加上水文和氣象因素,使得月亮灣對太湖水質(zhì)有較大影響.月亮灣是無錫太湖水域最早出現(xiàn)過湖泛的區(qū)域,而且發(fā)生面積、頻次比其它水域嚴(yán)重得多［17］.

2013年春季和夏季,利用柱狀重力采樣器（Rigo Co.φ110×500）在月亮灣水域采集若干0～30cm的沉積物樣品（圖 1）,用橡膠塞將柱狀樣塞緊保存,另用25L聚乙烯塑料桶在采樣點(diǎn)采集湖水作為實(shí)驗(yàn)過程中沉積物的上覆水,同時(shí)用浮游生物網(wǎng)采集采樣點(diǎn)附近的新鮮藻體.所有沉積物樣、水樣及藻體用保溫箱保存并當(dāng)天運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室低溫下保存.實(shí)驗(yàn)開始前 1h內(nèi)藻體用1000r/min低速離心,去除大量水分.

圖1　采樣點(diǎn)位示意Fig.1　Locations of the sampling sites

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

湖泛模擬實(shí)驗(yàn)在Y-型沉積物再懸浮發(fā)生裝置［18］（簡稱Y-裝置）,Y-裝置具有多個(gè)由Y-型聚乙烯管（高2.55m,最大實(shí)驗(yàn)水深可達(dá)1.9m）、下部旋槳、上部旋槳和調(diào)速控制器等組件組成.底部旋槳以水平成約45°角推動水體對采集的原狀沉積物產(chǎn)生如表層平流效果的切應(yīng)力,當(dāng)推力調(diào)至足夠大時(shí)將使得沉積物發(fā)生再懸浮,并可控制水柱懸浮量；上部旋漿則推動水流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),減小懸浮顆粒物與管壁的碰撞幾率、增大其在水柱中運(yùn)動的自由程,并產(chǎn)生一定程度的縱向混合,控制著懸浮物垂向分布.調(diào)節(jié)上、下部旋漿轉(zhuǎn)速,可模擬不同風(fēng)情下的水動力對沉積物界面產(chǎn)生的再懸浮效果.側(cè)壁布有 11個(gè)不等距采樣口,可用于實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下垂向取樣.

圖2　湖泛模擬裝置縱剖面示意Fig.2　Black bloom simulation apparatus

1.3實(shí)驗(yàn)方法

把所采集的沉積物樣品采用上頂法在無擾動的情況下裝入 Y-型沉積物再懸浮裝置中；然后把采集的湖水用虹吸法從Y-型裝置的側(cè)部小管中緩緩注入直至柱子中水深與實(shí)際湖水深度相等為止（1.85m左右）.靜置24h后開動旋漿攪動,完成一個(gè)風(fēng)速運(yùn)轉(zhuǎn)周期（6h）后再靜置24h,然后開始加入離心后的新鮮藻體細(xì)胞.添加藻細(xì)胞的量為5000g/m2.春季實(shí)驗(yàn)在5月進(jìn)行,夏季實(shí)驗(yàn)在7月進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)過程全部在3組平行Y-裝置中同時(shí)進(jìn)行.

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者［19-22］的相關(guān)研究,本實(shí)驗(yàn)選擇代表性風(fēng)情為中等風(fēng)浪（風(fēng)速 3～4m/s）擾動.藻體添加后每天 10：00～16：00進(jìn)行風(fēng)浪擾動模擬,實(shí)驗(yàn)室溫度為自然室溫,光照采用室內(nèi)自然光.每天9：00進(jìn)行樣品的采集與分析測定,并記錄裝置中水體的變化情況.

1.4分析方法

每天9：00用色度儀（昕瑞）測定經(jīng)0.45μm濾膜過濾后的水體真色度,用便攜懸浮固體儀（Partech）測定裝置中部水體中的懸浮固體,記錄水體的感官特征.并在水柱中部距沉積物界面90cm處采集20mL水樣,裝入50mL棕色頂空瓶,所采集的水樣連續(xù)編號,放入-20℃冰箱中冷凍保存,至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)一并測定所需項(xiàng)目.

