多層級(jí)生物操縱技術(shù)在人工濕地控制藍(lán)藻的應(yīng)用研究

李燕萍 夏晴晴 程花 趙玨

摘要 通過野外圍隔試驗(yàn)建立多層級(jí)高效生物食物鏈調(diào)控水質(zhì)和消除藍(lán)藻，尋找出合理的控藻生物比例。再將該技術(shù)應(yīng)用到貢湖灣人工濕地，探索多層級(jí)生物操縱技術(shù)+人工濕地技術(shù)控制藍(lán)藻的效率。結(jié)果表明，當(dāng)控藻生物鰱魚、銅銹環(huán)棱螺、褶紋冠蚌、河蜆的比例為4∶5∶20∶40時(shí)，30 d后葉綠素a消除率達(dá)到97.12%，水體營(yíng)養(yǎng)鹽TN、TP和NH3N濃度分別下降了73.63%、57.44%和74.44%，說明合理的多層級(jí)控藻生物比例對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽和藻類均有顯著的消除作用。該控藻生物比例應(yīng)用到貢湖灣人工濕地試驗(yàn)12 d后，藍(lán)藻消除效率達(dá)到99.8%，試驗(yàn)14 d后藍(lán)藻生物量比人工濕地原有藍(lán)藻量降低6.1%，說明利用“多層級(jí)生物操縱技術(shù)+人工濕地技術(shù)”結(jié)合的方法能有效控制藍(lán)藻，為解決貢湖湖濱帶內(nèi)藍(lán)藻提供了一種安全有效的手段。

關(guān)鍵詞 控藻生物;圍隔試驗(yàn);人工濕地技術(shù);藍(lán)藻

中圖分類號(hào) S181.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）15-0081-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.15.023

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract Through field enclosure experiments，a multilevel highefficiency biological food chain was established to regulate water quality and eliminate Cyanobacteria，and a reasonable proportion of algaecontrolling organisms was found.Then，this method was applied to the constructed wetland of Gonghu Bay to explore the efficiency of controlling Cyanobacteria by multilevel biological manipulation technology and constructed wetland technology.The results showed that when the proportion of Hypophthalmichthys molitrix，Bellamya aeruginosa，Cristaria plicata and Corbicula fluminea? was 4∶5∶20∶40，the chlorophyll a elimination rate reached 97.12% after 30 days，and the water nutrient salt TN，TP The concentration of NH3N decreased by 73.63%，57.44% and 74.44%，respectively，indicating that the proportion of rational multilevel algae control organisms could significantly eliminated nutrients and algae in water.After 12 days of application of this algaecontrolling organism to the constructed wetland of Gonghu Bay，the Cyanobacteria elimination efficiency reached 99.8%.After 14 days，the Cyanobacteria biomass decreased by 6.1% compared with the original quantity of the constructed wetland.It showed that the combination of multilevel biological manipulation technology and constructed wetland technology could effectively control Cyanobacteria and provide a safe and effective means for solving Cyanobacteria in the lakeside zone of Gonghu Lake.

Key words Algaecontrolling organisms;Enclosure experiments;Constructed wetland technology;Cyanobacteria

基金項(xiàng)目 江蘇省政策引導(dǎo)類計(jì)劃（國(guó)際科技合作）——重點(diǎn)國(guó)別及機(jī)構(gòu)產(chǎn)業(yè)技術(shù)合作項(xiàng)目（BZ2017004）。

作者簡(jiǎn)介 李燕萍（1980—），女，江蘇無錫人，碩士，工程師，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)與分析工作。*通信作者，碩士，工程師，從事水生態(tài)修復(fù)與治理研究。

