改性黏土法消除球形棕囊藻赤潮的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與效果評(píng)估*

曹西華 俞志明① 邱麗霞

(1.中國(guó)科學(xué)院海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院海洋研究所) 青島 266071; 2.海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266071; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

改性黏土法消除球形棕囊藻赤潮的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與效果評(píng)估*

曹西華1,2俞志明1,2①邱麗霞1,3

(1.中國(guó)科學(xué)院海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院海洋研究所) 青島 266071; 2.海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266071; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

球形棕囊藻是一種具有復(fù)雜異型生活史的有毒有害赤潮生物, 近年來(lái)在我國(guó)近海頻繁暴發(fā)成災(zāi), 形成的巨大囊體為國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)。迄今還未見(jiàn)到有效消除囊體型球形棕囊藻赤潮的方法報(bào)道。本文通過(guò)海上圍隔實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)赤潮消除工程跟蹤監(jiān)測(cè), 考察了噴灑改性黏土消除囊體型球形棕囊藻赤潮的可行性與效率, 并分析了改性黏土法治理赤潮時(shí)對(duì)水體及沉積環(huán)境的可能影響。圍隔實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 噴灑改性黏土可以有效消除水體中過(guò)量的微藻細(xì)胞, 其中以少量多次噴灑方法的效果最好,生物量(chla)去除率＞90%。在對(duì)2016年2月廣西防城港附近海域球形棕囊藻赤潮消除時(shí)的跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果表明, 改性黏土法適用于工程化消除赤潮作業(yè), 能夠快速消除水體中的大量球形棕囊藻囊體,隨改性黏土絮凝體沉入海底的赤潮藻可以快速分解而失去活性。噴灑改性黏土對(duì)于赤潮水體的主要理化指標(biāo)影響不顯著, 所監(jiān)測(cè)的水體 COD、pH和不同形態(tài)氮、磷、硅等生源要素濃度都在原有水質(zhì)水平范圍內(nèi)波動(dòng)。

球形棕囊藻; 赤潮; 改性黏土; 治理; 環(huán)境影響; 色素

赤潮是影響近海景觀和生態(tài)安全的常見(jiàn)自然災(zāi)害現(xiàn)象(于仁成等, 2016)。為減輕或消除有害赤潮影響、保護(hù)受災(zāi)區(qū)內(nèi)景物的安全或價(jià)值, 構(gòu)建高效可行的應(yīng)急防護(hù)對(duì)策和方法已成為國(guó)內(nèi)外赤潮防治研究的重要內(nèi)容之一(Anderson, 1997; Heisleret al, 2008;于仁成等, 2016)。改性黏土法有效地改善了天然黏土礦物凝膠性質(zhì)差、除藻效率低、應(yīng)用量大的問(wèn)題, 受到了國(guó)內(nèi)外專家和政府組織的高度重視(Anderson,1997; Andersonet al, 2001; Yuet al, 2004)。已有研究對(duì)該方法的除藻機(jī)制、除藻效率關(guān)鍵影響因素及生態(tài)安全性等都進(jìn)行了系統(tǒng)考察研究(俞志明等, 1994; 曹西華等, 2004, 2006; 王志富等; 2014), 在此基礎(chǔ)上,改性黏土法防控赤潮逐漸得到了大范圍的應(yīng)用推廣。繼2005年在南京玄武湖藍(lán)藻水華應(yīng)急處置工程中被成功應(yīng)用, 改性黏土法又先后被成功應(yīng)用在了青島奧帆賽場(chǎng)及鄰近海(2007—2008)、上海游泳世錦賽金山室外賽場(chǎng)(2010)、深圳世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)海上賽場(chǎng)鄰近海(2010)、秦皇島近海浴場(chǎng)與鄰近海(2012—2016)等不同海區(qū)的不同類型有害赤潮的應(yīng)急防控行動(dòng)中。已有研究和應(yīng)用都表明, 改性黏土法是防控常見(jiàn)類型赤潮的一種高效、可行方法。