臭味物質(zhì)濃度用氣相色譜儀（Agilent 7890A, USA）測定，使用50/30μm DVB/carboxen-PDMS萃取頭（Supelo, No.57348-U, USA）在 65℃、150r/min下萃取 30min.隨后將萃取頭插入氣象色譜儀的FPD進(jìn)樣口，使用GAS-PRO色譜柱（60m×0.32mm； Agilent Technologies, USA）對VOSCs進(jìn)行分離,柱箱程序是：50℃保持 5min，以25℃/min速度升溫至250℃,隨后在250℃保持10min.使用純度98%以上的標(biāo)準(zhǔn)樣品（Sigma-Aldrich）繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線.VOSCs最低檢測限為2.2～4.0ng/L.

2　結(jié)果與討論

2.1視覺效果變化

將藻體加入再懸浮裝置后,旋漿作用下可以使得藻細(xì)胞在水體中分布均勻,整個(gè)水體在開始與正常湖水一致.在擾動停止后,由于藻體的生物學(xué)特性,很快就會聚集到水體的表面,致使氧氣不能有效的融入水體.在較高的溫度下,藻體及水體微生物的新陳代謝活動和水-沉積物界面處沉積物中部分有機(jī)質(zhì)的礦化分解都需要消耗大量氧氣,使得聚集的藻細(xì)胞很快就出現(xiàn)衰亡現(xiàn)象.具體表現(xiàn)為加入藻細(xì)胞1～2d后各水柱開始變黃,水體的顏色逐步變暗,然后在沉積物-水界面處開始出現(xiàn)灰色,整個(gè)水柱從下至上全部變黑,最后整個(gè)水柱呈現(xiàn)出湖泛時(shí)的深黑色.

湖泛顯現(xiàn)出來視覺上最明顯特征就是水體呈黑色,主要原因可能來自于以下方面：沉積物表層大量的底棲生物在厭氧環(huán)境下相繼死亡,殘?bào)w在厭氧及兼氧細(xì)菌的作用下分解,在分解過程中產(chǎn)生大量的黑色物質(zhì)［14］；在厭氧環(huán)境,金屬元素被還原到較低價(jià)態(tài)與水體中的被還原低價(jià)態(tài)的陰離子如S2-結(jié)合產(chǎn)生大量黑色的顆粒物［4］；水體中懸浮大量絮狀的藻類殘?bào)w,這些殘?bào)w降低了水體對光的反射,吸收了絕大部分射入水體的光線,使得視覺效果呈現(xiàn)出黑色的景象［23］.

為了更好的描述視覺效果,根據(jù)目視比色法將視覺效果的變化過程分為 5個(gè)等級,即：Ⅰ級：無色,水體清澈視覺上與正常湖水一致；Ⅱ級：淺黃,水體略渾濁略顯土黃色；Ⅲ級：灰色,水體比較渾濁呈灰色透光性很差；Ⅳ級：淺黑,水體非常渾濁略顯黑色；Ⅴ級：水體呈深黑色且基本不透光［24］.

表1　湖泛模擬過程的視覺效果Table 1　Visual effects of black bloom simulation

從表1可以發(fā)現(xiàn),春季水體發(fā)生湖泛所需時(shí)間較夏季多2～3d,春季水體在前3個(gè)狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間較長,這主要是由于春季水體溫度較低,微生物活性較低,藻體降解較慢導(dǎo)致.夏季湖泛過程明顯快于春季,只需 3d水體便出現(xiàn)黑色.夏季湖泛在視覺效果上的變化過程要比春季更加明顯.

2.2色度變化

水體真色度即水體的真實(shí)顏色,是僅由溶解物質(zhì)產(chǎn)生的顏色,用經(jīng)過 0.45μm濾膜過濾的水樣測定.色度的標(biāo)準(zhǔn)單位是°,即在每升溶液中含有2mg六水合氯化鈷（Ⅳ）和1mg鉑（以六氯鉑（Ⅳ）酸的形式）時(shí)產(chǎn)生的顏色為1°.