收稿日期 2019-02-25

貢湖是太湖的重要組成部分，在太湖的東北部，處于夏季偏南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)區(qū)。近年來，受太湖富營(yíng)養(yǎng)化、藍(lán)藻水華[1]的影響，湖濱帶內(nèi)有大量藍(lán)藻堆積，難以清除，導(dǎo)致湖濱帶水質(zhì)惡化，水生生物死亡，生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞[2–3]。針對(duì)貢湖湖濱帶內(nèi)藍(lán)藻堆積嚴(yán)重的問題，目前多采取藍(lán)藻攔截[4]、人工打撈或者化學(xué)藥劑應(yīng)急除藻的方法。而這些物理和化學(xué)[5–6]手段不但不能從根本上達(dá)到治理水體富營(yíng)養(yǎng)化的目的，而且勞動(dòng)負(fù)荷高、會(huì)對(duì)水體造成二次污染。為此，采取安全有效、從根本上防治水體富營(yíng)養(yǎng)化的生物調(diào)控措施十分必要[7]。大量探索和實(shí)踐表明，生物操縱技術(shù)[8-9]、人工濕地技術(shù)[10-11]在控制藻類、改善水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境方面取得了較好效果。該研究基于生物操縱理論提出利用多層級(jí)高效生物食物鏈調(diào)控水質(zhì)和消除藍(lán)藻，篩選合理的控藻生物比例，并將該技術(shù)應(yīng)用到貢湖灣人工濕地區(qū)（位于貢湖東北岸），結(jié)合人工濕地的特征，形成“生物操縱技術(shù)+人工濕地技術(shù)”有機(jī)結(jié)合的方法來控制藍(lán)藻，為有效改善太湖水質(zhì)、增加水體透明度以及早日實(shí)現(xiàn)湖濱帶的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)提供有利手段。

1 材料與方法

1.1 多層級(jí)生物操縱野外試驗(yàn)材料與方法

（1）野外試驗(yàn)材料。

①控藻生物。鰱魚、銅銹環(huán)棱螺、河蜆、褶紋冠蚌，建立多層級(jí)的高效控藻食物鏈。

②野外試驗(yàn)圍隔。圍隔設(shè)在貢湖灣小溪港小模型內(nèi)，將小模型內(nèi)原有水體抽出，從外太湖抽入帶有藻類水體;在小模型內(nèi)用不透水的聚乙烯材料、木樁制成1個(gè)對(duì)照組圍隔和9個(gè)試驗(yàn)組圍隔，共10個(gè)圍隔，圍隔大小2.0 m×1.5 m，水深1.5 m。

（2）試驗(yàn)方法。野外試驗(yàn)時(shí)期為8月，水溫為25～30 ℃，水位基本穩(wěn)定。該研究設(shè)計(jì)圍隔內(nèi)藻類平均密度為8 900萬個(gè)/L，利用4種控藻生物（因素A～D）、3個(gè)不同密度水平（水平1～3）進(jìn)行正交試驗(yàn)。根據(jù)正交試驗(yàn)組合，分別向1～9#圍隔內(nèi)投放不同密度的4種控藻生物，其中采用網(wǎng)袋和浮球掛養(yǎng)河蚌;0#圍隔為對(duì)照組不投放控藻生物。4種控藻生物不同水平密度設(shè)計(jì)見表1。0～9#圍隔正交試驗(yàn)組合分別為：對(duì)照組、A1B1C1D1、A1B2C2D2、A1B3C3D3、A2B1C2D3、A2B2C3D1、A2B3C1D2、A3B1C3D2、A3B2C1D3、A3B3C2D1。

1.2 控藻生物在人工濕地控制藍(lán)藻試驗(yàn)材料與方法。

（1）試驗(yàn)材料。①控藻生物。鰱魚、銅銹環(huán)棱螺、褶紋冠蚌、河蜆。②人工濕地試驗(yàn)區(qū)。選擇在貢湖灣人工濕地與外太湖連接處7#橋北側(cè);試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布設(shè)圍隔，面積為600 m2。

（2）方法。試驗(yàn)時(shí)期為6月，水溫19～27 ℃，水位基本保持不變。打開7#橋閘門，從外太湖灌入藍(lán)藻到圍隔內(nèi)，藍(lán)藻平均密度12 800萬個(gè)/L，按照魚：螺∶蚌∶蜆=4∶5∶20∶40比例投放控藻生物。試驗(yàn)周期為2周，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、每2 d監(jiān)測(cè)一次藍(lán)藻密度，通過測(cè)定試驗(yàn)前后人工濕地試驗(yàn)區(qū)內(nèi)藍(lán)藻密度變化，研究多層級(jí)生物操縱技術(shù)在人工濕地技術(shù)協(xié)同作用下消除藍(lán)藻的效率。