球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)是一種具有復(fù)雜異型生活史的赤潮生物, 其單細(xì)胞個(gè)體僅有數(shù)微米, 而在暴發(fā)形成赤潮時(shí)多以囊體形態(tài)為主(王小冬,2010; 李亞男等, 2012)。雖然早在20世紀(jì)90年代該藻引發(fā)的赤潮就已出現(xiàn)在我國(guó)近海(陳菊芳等, 1999),但近年來(lái)該類型赤潮在我國(guó)南部沿海連年大規(guī)模暴發(fā), 而且赤潮時(shí)形成的囊體可以大至數(shù)厘米, 為國(guó)內(nèi)外沿海赤潮中非常罕見(jiàn)的形態(tài)(齊雨藻等, 2002;Smithet al, 2014)。球形棕囊藻赤潮對(duì)暴發(fā)海區(qū)的養(yǎng)殖、景觀和生態(tài)健康等都帶來(lái)了嚴(yán)重危害(楊維東等,2009; Liuet al, 2010), 更嚴(yán)重的是棕囊藻巨大囊體還會(huì)通過(guò)堵塞冷源用水供應(yīng)而影響赤潮發(fā)生區(qū)沿岸核電站的安全運(yùn)行, 因此迫切需要有效的應(yīng)急防控方法。

已有的改性黏土法治理赤潮研究和應(yīng)用都是針對(duì)一些個(gè)體微小的赤潮生物(細(xì)胞大小在幾到幾百微米)開(kāi)展的, 對(duì)于赤潮時(shí)的大粒徑球形棕囊藻囊體的去除研究和實(shí)踐還未見(jiàn)到報(bào)道。本研究通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)圍隔實(shí)驗(yàn)及工程化消除赤潮時(shí)的跟蹤監(jiān)測(cè), (1) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了噴灑改性黏土材料消除球形棕囊藻囊體的效率, 分析了改性黏土法應(yīng)急消除該類型赤潮的可行性; (2) 跟蹤觀測(cè)了赤潮消除時(shí)的球形棕囊藻囊體去除率、水體與沉積物中主要環(huán)境因子的變化, 分析了改性黏土法消除該類型赤潮時(shí)可能的環(huán)境效應(yīng), 為綜合評(píng)估該方法提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)圍隔實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)圍隔實(shí)驗(yàn)于2015年3月在廣西防城港附近海域進(jìn)行, 如圖1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用懸浮的透明塑料薄膜袋在實(shí)驗(yàn)海區(qū)隔離出一定體積的實(shí)驗(yàn)用海水,該圍隔袋直徑為 1.0m, 高 3.0m, 充水體積約為2.5m3(圖 2)。為加快圍隔水體內(nèi)微藻的快速增殖, 在各實(shí)驗(yàn)水體中添加了不同的營(yíng)養(yǎng)液, 其中圍隔袋 A為培養(yǎng)對(duì)照組而不添加營(yíng)養(yǎng)液, 其余圍隔袋內(nèi)都添加了f/2藻類培養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)液, 并在C、D、E內(nèi)再分別添加了不同濃度的尿素。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后每天早晚定時(shí)對(duì)各圍隔水體內(nèi)的微藻形態(tài)及密度采樣觀測(cè), 并借助多水質(zhì)參數(shù)儀(Alec AAQ177, 日本)實(shí)時(shí)觀測(cè)水體中葉綠素(chlorophylla)濃度變化。當(dāng)圍隔水體中微藻生物量達(dá)到赤潮暴發(fā)水平后, 隨即開(kāi)始改性黏土法除藻實(shí)驗(yàn)。消除實(shí)驗(yàn)時(shí)在B、C圍隔袋中分別噴灑總用量相同的同一種改性黏土材料MC-I, 其中在 B中為一次性添加, 而在C中分三批次添加, 每次添加后都采用船用槳板將上層30cm的水體攪動(dòng)促使所添加材料在赤潮水體中混勻; D、E兩個(gè)圍隔袋內(nèi)分別添加了不同配方的改性黏土材料MC-II和MC-III, 均為一次性添加、攪勻。實(shí)施消除后 2.5h對(duì)各水體進(jìn)行第一次采樣和跟蹤監(jiān)測(cè), 隨后每天一次觀測(cè)。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)消除作業(yè)

