貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)沉水植物群落對藍(lán)藻的消納作用

張艷晴 潘輝 畢雪娟

摘要[目的]探討沉水植物對藍(lán)藻密度及水質(zhì)的影響。[方法]在貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)現(xiàn)場試驗和數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，通過建立貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)等比例縮放中尺度模型，研究沉水植物群落對藍(lán)藻的消納作用、對水質(zhì)的凈化效果和凈化時間，同時研究了沉水植物在逆境脅迫下的生理反應(yīng)。[結(jié)果]沉水植物群落能夠在15 d消納高濃度藍(lán)藻，并使水體水質(zhì)由Ⅴ類凈化到 Ⅱ 類；在逆境脅迫下不同沉水植物酶的活性表現(xiàn)出差異，過氧化物酶（POD）活性較超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）高出很多。[結(jié)論]該研究可為貢湖灣生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞沉水植物群落；藍(lán)藻；水質(zhì)凈化；酶的活性

中圖分類號X524文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）23-0046-04

Study of Submerged Macrophytes Community Absorptive on Cyanobacteria in Ecological Restoration Zone of Gonghu Bay

ZHANG Yanqing， PAN Hui， BI Xuejuan

（Jiangsu Jiangda Ecological Science and Technology Co. Ltd.， Wuxi，Jiangsu 214061）

Abstract[Objective]To study the effects of submerged macrophytes on the density of cyanobacteria and water quality. [Method]On the basis of field test and data analysis of ecological restoration zone of Gonghu Bay， the scale model was established in Gonghu Bay， the submerged macrophytes community absorptive on cyanobacteria and the purification effect on water quality and purification time were we studied， and the physiological responses of submerged macrophytes under abiotic stress were studied at the same time. [Result]The results showed that the submerged macrophytes communities can absorptive high density of cyanobacteria in 15 days， and purified water from V to class II； different submerged macrophytes enzyme act difference in abiotic stress， POD activity was higher than activity of SOD and CAT. [Conclusion]The study can provide a scientific basis for ecological restoration of Gonghu Bay.

Key wordsSubmerged macrophytes community；Cyanobacteria；Water purification；Enzyme activity

基金項目“太湖貢湖生態(tài)修復(fù)模式工程技術(shù)研究與綜合示范”課題（2013ZX07101014）。

作者簡介張艷晴（1990—），女，安徽宿州人，研究員，碩士，從事污染水體生態(tài)修復(fù)研究。

收稿日期2017-06-07

近年來，由于太湖富營養(yǎng)化水平持續(xù)居高不下，污染發(fā)生區(qū)域不斷向湖濱靠近，水體中氮、磷逐年富集，導(dǎo)致水體藍(lán)藻水華時有發(fā)生，進(jìn)而引發(fā)貢湖草型生態(tài)系統(tǒng)破壞和生態(tài)服務(wù)功能衰退[1]，因此，有必要采取措施加以全面治理與保護(hù)。

當(dāng)前湖泊污染治理的方法主要包括外源控制[2]、內(nèi)源控制[3]、引清調(diào)水[4-5]和生物修復(fù)[6-7]。其中，引清調(diào)水是改善水環(huán)境的重要輔助措施。引清調(diào)水的目標(biāo)是“以動制靜，以清釋污”，該方法適用于水系較為發(fā)達(dá)，擁有清潔水源，水利條件允許的區(qū)域。但太湖貢湖生態(tài)修復(fù)區(qū)周邊河道水質(zhì)較差，為了保持修復(fù)區(qū)沉水植物生長所需的生境條件，在示范區(qū)水位較低時，需從周邊河道調(diào)入水質(zhì)較差的河水；在雨季周邊河道水位較高時也需向示范區(qū)引入河道水，經(jīng)過示范區(qū)凈化后向貢湖提供清水。太湖貢湖生態(tài)修復(fù)區(qū)嘗試通過沉水植被的生態(tài)恢復(fù)，提高水生生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性，吸收水體中多余的營養(yǎng)鹽，最終達(dá)到水體凈化的目的。但是沉水植物種類繁多，不同沉水植物對水質(zhì)水文條件的適應(yīng)性不同。貢湖生態(tài)修復(fù)區(qū)會定期補(bǔ)水，補(bǔ)水水源皆為太湖周邊河道較差的水質(zhì)，調(diào)入的河水水質(zhì)與流場會影響沉水植物的生長分布情況。筆者通過中尺度試驗，研究從周邊河道調(diào)水的凈化效果以及調(diào)水對沉水植物生長和生理活性的影響，以期為貢湖生態(tài)修復(fù)區(qū)沉水植物的恢復(fù)和引清調(diào)水提供參考。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)域為國家“十二五”水專項課題太湖貢湖灣2.32 km2的生態(tài)修復(fù)示范區(qū)（圖1），示范區(qū)的調(diào)水水源是示范區(qū)北部親水河，調(diào)水點(diǎn)在許仙港和典基港2處位置，示范區(qū)南部通過閘門與太湖相連通，從而能夠為太湖提供清水。該研究建立的貢湖生態(tài)修復(fù)區(qū)等比縮放中尺度模型（圖2）容積650 m3，平均水深約1.3 m，位于生態(tài)修復(fù)區(qū)的東北角位置（圖1），長寬縮放比例均為1∶50。根據(jù)示范區(qū)沉水植物分布及覆蓋度調(diào)查結(jié)果，在中尺度模型中模擬示范區(qū)沉水植物分布。具體種植方式如圖2所示，中尺度模型如圖3所示。圖2中北部2個箭頭分別模擬生態(tài)修復(fù)區(qū)從許仙港和典基港的引水放流。