1.3 水樣采集與分析

（1）水質(zhì)參數(shù)。該次試驗(yàn)水質(zhì)參數(shù)中氨氮、總磷、總氮、溫度等的測(cè)定采用《水和廢水分析監(jiān)測(cè)方法（第四版）》中所規(guī)定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法。

（2）葉綠素a濃度。采用三波長(zhǎng)測(cè)定法測(cè)定[12]。即在一定壓力下，用醋酸纖維酯微孔濾膜（孔徑為0.45 m）對(duì)一定體積的藻液進(jìn)行過濾，然后將濾膜放入10 mL離心管中，加入90%的丙酮10 mL，用渦旋混合儀使其充分振蕩，放置冰箱內(nèi)提取24 h，然后置于冰凍離心機(jī)上4 500 r/min離心10 min，移取上清液于1 cm比色皿中，用分光光度計(jì)測(cè)定750、663、645和630 nm處的吸光度，以90%丙酮溶液作為參比，按公式得出葉綠素a含量。

（3）藻密度。計(jì)數(shù)方法采用顯微鏡法[13]，計(jì)數(shù)不同類型細(xì)胞群體數(shù)量和群體大小。浮游植物數(shù)量計(jì)算公式為N=A×Vs×n/Ac×Va。其中，N為每升原水樣中的浮游植物數(shù)量（個(gè)/L）;A為計(jì)數(shù)框面積（mm2），一個(gè)視野的實(shí)際面積為0.196 349 mm2;Vs為1升原水樣沉淀濃縮后的體積（mL）;n為計(jì)數(shù)所得浮游植物的數(shù)目;Ac為計(jì)數(shù)面積（mm2）;Va為計(jì)數(shù)框的體積（mL）;標(biāo)準(zhǔn)情況下Va為0.1 mL，Vs通常為100 mL，A為400 mm2。

（4）葉綠素a消除率。計(jì)算公式為：葉綠素a消除率=（C0-Ct）/C0×100%，式中，C0代表試驗(yàn)時(shí)間為t時(shí)對(duì)照組中葉綠素a的濃度（μg/L）、Ct代表試驗(yàn)時(shí)間為t時(shí)試驗(yàn)組中葉綠素a的濃度（μg/L）。

（5）藻類消除率。計(jì)算公式為：藻類消除率=（D0-Dt）/D0×100%。式中，D0為藻類初始密度（萬個(gè)/L）、Dt代表試驗(yàn)時(shí)間為t時(shí)試驗(yàn)組中藻類密度（萬個(gè)/L）。

2 結(jié)果與分析

2.1 多層級(jí)生物操縱技術(shù)對(duì)圍隔水體內(nèi)藍(lán)藻的消除作用 由圖1和表2分析可知，試驗(yàn)期間對(duì)照組葉綠素a濃度變化范圍為250～330 μg/L，試驗(yàn)組葉綠素a濃度較對(duì)照組都有明顯的消減，尤其是4#試驗(yàn)組葉綠素a濃度降低變化顯著， 30 d后葉綠素a含量消除率達(dá)到97.12%?；祓B(yǎng)貝類（螺、蚌、河蜆）和魚類形成多層級(jí)的濾食藻類生物群落，協(xié)同作用有效抑制水體藻類濃度，合理的控藻生物比例（魚∶螺∶蚌∶蜆=4∶5∶20∶40）對(duì)藻類的去除效率最顯著，在該試驗(yàn)條件下基本能消除圍隔內(nèi)的藻類。而貝類和魚類密度過高或比例不合理時(shí)，加劇種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致藻類的攝食受到影響，降低對(duì)藻類的去除效率。