圖2 圍隔實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Sketches of device for the mesocosm experiments

2015—2016年冬季, 欽州灣內(nèi)再次暴發(fā)了球形棕囊藻赤潮, 大量球形棕囊藻囊體漂浮在近岸水體中。由于該類赤潮對(duì)附近防城港核電站冷源取水有潛在威脅, 2016年2月1日相關(guān)部門緊急啟動(dòng)了改性黏土噴灑行動(dòng)。赤潮消除時(shí), 在核電站冷源取水壩區(qū)的納水口至中部區(qū)域噴灑改性黏土作業(yè) 1h, 噴灑改性黏土約1.5噸, 具體作業(yè)區(qū)如圖1陰影部分所示。

1.3 跟蹤監(jiān)測(cè)方法

現(xiàn)場(chǎng)跟蹤監(jiān)測(cè)采用固定點(diǎn)采樣法(采樣點(diǎn)位置如圖1所示)。其中 A點(diǎn)位于消除作業(yè)區(qū), 采集水樣和表層沉積物樣; B點(diǎn)位于作業(yè)區(qū)下游的未作業(yè)區(qū), 采集水樣作對(duì)照分析; C點(diǎn)位于壩區(qū)以外未消除作業(yè)海區(qū), 采集沉積物作對(duì)照分析。分別在消除作業(yè)前、消除作業(yè)30min和結(jié)束后2.5h采集各站點(diǎn)水樣, 采用卡蓋式透明 PMMA水樣采集器分表底兩層采集, 采樣后30min內(nèi)在岸基實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行樣品預(yù)處理或分析。觀測(cè)的主要水體指標(biāo)包括等不同形態(tài)的生源要素, 以及 pH、COD、球形棕囊藻囊體密度等。沉積物采樣利用小型箱式采泥器(Ekman-Birge, 德國(guó))采集表層泥樣, 分析指標(biāo)包括植物色素、總有機(jī)碳(TOC)、不同形態(tài)氮和磷、以及 Fe、Al、Cu、Zn、Pb、Ni、Hg、Cd、Cr等金屬離子。

1.4 樣品分析方法

水樣中球形棕囊藻囊體計(jì)數(shù): 取適量體積水樣(視囊體密度而定), 在重力作用下通過(guò) 10μm 篩絹過(guò)濾, 將截留有囊體的篩絹置于f/2培養(yǎng)液中浸泡洗脫,轉(zhuǎn)移囊體至培養(yǎng)液中, 用 4%酸性魯哥氏(Lugol’s)溶液固定, 在50mL沉降杯中沉降十五分鐘后利用倒置光學(xué)顯微鏡計(jì)數(shù)囊體, 并計(jì)算水樣中的囊體密度。

水樣pH值和COD分別采用pH計(jì)法和堿性高錳酸鉀法, 具體測(cè)定方法詳見(jiàn)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(國(guó)家海洋局, 2008)。不同形態(tài)氮、磷、硅的分析采用營(yíng)養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀法(San++Skalar-1000, 荷蘭)完成, 其中DON、DOP是由過(guò)GF/F玻璃纖維濾紙水樣中的TN、TP分別與DIN、-P濃度的差值得出, 樣品預(yù)處理和分析的具體方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)(盧光遠(yuǎn)等, 2014)。