1.2研究方法

貢湖生態(tài)修復(fù)示范區(qū)通過前期在深水區(qū)種植先鋒優(yōu)勢種形成種群，然后進(jìn)行下層植被恢復(fù)，形成較成熟的生態(tài)修復(fù)區(qū)，通過生態(tài)修復(fù)區(qū)的凈化作用，為太湖制造更多清水。然而，夏季藍(lán)藻大量繁殖，從親水河調(diào)入富含藍(lán)藻的水入示范區(qū)會對沉水植物生長產(chǎn)生影響，過量的藍(lán)藻甚至?xí)?dǎo)致沉水植物死亡，從而對示范區(qū)的凈水功能造成影響。因此，為了探討示范區(qū)的沉水植物群落配置能否消納親水河中高濃度的藍(lán)藻，以及應(yīng)對沉水植物自身的生理變化，在藍(lán)藻暴發(fā)季節(jié)，該研究通過在貢湖灣等比例縮放模型中進(jìn)行試驗，從親水河調(diào)高濃度藍(lán)藻水入示范區(qū)，監(jiān)測模型內(nèi)藍(lán)藻密度隨時間、水質(zhì)及沉水植物的生理變化。

根據(jù)前期研究結(jié)果[8]在實(shí)體模型中選用流量為25 m3/h的水泵調(diào)水，采用從西部入流口（模擬許仙港）和東部入流口（模擬典基港）（如圖2紅色箭頭）同時調(diào)水1 h/d，連續(xù)調(diào)水5 d。該調(diào)水方式下水質(zhì)改善效果最好，水力停留時間最短，且模型內(nèi)正好完成1次換水，然后堵上出水口，靜置。調(diào)水期間每天采樣，采樣點(diǎn)包括進(jìn)水口、出水口及模型內(nèi)5個斷面上的5個點(diǎn)位。靜置期間每3 d采樣1次，采樣點(diǎn)為模型內(nèi)5個斷面的5個點(diǎn)位。采集水樣檢測藻密度、總氮（TN）、

總磷（TP）含量、濁度、葉綠素a（Chl-a）含量等水質(zhì)指標(biāo)，以及沉水植物葉綠素、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）等生理活性指標(biāo)。試驗時間為2015年5月16—29日。

1.3監(jiān)測指標(biāo)與方法

藻密度計數(shù)方法采用顯微鏡法[9]，計數(shù)不同類型細(xì)胞群體數(shù)量和群體大??；TP含量采用鉬酸銨分光光度法（GB/T 11893—89）測定；TN含量采用堿性過硫酸鉀消解分光光度法（HJ 636—2012）測定；Chl-a含量采用分光光度法（《水和廢水監(jiān)測分析方法》第四版增補(bǔ)版）測定；沉水植物葉綠素含量采用95%乙醇浸提法測定；光密度OD值采用分光光度計測定；POD活性采用愈創(chuàng)木酚比色法測定；CAT活性采用紫外吸收法測定；SOD活性采用紫外分光光度計法測定。