2.2 多層級(jí)生物操縱技術(shù)對(duì)圍隔水體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽的影響 不同試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)水體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化見圖2～7。由圖2～7分析可知，空白對(duì)照組以及不同試驗(yàn)組中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度均有不同程度下降，且試驗(yàn)組4#對(duì)水體中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽消除作用顯著，試驗(yàn)30 d后水體營(yíng)養(yǎng)鹽TN、TP和NH3N濃度分別下降了73.63%、57.44%和74.44%，這是因?yàn)樗械?、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽被浮游藻類吸收利用，貝類和魚類通過攝食作用將藻體中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽向水底層轉(zhuǎn)移，從而有效降低水體中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，達(dá)到了調(diào)控水質(zhì)的目的。而其他試驗(yàn)組對(duì)水體中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽消除速率逐漸降低，這可能與不合理比例控藻生物種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)增大，對(duì)藻類的攝食作用下降有關(guān)，也可能與高密度底棲貝類的排泄物增多以及生物擾動(dòng)作用增強(qiáng)有關(guān)。Li等[14]研究證實(shí)了高密度底層的貝類排泄物增加了水體氮磷營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷;陳聚法等[15]研究證實(shí)了貝類的生物擾動(dòng)作用對(duì)底質(zhì)營(yíng)養(yǎng)鹽有明顯的促釋放作用。

47卷15期李燕萍等 多層級(jí)生物操縱技術(shù)在人工濕地控制藍(lán)藻的應(yīng)用研究

2.3 多層級(jí)生物操縱技術(shù)在人工濕地控制藍(lán)藻中的應(yīng)用 由表3分析可知，投放控藻生物后，人工濕地試驗(yàn)區(qū)內(nèi)藍(lán)藻密度發(fā)生了顯著變化，藍(lán)藻密度均逐漸降低。試驗(yàn)12 d后藍(lán)藻密度基本恢復(fù)到未灌入藍(lán)藻前（試驗(yàn)前），藍(lán)藻消除效率達(dá)到99.8%;試驗(yàn)14 d后藍(lán)藻密度降低至18.6萬個(gè)/L，比原人工濕地內(nèi)藍(lán)藻平均密度（19.8萬個(gè)/L）下降了6.1%，藍(lán)藻得到全部消除并同時(shí)消除了人工濕地區(qū)內(nèi)原有的少量藍(lán)藻。由此可見，多層級(jí)高效生物操縱技術(shù)在人工濕地內(nèi)能有效控制和消除藍(lán)藻，比單一控藻生物的消除效率高[16-17];并且比小圍隔內(nèi)藍(lán)藻消除速率高，這是因?yàn)槿斯竦貎?nèi)粗礫石等基質(zhì)對(duì)磷具有吸附和過濾作用、大量沉水植物能夠吸收水體內(nèi)的氮、磷[18-20]，進(jìn)而加快對(duì)藍(lán)藻的消除作用。該多層級(jí)生物操縱技術(shù)增強(qiáng)了濕地的生態(tài)功能，與貢湖灣人工濕地技術(shù)協(xié)同作用可實(shí)現(xiàn)對(duì)太湖藍(lán)藻水華的控制和消除。

4 結(jié)論

（1）野外小圍隔試驗(yàn)控藻生物鰱魚、銅銹環(huán)棱螺、褶紋冠蚌、河蜆的比例為4∶5∶20∶40時(shí)，30 d后葉綠素a消除率達(dá)到97.12%，水體營(yíng)養(yǎng)鹽TN、TP和NH3N濃度分別下降了73.63%、57.44%和74.44%，說明合理比例的多層級(jí)控藻生物能夠有效調(diào)控水質(zhì)和消除藍(lán)藻。

（2）合理比例的控藻生物應(yīng)用到貢湖灣人工濕地試驗(yàn)12 d后，藍(lán)藻消除效率達(dá)到99.8%，試驗(yàn)14 d后藍(lán)藻生物量比人工濕地原有藍(lán)藻量降低6.1%，多層級(jí)生物操縱技術(shù)在人工濕地技術(shù)協(xié)同作用下能有效控制和消除藍(lán)藻。

（3）多層級(jí)生物操縱技術(shù)增強(qiáng)了人工濕地的生態(tài)功能，結(jié)合人工濕地的特征，形成“生物操縱技術(shù)+人工濕地技術(shù)”有機(jī)結(jié)合的方法來控制藍(lán)藻，為解決貢湖湖濱帶內(nèi)藍(lán)藻提供了一種安全有效的手段。

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