沉積物中色素的提取與分析法參考文獻(xiàn)(Jianget al, 2017), 不同形態(tài)氮、磷的測(cè)定參考文獻(xiàn)(李學(xué)剛等,2007), TOC采用重鉻酸鉀氧化-還原容量法(國(guó)家海洋局, 2008), 金屬離子采用 0.1mol/L的鹽酸浸取后ICP-MS測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗(yàn)采用origin 8.5中的t檢驗(yàn)法(P=0.05)完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性黏土對(duì)圍隔水體內(nèi)高密度微藻的消除

在圍隔實(shí)驗(yàn)中, 圍隔袋內(nèi)水體溫度比外圍水體更穩(wěn)定, 且普遍比外圍水溫高約2—3°C。添加營(yíng)養(yǎng)液后各圍隔水體內(nèi)的微藻都出現(xiàn)快速生長(zhǎng)現(xiàn)象, 雖然沒(méi)有添加營(yíng)養(yǎng)液的對(duì)照圍隔內(nèi)的微藻也因溫度升高而增長(zhǎng), 但其明顯低于營(yíng)養(yǎng)加富實(shí)驗(yàn)組。當(dāng)培養(yǎng)進(jìn)入第4天后, 營(yíng)養(yǎng)加富圍隔水體的chla濃度可以達(dá)到30μg/L以上(圖 3), 水體顏色已有起始的淺藍(lán)色變?yōu)樽厣?。?duì)照陳菊芳等(1999)報(bào)道的我國(guó)南海棕囊藻赤潮暴發(fā)時(shí)水體 chla＞10μg/L的經(jīng)驗(yàn)值, 該培養(yǎng)水體已達(dá)到嚴(yán)重赤潮暴發(fā)狀態(tài)。同時(shí)的采樣鏡檢發(fā)現(xiàn), 雖然各圍隔袋內(nèi)的微藻生物仍然為多種混雜, 但在圍隔袋 C中已出現(xiàn)了少量粒徑在數(shù)十到數(shù)百微米的球形棕囊藻囊體(圖4)。第5天, 采用改性黏土法對(duì)B、C、D、E等圍隔袋內(nèi)微藻分別進(jìn)行了消除實(shí)驗(yàn)。采用不同方法添加不同改性黏土后圍隔水體中 chla變化如圖3所示。結(jié)果表明, 噴灑改性黏土后水體中chla值迅速降低, 在第二天監(jiān)測(cè)時(shí)水體中的葉綠素濃度已遠(yuǎn)低于對(duì)照圍隔 A, 去除率均＞90%, 說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)用的改性黏土都可以有效消除圍隔袋內(nèi)高密度的微藻。隨后的跟蹤監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn), 至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)各噴灑了改性黏土的圍隔水體內(nèi)都沒(méi)有出現(xiàn)微藻生物量反彈增高的現(xiàn)象(圖3)。對(duì)有囊體出現(xiàn)的C圍隔袋水樣做進(jìn)一步鏡檢也沒(méi)有再發(fā)現(xiàn)囊體?？傮w來(lái)看, 實(shí)驗(yàn)所用的MC-II型改性黏土表現(xiàn)出最好的去除效果(D圍隔),而MC-I型改性黏土雖然在采用一次性噴灑消除作業(yè)時(shí)的效果稍差(B圍隔), 但若采用總用量相同下的多次噴灑法, 該類型改性黏土也可以表現(xiàn)出很好的消除效果(C圍隔)。

圖3 圍隔水體內(nèi)chl a濃度在消除前后的變化Fig.3 Change in chl a concentrations in the different mesocosm waters

圖4 圍隔實(shí)驗(yàn)水體中出現(xiàn)的球形棕囊藻囊體(光學(xué)顯微鏡)Fig.4 Phaeocystis colonies in mesocosm (by optical microscope)