2結(jié)果與分析

2.1調(diào)水對水質(zhì)指標(biāo)的影響

調(diào)水前模型內(nèi)水質(zhì)（Ⅱ類）：TP含量0.03 mg/L，TN含量0.34 mg/L，濁度 10.0 NTU，Chl-a未檢出。調(diào)入水水質(zhì)（Ⅴ類）：TP含量0.16 mg/L；TN含量155 mg/L；濁度 60.54 NTU；Chl-a含量37.78 mg/m3。進(jìn)出水水質(zhì)和調(diào)水期間模型內(nèi)水質(zhì)變化見圖4。由圖4可知，前5 d為連續(xù)調(diào)水期，后9 d為污染負(fù)荷停留時間。由于調(diào)水水質(zhì)較差，調(diào)水后模型內(nèi)TP、TN、濁度和Chl-a含量均高于調(diào)水前。前5 d連續(xù)調(diào)水過程中，模型內(nèi)TP含量在0.028～0072 mg/L，TN含量在0.600～1.060 mg/L，濁度在10.52～3118 NTU，Chl-a含量在3.29～20.34 mg/m3。隨著調(diào)水的進(jìn)行，模型內(nèi)各水質(zhì)指標(biāo)在第8天達(dá)到峰值，模型內(nèi)水質(zhì)（Ⅳ類）：TP 0.096 mg/L，TN 1.360 mg/L，濁度 53.56 NTU，Chl-a：21.46 mg/m3。污染負(fù)荷停留9 d以后，各指標(biāo)均有大幅降低，水質(zhì)恢復(fù)到調(diào)水前的標(biāo)準(zhǔn)（Ⅱ類），各指標(biāo)分別為TP 0.042 mg/L，TN 0.350 mg/L，濁度10.98 NTU，Chl-a 6.25 mg/m3。

2.2調(diào)水對藍(lán)藻密度的影響

圖5直觀地反映了調(diào)水前后模型內(nèi)水質(zhì)的改變，調(diào)水前水體清澈透明，沉水植物覆蓋度達(dá)到100%。調(diào)水第2天，由于調(diào)入了富含藍(lán)藻的水，模型內(nèi)水體開始被藍(lán)藻水覆蓋，第5天模型內(nèi)水體表面被藍(lán)藻水100%覆蓋。從圖6可以看出，調(diào)水第1天，藍(lán)藻平均藻密度達(dá)到1.25×108 ind./L，隨著試驗的進(jìn)行，第6天藻密度達(dá)到1.98×108 ind./L，第12天藻密度降到6.9×105 ind./L，試驗到第15天，藍(lán)藻已完全消失，水體恢復(fù)透明。

2.3調(diào)水對沉水植物生理指標(biāo)的影響

從圖7可以看出，受調(diào)水影響，第15天各沉水植物葉綠素含量較調(diào)水前均有不同程度的下降，下降幅度從大到小依次為馬來眼子菜、穗花狐尾藻、金魚藻、黑藻、苦草。黑藻的葉綠素含量在第9天降到最低值0.84 mg/g，之后略有升高，葉綠素的下降幅度為15.87%；金魚藻的葉綠素含量由1.26 mg/g下降到1.01 mg/g，下降幅度為21.42%；馬來眼子菜本身葉綠素含量最高，且降幅最大，由調(diào)水前的3.60 mg/g下降到2.13 mg/g；苦草葉綠素含量受調(diào)水影響較小，降幅僅為542%，說明苦草的耐受力較強(qiáng)；穗花狐尾藻葉綠素含量由1.52 mg/g下降到1.12 mg/g，下降幅度為26.41%。

從圖8～10可以看出，調(diào)水對各沉水植物的抗氧化酶活性產(chǎn)生了一定影響，不同沉水植物所受到的影響各有不同，且不同酶的活性也存在差異。

從圖8可以看出，沉水植物POD活性以馬來眼子菜最高，黑藻最低。隨著調(diào)水的進(jìn)行，除馬來眼子菜外，其余4種沉水植物的POD活性均表現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，到第12天，黑藻、金魚藻、苦草和穗花狐尾藻的POD活性達(dá)到最高，第15天這4種沉水植物的POD活性呈現(xiàn)小幅下降。馬來眼子菜的POD活性變化不明顯。

從圖9可以看出，隨著調(diào)水的進(jìn)行，5種沉水植物的CAT活性變化趨勢不大，表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，CAT活性從大到小依次為馬來眼子菜、穗花狐尾藻、黑藻、苦草、金魚藻。穗花狐尾藻和金魚藻CAT活性在第6天達(dá)到最大值，分別為556、45 U/g·min；第9天黑藻、馬來眼子菜和苦草的CAT活性達(dá)到最大值，分別為479.5、846.0、188.0 U/g·min；試驗結(jié)束時，5種沉水植物CAT活性基本恢復(fù)到試驗前水平。

從圖10可以看出，5種沉水植物除黑藻的SOD活性表現(xiàn)出下降趨勢外，其他4種沉水植物均表現(xiàn)出先升高后下降的變化趨勢，但變化幅度有差異。黑藻的SOD活性從初始的176 U/g下降到110 U/g；金魚藻的SOD活性由調(diào)水期間初始時的90 U/g升高到第12天的145 U/g，再降低到試驗結(jié)束時的130 U/g；馬來眼子菜的SOD活性呈現(xiàn)出先升高后下降趨勢，由初始的345 U/g升高到368 U/g后降低到342 U/g；苦草的SOD活性由84 U/g升高到第9天的122 U/g后逐漸下降到90 U/g；穗花狐尾藻SOD活性由初始的144 U/g到第12天升高到225 U/g后降低到200 U/g。

