藍(lán)藻的現(xiàn)狀及目前的主要治理方法

1、藍(lán)藻的現(xiàn)狀及目前的主要治理方法摘要：最近幾十年藍(lán)藻水華在我國(guó)各大富營(yíng)養(yǎng)化湖泊頻繁爆發(fā)， 形成藻災(zāi)。 鑒于 傳統(tǒng)的打撈等治理手段的局限性， 新興的生物技術(shù)治理方法以其優(yōu)越性而備受世 人矚目，渴望成為攻克藍(lán)藻污染的最正確選擇。 文中從水華的爆發(fā)及危害、 目前 國(guó)內(nèi)外主要的防治措施和研究方向以及藍(lán)藻的生物工程等幾個(gè)方面進(jìn)行了論述， 以希望能夠?qū)で蠛侠淼闹卫矸桨浮ｊP(guān)鍵詞 ：富營(yíng)養(yǎng)化 藍(lán)藻 治理 生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)治理的 “三湖 由于水體富營(yíng)養(yǎng)化造成的藻害日益嚴(yán)重， 其他湖泊 如東湖、西湖、洞庭湖、洪湖、鄱陽湖、洪澤湖等也不容樂觀，甚至連藏在群山 之中、很少點(diǎn)面污染源的千島湖， 也由于游人猛增而水體富營(yíng)養(yǎng)

2、化， 已出現(xiàn)藍(lán)藻 大規(guī)模增生的趨勢(shì)。從 1998 年開始，這種藍(lán)藻泛濫成災(zāi)的危機(jī)頻頻出現(xiàn)，并呈 迅速蔓延之勢(shì)。 從 50年代以來， 由于人口急劇增長(zhǎng)， 工業(yè)化和城市化進(jìn)程加快， 大大增加了氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向水體的排放量，加劇了湖泊等水體富營(yíng)養(yǎng)化程度， 使水體生態(tài)環(huán)境向惡化方向演變， 最終影響經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)開展。 所以，富營(yíng) 養(yǎng)化問題日益受到世界各國(guó)政府和社會(huì)各界的關(guān)注和重視。中國(guó)是一個(gè)湖泊眾多的國(guó)家，大于 1 平方公里的天然湖泊有 2300余個(gè)，湖 泊面積為 70988 平方公里，約占全國(guó)陸地面積的 0.8%，湖泊總儲(chǔ)水量為 7077多 億立方米。 近年來，我國(guó)東部南部隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速開展，

3、環(huán)境污染控制相對(duì)滯 后，不少水體負(fù)荷了超量氮、 磷和其他有機(jī)污染等營(yíng)養(yǎng)物， 致使湖泊環(huán)境不斷惡 化。湖泊富營(yíng)養(yǎng)化在中國(guó)已是一個(gè)突出的環(huán)境問題， 所以預(yù)防治理藍(lán)藻水華已成 當(dāng)務(wù)之急。1 湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和水華的形成和危害藻類和一些光合細(xì)菌能利用氮、 磷等無機(jī)鹽類通過光合作用合成有機(jī)質(zhì)， 稱 為光養(yǎng)型生物。富營(yíng)養(yǎng)化緩流水體中的光養(yǎng)型生物，如藍(lán)藻、綠藻等，通過光合 作用以光能和無機(jī)物合成自身生長(zhǎng)繁殖的有機(jī)物，并在短時(shí)間內(nèi)集中大量繁殖， 形成藻災(zāi)，即水華。通常春夏秋湖泊中的主要藻類是藍(lán)藻、 綠藻。但在重富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊中， 自 春至夏藍(lán)藻常成為唯一的優(yōu)勢(shì)水華種群，其中以微囊藻水華最為嚴(yán)重。藍(lán)藻 cyanob