2.2 工程化赤潮消除時(shí)球形棕囊藻囊體的消除效果

對(duì)消除作業(yè)時(shí)不同區(qū)域水體內(nèi)囊體的跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。在消除作業(yè)區(qū)A點(diǎn), 噴灑改性黏土前水體中囊體粒徑多集中在 800—5000μm 范圍, 平均密度為 60ind./L; 噴灑作業(yè) 30min后, 對(duì)上層水體再次鏡檢時(shí)囊體密度降為 5ind./L, 說(shuō)明改性黏土材料可以快速絮凝消除水體中大部分的囊體; 消除作業(yè)結(jié)束后 2.5h時(shí)水體中的囊體數(shù)進(jìn)一步下降, 與消除作業(yè)前相比較約有96.7%的囊體被消除。位于下游取水口的觀測(cè)點(diǎn)B由于不在消除作業(yè)區(qū), 因此前兩次采樣時(shí)該點(diǎn)水體中的囊體密度普遍較高, 但在噴灑區(qū)作業(yè)結(jié)束后 2.5h的采樣鏡檢時(shí), 該處的囊體密度也已大幅度下降, 80%以上的囊體已經(jīng)消失, 其原因是上游經(jīng)過(guò)改性黏土凈化后的水體已流至此位點(diǎn)。

圖5 不同區(qū)域水體中球形棕囊藻囊體密度的變化Fig.5 Variation in Phaeocystis colony concentration in different sites

2.3 赤潮消除時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要素的變化

在消除作業(yè)區(qū) A點(diǎn), 分別在改性黏土噴灑作業(yè)前、噴灑作業(yè)30min及噴灑作業(yè)后 2.5h進(jìn)行了水體環(huán)境要素跟蹤監(jiān)測(cè), 其結(jié)果如圖6和圖7所示。該結(jié)果表明, 作業(yè)區(qū)表層水體中 DIN, DON, DOP,濃度在不同時(shí)段的平均濃度分別為(36.7±0.7), (12.5±0.3), (0.15±0.04), (40.8±5.4) 和(0.75±0.02)μmol/L, 底層各營(yíng)養(yǎng)要素濃度與表層基本一致(圖 6)。對(duì)比不同時(shí)段作業(yè)區(qū)水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度來(lái)看, 噴灑改性黏土前后水體中的主要形態(tài)氮、磷、硅并沒(méi)有出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)上有顯著差異的變化(t檢驗(yàn),P=0.05)。水體pH值基本維持在7.9—8.1(圖7), 符合國(guó)家海水水質(zhì)一類標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)家環(huán)境保護(hù)局, 2004)。雖然噴灑改性黏土可能會(huì)引起水體中COD濃度的波動(dòng),但其波動(dòng)范圍較小, 其濃度始終低于一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(2mg/L), 且可以在噴灑作業(yè)結(jié)束后快速恢復(fù)到作業(yè)前的濃度水平(圖 7)。因此, 噴灑改性黏土對(duì)消除作業(yè)區(qū)水體的pH、COD等因子也沒(méi)有顯著水平的影響(t檢驗(yàn),P=0.05)。

圖6 赤潮消除時(shí)水體中不同形態(tài)氮磷硅生源要素濃度的變化Fig.6 Variations in different biogeochemical elemental concentrations during red tide removal

先前有室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果都表明,改性黏土材料對(duì)水體中的一些營(yíng)養(yǎng)要素有較好的吸附去除效果, 對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)有一定的改善作用。如俞志明等(1995)研究發(fā)現(xiàn)黏土對(duì)水體中的磷酸鹽有較好的去除效果; 張哲海(2006)在玄武湖跟蹤了噴灑改性黏土消除藍(lán)藻水華前后的水質(zhì)變化, 發(fā)現(xiàn)噴灑改性黏土后湖水綜合污染指數(shù)、富營(yíng)養(yǎng)化程度均有不同程度的降低。本次赤潮消除區(qū)為非封閉區(qū), 作為核電站冷源取水通道不斷納入近岸潮汐余流水, 而且監(jiān)測(cè)階段多有工程船在該區(qū)域施工作業(yè), 影響水質(zhì)變化的不可控因素多變, 可能對(duì)改性黏土材料改善水質(zhì)的效果會(huì)有緩沖或掩蓋影響, 因此所監(jiān)測(cè)指標(biāo)在噴灑前及噴灑后之間沒(méi)有表現(xiàn)出顯著水平的變化。