由圖3可見,在湖泛發(fā)生前,春季和夏季色度均出現(xiàn)迅速增加的趨勢,但夏季增幅速度要快于春季,夏季在第5d即達(dá)到最大值,春季在第8d達(dá)到最大值,是前初始色度的 8～10倍,但春季色度最大值要高于夏季.這可能由于溫度和微生物的共同作用使得有色物質(zhì)在水體中存在的時(shí)間更長導(dǎo)致的.色度值達(dá)到最大時(shí)對應(yīng)于視覺效果的第Ⅴ等級,說明了湖泛發(fā)生時(shí)水體真實(shí)的顏色在視覺上的黑色中有重要的比重,并不是全部歸因于水中黑色的懸浮物對光線的吸收以及散射的減小.在湖泛發(fā)生后春季與夏季色度均出現(xiàn)減小的現(xiàn)象,并沒有出現(xiàn)色度持續(xù)增加的過程,這可能是因?yàn)楹喊l(fā)生后,整個(gè)水體環(huán)境已經(jīng)不同于湖泛發(fā)生之前,進(jìn)入了更為復(fù)雜的生化過程階段,或者是水體環(huán)境中生化反應(yīng)所需的物質(zhì)逐漸減少,不能進(jìn)行持久的反應(yīng).

圖3　湖泛模擬實(shí)驗(yàn)真色度變化過程Fig.3　True chromaticity change process of black bloom simulation

2.3懸浮物（SS）變化

實(shí)驗(yàn)開始后加入新鮮藻體,經(jīng)過1d后鮮活的藻體基本漂浮于水體表面,死亡的藻體則下沉到沉積物表層附近水體中,形成鮮明的對比.同時(shí)春季也是藻體復(fù)蘇活躍的季節(jié),沉在湖底沉積物表層中的活藻細(xì)胞逐漸上浮,藻細(xì)胞有大量繁殖的可能性［25］,這可能導(dǎo)致了春季水體的 SS波動較大,呈現(xiàn)隨時(shí)間迅速增加的趨勢,最大的24h的變化量可達(dá)夏季的2倍多.相反夏季的SS波動較小,只在實(shí)驗(yàn)開始的前2d呈現(xiàn)隨時(shí)間迅速增加的趨勢,從第 3d開始便呈現(xiàn)出緩慢降低的趨勢.整個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)過程中春季最大的SS出現(xiàn)在5～6d的時(shí)段內(nèi),夏季出現(xiàn)在 3～4d時(shí)段內(nèi),達(dá)到實(shí)驗(yàn)開始前湖水的2～3倍.此時(shí)的水體極度惡臭,但是卻沒有嚴(yán)重發(fā)黑,處于Ⅲ級淺黃到Ⅳ級灰色階段,這可能是水體中懸浮固體所吸附的物質(zhì)沒有充分反應(yīng)釋放到水體中而導(dǎo)致的現(xiàn)象.在水體黑臭均達(dá)到最大值后,懸浮固體含量逐步降低.

圖4　湖泛模擬實(shí)驗(yàn)懸浮固體變化過程Fig.4　Suspended solids change process of black bloom simulation

2.4臭味物質(zhì)變化

湖泛發(fā)生前后水體散發(fā)出的惡臭氣體主要為揮發(fā)性有機(jī)硫化物（VOSCs）.圖5可見,在整個(gè)湖泛過程中所檢測的致臭物質(zhì)始終存在,初期臭味物質(zhì)濃度較低,嗅覺上不易察覺,到藻類降解一定程度后臭味物質(zhì)含量迅速增加,到湖泛發(fā)生前臭味物質(zhì)濃度達(dá)到最大值,然后臭味物質(zhì)濃度逐漸降低,直至嗅覺上很難被察覺.從具體的VOSCs上看各個(gè)臭味物質(zhì)均出現(xiàn)了濃度先隨時(shí)間增加,達(dá)到最大之后均迅速減小,然后小幅波動的趨勢.春季與夏季湖泛發(fā)生過程中臭味物質(zhì)濃度最高的均為DMDS,最低的均為DMTS.