3結(jié)論與討論

從試驗結(jié)果可知，沉水植物群落能夠利用其對藻類的抑制效應(yīng)來控制藻類惡性增長，提高水體的自凈能力。沉水植物是控制和治理湖泊富營養(yǎng)化的一個重要生物調(diào)控措施[10]，其作用主要表現(xiàn)在去除水體和底泥中的營養(yǎng)鹽類，吸收氮、磷輸出水體的營養(yǎng)物質(zhì)；沉水植物的作用還表現(xiàn)在吸附水體懸浮顆粒物，提高水體透明度。姚瑤等[11]通過對6種沉水植物凈化污水效果的研究發(fā)現(xiàn)，苦草、菹草和伊樂藻對氮、磷均有較好的去除效果。另外，沉水植物根系為硝化細(xì)菌生長繁殖提供適宜生境，硝化細(xì)菌進(jìn)行硝化和反硝化作用對氮、磷的去除也起到較大的作用。沉水植物和藻類在水體中既有直接相互競爭的關(guān)系，又存在相生相克的作用，對抑制藻類的生長和控制湖泊藻華暴發(fā)起著關(guān)鍵作用。由于小模型中調(diào)入大量富含藍(lán)藻的水，導(dǎo)致小模型中水質(zhì)指標(biāo)TN、TP、Chl-a、濁度顯著升高。水生植物通過分泌化感物質(zhì)與藻類競爭營養(yǎng)物質(zhì)和光照來抑制藻類生長繁殖[12-13]，而藻類的大量繁殖導(dǎo)致水質(zhì)惡化，又會對水生植物的生長產(chǎn)生脅迫效應(yīng)。

水體中大量藍(lán)藻的存在降低水體的透明度，改變水體的pH，并釋放有毒有害物質(zhì)影響沉水植物的生長。相關(guān)研究[14-16]表明，植物在逆境脅迫下，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除之間的平衡被破壞，植物膜系統(tǒng)會受到損傷，進(jìn)而引起其他生理生化異常。植物膜保護(hù)酶在植物抵抗外界傷害中起到關(guān)鍵作用。其中，SOD、POD和CAT是膜保護(hù)酶的重要組成部分，它們能夠在逆境脅迫或哀老過程中清除體內(nèi)的過氧化氫，維持體內(nèi)的活性氧代謝平衡，保護(hù)膜結(jié)構(gòu)，從而使植物在一定程度上忍耐、減緩或抵抗逆境脅迫。該研究中，苦草、金魚藻、和穗花狐尾藻POD活性均先升高后稍有回落，在試驗開始時，細(xì)胞中產(chǎn)生的活性氧在POD的正常分解能力范圍內(nèi)，因此POD活性會隨著酶底物濃度的增加而提高，當(dāng)POD活性降低時表明活性氧已經(jīng)超出其正常分解能力，使活性氧自由基濃度上升，對植物產(chǎn)生傷害。CAT活性也表現(xiàn)先增加后下降的趨勢，CAT活性提高可以有效清除細(xì)胞中的H2O2，阻止H2O2在體內(nèi)積累而減少其導(dǎo)致的傷害。SOD活性在整個處理時間內(nèi)表現(xiàn)出先增加后下降的趨勢，說明在一定脅迫時間內(nèi)SOD能及時有效清除自由基，保護(hù)細(xì)胞免受氧化脅迫的傷害。在該試驗中，POD活性較SOD和CAT活性高出很多，說明POD在高濃度的氮、磷脅迫下發(fā)揮著重要作用。

建立貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)的等比縮放中尺度模型，在模型內(nèi)配置不同沉水植物，在夏季藍(lán)藻暴發(fā)季節(jié)進(jìn)行調(diào)水水質(zhì)凈化試驗，通過監(jiān)測模型內(nèi)水質(zhì)變化情況、沉水植物對藍(lán)藻的消納作用以及沉水植物自身酶活性的變化，研究在該調(diào)水方式和沉水植物的配置方式下，模型內(nèi)水質(zhì)凈化到調(diào)水前水質(zhì)所需要的時間以及沉水植物的脅迫效應(yīng)。結(jié)果表明：在該調(diào)水方式下，合理的沉水植物配置能夠在較短的時間內(nèi)使水質(zhì)恢復(fù)到模型內(nèi)原水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且對進(jìn)入模型內(nèi)的藍(lán)藻具有較好的消納作用；在逆境脅迫下，5種沉水植物酶的活性表現(xiàn)出差異，除黑藻外，苦草、金魚藻、馬來眼子菜和穗花狐尾藻在一定時間內(nèi)對高濃度藍(lán)藻脅迫有一定的抗逆性能和適應(yīng)能力，但是長期脅迫會使沉水植物的生長受到抑制，從而抗逆性能也受到抑制。

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