雖然如此, 一些水體富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)在改性黏土施用過(guò)程的局部時(shí)間內(nèi)仍表現(xiàn)出濃度降低趨勢(shì), 可以為我們?cè)u(píng)估改性黏土法潛在生態(tài)效應(yīng)提供參考。例如, 噴灑改性黏土?xí)r會(huì)導(dǎo)致水體中活性硅酸鹽的降低, 特別是底層水體中的濃度在整個(gè)赤潮消除過(guò)程都表現(xiàn)為下降趨勢(shì)(圖 6)。另外, 在赤潮消除作業(yè)時(shí)水體中的 DON、DOP等也呈下降趨勢(shì), 說(shuō)明改性黏土可能會(huì)對(duì)水體中的溶解有機(jī)態(tài)氮、磷有一定的去除效果, 而水體中的有機(jī)態(tài)氮、磷可能對(duì)赤潮暴發(fā)有重要影響(Sandersonet al, 2008)。

圖7 消除作業(yè)前后水體中pH和COD的變化Fig.7 Variations of pH and COD after modified clays were applied

在對(duì)水質(zhì)變化監(jiān)測(cè)的同時(shí), 我們對(duì)該區(qū)域沉積物也進(jìn)行了采樣監(jiān)測(cè)。19′-丁酰氧基巖藻黃素(19′-butanoyloxy-fucoxanthin, But-Fuco)和 19′-己酰氧基巖藻黃素(19′-hexanoyloxy-fucoxanthin, Hexa-Fuco)是棕囊藻屬微藻可能含有的特征色素, 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)表層沉積物色素的監(jiān)測(cè)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Hexa-Fuco色素, 這與先前文獻(xiàn)(Jianget al, 2017)報(bào)道的我國(guó)南海球形棕囊藻只有 But-Fuco色素、不含有 Hexa-Fuco色素的發(fā)現(xiàn)是一致的。對(duì)改性黏土噴灑作業(yè)區(qū)和未噴灑對(duì)照區(qū)的表層沉積物樣中植物色素含量對(duì)比分析發(fā)現(xiàn), 雖然對(duì)照區(qū)也在赤潮影響范圍內(nèi), 但該區(qū)內(nèi)沉積物中的植物色素濃度普遍低于消除作業(yè)區(qū), 特別是對(duì)海區(qū)內(nèi)球形棕囊藻有指示作用的特征色素 But-Fuco僅為消除作業(yè)區(qū)的7.9%(圖8)。對(duì)照采樣點(diǎn)位于冷源取水壩的鄰近海, 與壩內(nèi)采樣點(diǎn)的主要不同是該位點(diǎn)沒(méi)有噴灑改性黏土, 因此兩個(gè)站點(diǎn)沉積物中特征色素濃度的顯著差異應(yīng)該是由赤潮消除工程實(shí)施導(dǎo)致的。這從另一個(gè)角度說(shuō)明了噴灑改性黏土對(duì)懸浮球形棕囊藻絮凝和快速沉降的高效性。其他色素雖然不是球形棕囊藻的特征色素, 但也是該藻富含的色素, 如chla、巖藻黃素(fucoxanthin)等, 這兩種色素在消除作業(yè)區(qū)分別比對(duì)照區(qū)高出了2.82倍和 2.83倍, 這些藻源色素在短時(shí)間內(nèi)快速沉積下來(lái)也很好的說(shuō)明了改性黏土在“俘獲”水體中球形棕囊藻的高效性。另外,通常認(rèn)為脫鎂葉綠素(pheophytina)色素是chla直接分解的次級(jí)產(chǎn)物, 而脫鎂葉綠酸鹽(pheophorbidea)是chla被攝食者咀嚼后降解的次級(jí)產(chǎn)物。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)消除作業(yè)區(qū)沉積物中的脫鎂葉綠素濃度遠(yuǎn)高于脫鎂葉綠酸鹽, 說(shuō)明被改性黏土沉降下來(lái)的球形棕囊藻多是以未被攝食態(tài)為主。脫鎂葉綠素濃度的快速增加也說(shuō)明有較大比例的被絮凝下沉藻細(xì)胞受到破壞而失去了生物活性, 這大大降低了藻細(xì)胞從絮凝體中逃逸后再生長(zhǎng)的可能性。由于赤潮藻細(xì)胞沉降到水體底層后的生物活性和再次增殖潛力將影響赤潮治理的效率, 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的脫鎂葉綠素濃度快速增加現(xiàn)象表明改性黏土除藻具有很好的“絕對(duì)有效性”。