春季湖泛與夏季湖泛發(fā)生過程中致臭物質(zhì)在濃度、組成和時(shí)間分布上均有較大差異.臭味物質(zhì)濃度變化過程最大的差別在于,春季VOSCs整體上要低于夏季,春季內(nèi)各臭味物質(zhì)之間濃度差異顯著,DMTS濃度遠(yuǎn)低于其他VOSCs,DMS 與DMDS濃度基本高于MTL.夏季湖泛過程中各臭味物質(zhì)之間濃度差異較小,MTL濃度在湖泛發(fā)生前高于 DMDS,湖泛發(fā)生后基本低于其他VOSCs.春季與夏季湖泛過程中 VOSCs隨時(shí)間的分布也存在較大差異,春季的VOSCs在5～7d處于較高的濃度水平,而夏季的高濃度VOSCs是在2～5d.春季與夏季湖泛嗅覺效果的差異是夏季湖泛更快速、更持久,春季則較緩慢而且氣味沒有那么強(qiáng)烈.春季湖泛水體變黑后VOSCs降低較緩慢,且各個(gè)組份之間相對的濃度格局基本不變, 即DMTS＜ MTL ＜ DMS ＜ DMDS.夏季湖泛水體變黑后VOSCs迅速降低,但各個(gè)組份之間濃度格局變化較大.夏季臭味物質(zhì)的暴發(fā)過程較春季整體提前 2～3d,且變化幅度超過春季,這可能是由于夏季湖泊內(nèi)微生物活性較春季活躍導(dǎo)致的［14］.

圖5　春季與夏季湖泛模擬實(shí)驗(yàn)中揮發(fā)性有機(jī)硫化（VOSCs）的變化過程Fig.5　Volatile organic sulfur compounds （VOSCs） change process of black bloom simulation in spring and summer

3　結(jié)論

3.1春季藻源性湖泛發(fā)生所需時(shí)間要比夏季長,大約多2～3d,且夏季發(fā)生的藻源性湖泛過程較春季明顯,主要體現(xiàn)在水體視覺效果更黑,嗅覺效果更臭.

3.2春季的溫度變化較夏季劇烈,春季藻源性湖泛發(fā)生時(shí)色度與懸浮固體含量均高于夏季,且波動較夏季強(qiáng)烈.

3.3嗅覺效果上夏季藻源性湖泛更快速、更持久,春季則較緩慢而且氣味沒有夏季強(qiáng)烈,但春季與夏季湖泛爆發(fā)后嗅味物質(zhì)濃度均呈減小的趨勢.

3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示春季與夏季藻源性湖泛過程均表現(xiàn)出黑與臭并不同步出現(xiàn),嗅覺效果先于視覺效果顯現(xiàn),即先臭后黑的特點(diǎn).

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［25］ 孔繁翔,馬榮華,高俊峰,等.太湖藍(lán)藻水華的預(yù)防、預(yù)測和預(yù)警的理論與實(shí)踐 ［J］. 湖泊科學(xué), 2009,21（3）：314-328.

Seasonal differences in the process of algae-induced black bloom.

SHAO Shi-guang1,2, XUE Lian-qing1, LIU Cheng2, SHEN Qiu-shi2, ZHOU Qi-lin2, YU Ju-hua2, FAN Cheng-xin2*（1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China；2.State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China）.

China Environmental Science, 2015,35（8）：2511～2516

Algae-induce black bloom has occurred in the spring and summer, but the whole process of black bloom occurring was difficult to tracked in the wild. The study used a patented device simulation that the occurred process of algae-induce black bloom in spring and summer, and studied the change process of characteristics indicators of visual and olfactory when the black bloom occurred. The results showed that： spring black bloom occurred takes longer than in summer, and the short duration. True chromaticity and suspended solids of the black water in spring higher than in summer, and more intense volatile. The change process of the odor substances in summer black bloom more obvious than in spring, at the same time, the black bloom of summer was more quickly, more obvious, and more durable than spring. The algae-induced black bloom processes of spring and summer have shown black and odor appear not synchronized, olfactory effect manifested earlier than visual effects, that is olfactory effect appeared earlier than the visual effect.

black bloom；seasonal differences；visual characteristics；olfactory characteristics；change process

X144

A

1000-6923（2015）08-2511-06

2015-01-12

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2012ZX 07101-010）；江蘇省太湖水環(huán)境綜合治理科研項(xiàng)目（TH2013214）

* 責(zé)任作者, 研究員, cxfan@niglas.ac.cn

邵世光（1984-）,男,吉林通榆人,博士,主要從事湖泊水環(huán)境污染與治理及沉積物污染與治理研究.