4、acteria 是全球分布最廣的水生、陸生古老光合生物。在富營(yíng)養(yǎng)化的 水體中，當(dāng)水面無風(fēng)或微風(fēng)、水溫1530C、pH79 N:P 15:1時(shí)，藍(lán)藻水華最 易爆發(fā)。水華是水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)下生態(tài)平衡破壞的集中表達(dá)， 在我國(guó)以藍(lán)藻水華最 為常見。藍(lán)藻 cyanophyta 也稱藍(lán)綠藻 blue-green algae 、藍(lán)細(xì)菌 cyanobacteria ，含有光合色素如葉綠素 a 和捕光色素藻膽蛋白， 能進(jìn)行放氧 光合作用。藍(lán)藻形態(tài)差異較大，有球狀、桿狀單細(xì)胞絲狀聚合物細(xì)胞鏈 兩種形體。絕大多數(shù)藍(lán)藻個(gè)體直徑和寬度為 310卩m當(dāng)許多個(gè)個(gè)體聚集在一起， 形成肉眼可見的群體。 假設(shè)生長(zhǎng)茂盛， 可使水體

5、顏色隨菌體顏色變化而變化， 如 滇池銅綠微囊藻 Microcystis aeruginosa 在夏秋兩季大量繁殖，形成水華， 使水體變色。藍(lán)藻瘋長(zhǎng)是現(xiàn)代生產(chǎn)與生活導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的一不平衡狀態(tài)，是在出現(xiàn)了水體 嚴(yán)重營(yíng)養(yǎng)化情況下又未能及時(shí)積極治理造成的。 其根本原因是農(nóng)業(yè)、 工業(yè)、漁業(yè)、 生活污水大量流入， 使水體中氮、 磷及有機(jī)物含量過高， 促使各種浮游水生生物 和藻類迅速生長(zhǎng)繁殖。其結(jié)果是破壞了水資源環(huán)境，限制了人類對(duì)飲用、工業(yè)、 農(nóng)業(yè)和景觀、 娛樂等用水需要。 湖泊中藻類短時(shí)間集中爆發(fā)， 屬單種生物畸形發(fā) 展，引起生態(tài)平衡破壞，形成藻災(zāi)。湖泊藻類死亡后不斷向湖底沉積， 不斷地腐爛分解， 也會(huì)消

6、耗深層水體大量 溶解氧，嚴(yán)重時(shí)可能使深層水體溶解氧消耗殆盡而呈厭氧狀態(tài)， 使得需氧生物難 以生存，甚至導(dǎo)致水中魚類大批窒息死亡、水產(chǎn)資源遭到破壞。這種厭氧狀態(tài)， 可以觸發(fā)或者加速底泥積累的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放， 造成水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的更高負(fù)荷， 形 成富營(yíng)養(yǎng)化水體的惡性循環(huán)，這種水體腐化變質(zhì)最終導(dǎo)致湖泊老化和衰亡。 藍(lán)藻水化爆發(fā)時(shí)， 水生生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)平衡受到擾亂， 生物多樣性遭到破壞， 加 速了湖泊功能退化。 因此必須采取切實(shí)有效措施進(jìn)行預(yù)防和綜合治理， 遏止藍(lán)藻 爆發(fā)，減緩湖泊富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程，以使水質(zhì)趨向好轉(zhuǎn)。2 國(guó)內(nèi)外水化的主要防治措施和研究新趨勢(shì)在過去 30 年中，世界各國(guó)對(duì)防治水化提出了不少措施，

7、其中典型例子是美 國(guó)的華盛頓湖，污染了 30年，治理歷時(shí) 26年，耗資數(shù)十億。縱觀過去 30年中 世界各國(guó)對(duì)水化防治措施， 諸如廢水脫氮去鱗、 工業(yè)產(chǎn)品改良 禁止含洗滌劑的 使用、排水改道、疏浚底泥、湖水凝聚沉淀處理、稀釋和溢流、底泥暴曬與干 燥、深層排水、曝氣循環(huán)、加大水深、湖底覆蓋、土壤改良、化學(xué)殺藻、生物去 除、生態(tài)系統(tǒng)控制以及生物利用等方法。 其根本指導(dǎo)思想是： 盡量控制外源性點(diǎn) 源、面源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入；削減內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的負(fù)荷；水化爆發(fā)前后應(yīng)急除藻 抑藻。雖然某些方法在特定的條件下發(fā)揮了一定的作用， 但是總的說來大多數(shù)措 施往往曠日持久、耗資巨大、收效甚微，難以徹底解決湖泊水華問題，因