圖8 不同采樣點(diǎn)沉積物表層色素濃度的變化Fig.8 Concentrations of several algal pigments in different sites

不同采樣點(diǎn)沉積物表層泥樣中主要生源要素碳、氮、磷濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。在微藻生長(zhǎng)過(guò)程具有重要作用的氮、磷通常都以多種形態(tài)存在。對(duì)樣品中氮、磷的分析表明, 對(duì)照區(qū)沉積物中的對(duì)TN的貢獻(xiàn)非常大, 約占總氮的 76%, 而消除作業(yè)區(qū)樣品中的濃度較低, TN也遠(yuǎn)低于對(duì)照區(qū)。分析其原因可能是對(duì)照區(qū)的沉積物較長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有受到擾動(dòng), 滋生大量腐殖質(zhì), 而作為冷源取水的壩區(qū)經(jīng)常被疏浚, 因此銨氮類化合物較少。由于對(duì)照區(qū)對(duì)TN影響太大, 當(dāng)前的結(jié)果還不能判斷改性黏土法消除赤潮時(shí)對(duì)底質(zhì)中氮的影響。

在兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)表層沉積物中的磷都以無(wú)機(jī)態(tài)磷為主, 這與大多數(shù)近海海灣沉積物中的磷特征相同,其中消除作業(yè)區(qū)的總磷濃度顯著高于對(duì)照區(qū), 并且不論是有機(jī)態(tài)磷還是無(wú)機(jī)態(tài)磷都要高于對(duì)照區(qū)。另外,消除作業(yè)區(qū)沉積物中的 TOC也明顯升高, 比對(duì)照區(qū)的增加了52%。本次現(xiàn)場(chǎng)跟蹤監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的消除作業(yè)區(qū)沉積物中 TOC、TP顯著增加, 說(shuō)明在采用改性黏土法消除赤潮生物時(shí), 該材料不僅可以吸附一些高價(jià)態(tài)的無(wú)機(jī)態(tài)陰離子(如-P), 而且可以快速與水體中的藻源有機(jī)質(zhì)絮凝聚結(jié), 隨后沉降到海底表層。該過(guò)程可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致沉積物表層中有機(jī)質(zhì)含量和磷的升高, 這是先前室內(nèi)研究沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的。但由于兩個(gè)采樣點(diǎn)碳、氮、磷等生源要素本底值并不完全相同, 現(xiàn)有數(shù)據(jù)仍無(wú)法對(duì)自然水體中單位改性黏土的生源要素吸附效率做定量評(píng)價(jià)。

圖9 不同采樣點(diǎn)沉積物中碳、氮、磷等生源要素濃度Fig.9 Variations in different biogeochemical elemental concentrations in different sediments

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)表層沉積物中可以酸浸提取金屬離子的監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。與對(duì)照區(qū)相比較, 消除作業(yè)區(qū)沉積物中的金屬離子濃度并沒(méi)有顯著變化(t檢驗(yàn),P=0.05), 這說(shuō)明采用改性黏土法控制赤潮不會(huì)給作業(yè)區(qū)帶來(lái)金屬離子污染。

表1 不同采樣點(diǎn)沉積物中金屬離子濃度變化Tab.1 Variation in metal ion concentrations in different sediments

3 結(jié)論

(1) 噴灑改性黏土是有效消除球形棕囊藻囊體的方法, 其中以少量多次噴灑法的除藻效果為最好。在廣西防城港附近的球形棕囊藻赤潮水體噴灑改性黏土后, 水體中過(guò)量的囊體型球形棕囊藻被快速消除。

(2) 赤潮消除作業(yè)區(qū)沉積物中的色素變化進(jìn)一步證實(shí)了大量球形棕囊藻被改性黏土絮凝沉降到水體底層, 隨后快速分解。

(3) 在工程化消除球形棕囊藻赤潮時(shí), 所噴灑改性黏土對(duì)于暴發(fā)赤潮水體的水質(zhì)沒(méi)有顯著影響, 水體中COD、pH和不同形態(tài)氮、磷、硅等營(yíng)養(yǎng)要素濃度都在原有水質(zhì)水平范圍內(nèi)波動(dòng)。

致謝 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所孫華杰參與了現(xiàn)場(chǎng)采樣過(guò)程, 廣西科學(xué)院姜發(fā)軍博士、陸家昌博士和許銘本博士對(duì)本研究的現(xiàn)場(chǎng)分析提供了支持, 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所李學(xué)剛研究員、中國(guó)水產(chǎn)研究院黃海水產(chǎn)研究所江濤博士在沉積物分析過(guò)程給予了大力支持, 在此致以誠(chéng)摯謝忱！

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FIELD EXPERIMENT AND EMERGENT APPLICATION OF MODIFIED CLAYS FOR PHAEOCYSTIS GLOBOSA BLOOMS MITIGATION

CAO Xi-Hua1,2, YU Zhi-Ming1,2, QIU Li-Xia1,3
(1.CAS Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences,Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao266071,China; 2.Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science,Qingdao National Laboratory for Marine
Science and Technology,Qingdao266071,China; 3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China)

Phaeocystis globosahas a polymorphic life cycle.It is a toxic phytoplankton species which can form colonies and bloom into eco-disasters in the worldwide seawaters.P.globosablooms frequently occurred along the south China coasts in recent years.These colonies are over several centimeters in diameter, and is much larger than those reported in other oceans.No previous reports are made about how to mitigate effectivelyP.globosablooms.In this study,we tested the efficiencies of the colony removal and the environmental effects of different modified clays (MCs) in the field mesocosm and a bloom mitigation.Results of our mesocosm experiments showed that it was efficient to removeP.globosablooms by spraying MCs, which presented algal biomass removal efficiencies of more than 90%, and the better efficiency was achieved by frequent spraying MCs at small dosages.Spraying MCs was also effective for removing colonies ofP.globosablooms in the Fangchenggang coast.Analysis of algal pigments in sediments showed that MCs could effectively settle and lyseP.globosacells after they were coagulated.Notably, the impact of MCs on COD, pH and concentrations of different forms of nitrogen, phosphorus and silicon in the bloomed water was minimum and the variations of these parameters were within the range of water quality.

Phaeocystis globosa; red tide; modified clays; mitigation; environmental effects; pigments

X55

10.11693/hyhz20170200026

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 41576119號(hào); 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目,U1606404號(hào)。曹西華, 研究員, E-mail: caoxh@qdio.ac.cn

① 通訊作者: 俞志明, 研究員, 博士生導(dǎo)師, E-mail: zyu@qdio.ac.cn

2017-02-01, 收修改稿日期: 2017-02-28