8、此有必 要探究快速、高效、經(jīng)濟(jì)的新型治理方法?；诂F(xiàn)代生態(tài)環(huán)保理念，生物方法以 逐漸得到認(rèn)可，并成為主流的處理方法。上個(gè)世紀(jì) 70 年代有許多學(xué)者提出生物 操縱法 biomanipulation ，強(qiáng)調(diào)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)管理，從營(yíng)養(yǎng)環(huán)節(jié)來控制水華， 使水體中的營(yíng)養(yǎng)物通過光合作用和食物鏈變成人類所需的最終產(chǎn)品魚、蓮藕 等。最近幾年， 澳大利亞和美國(guó)許多州利用標(biāo)本兼治綜合治理方式， 開始實(shí)施流域保 護(hù) watershed protection approach ，這是一種有效保護(hù)和重建水體生態(tài)系統(tǒng) 以及保護(hù)人類健康策略。 這種方法可以解決許多單個(gè)水體或污染源控制層面上不 能完全解決的問題， 把重點(diǎn)放在水

9、體生態(tài)目標(biāo)和質(zhì)量目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)上， 而不是把重 點(diǎn)放在污染源的控制上。 治理決策不但考慮到造成污染的傳統(tǒng)的化學(xué)因子， 還考 慮到諸如景觀、環(huán)境、水文、地質(zhì)、水溫等其他因素。對(duì)于藍(lán)藻方法十分嚴(yán)重的水域，為了到達(dá)標(biāo)本兼治、綜合治理的長(zhǎng)期目標(biāo)， 針對(duì)湖體本身，主要采取兩大工程：生物除藻工程和生物生態(tài)復(fù)原工程。第一步，實(shí)施生物除藻工程。 使用對(duì)人類無害的高效除藻劑， 阻抑藻類生長(zhǎng)， 改變?cè)孱惿L(zhǎng)的水環(huán)境，遏制藻類瘋長(zhǎng)。利用除藻劑應(yīng)急殺藻、 抑藻， 這時(shí)除藻劑主要采取噴灑法。 藻類在抑制環(huán)境 中會(huì)逐漸發(fā)生回避效應(yīng)， 從而使水環(huán)境出現(xiàn)一種持續(xù)的抑藻狀態(tài)。 可供選擇的除 藻劑有硫酸銅、2,2 二溴一3 氮川丙酰

10、胺簡(jiǎn)稱DBNPA、有效微生物 effective microorganisms 菌制劑、“酶制劑藍(lán)藻酶制劑以及嗜藻體藻 類病毒等。傳統(tǒng)的除藻劑如硫酸銅不是效果不夠理想，就是會(huì)產(chǎn)生二次污 染。因此人們開始開發(fā)清潔高效的新型除藻劑， 其中藍(lán)藻酶制劑是當(dāng)前最為引人 注目的新型除藻劑。在生物除藻劑中，“藍(lán)藻酶制劑 是其中的佼佼者。 “巴斯德研究所環(huán)境保 護(hù)組織中法、意、瑞士等國(guó)家的生物學(xué)教授們，綜合各自多年的研究成果，聯(lián)合 研制成功了具有世界前沿科技水平的生物制劑 “藍(lán)藻酶制劑 ，在水華生物技術(shù)治 理領(lǐng)域產(chǎn)生了重大突破。 “藍(lán)藻酶制劑 生物產(chǎn)品有數(shù)十個(gè)配方，是經(jīng)人工精選的 良性菌種，加上利用 30 多

11、種酶來催化，便組成了一個(gè)生物菌的復(fù)合制劑。因此 其優(yōu)勢(shì)是多方面的，如：無毒無害無臭、無腐蝕性、無二次污染的危險(xiǎn)；對(duì)有機(jī) 物的降解更加快速； 它的全譜微生物可以在有氧和無氧狀態(tài)下發(fā)揮作用， 甚至在 有各種污染源的條件下也可以降解有機(jī)物；使用中沒有任何特別要求或忌用范 圍，操作方便、簡(jiǎn)易。更為突出的是，它可以應(yīng)用于在傳統(tǒng)化學(xué)和生物方法難以 發(fā)揮效果的場(chǎng)合， 如城市中的景觀河流、 臭水溝和富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊等。 正是有了 上述種種優(yōu)勢(shì)，調(diào)水人生態(tài)環(huán)境工程將“酶制劑引進(jìn)中國(guó)，并以成功的將“ 藍(lán) 藻酶制劑 產(chǎn)品應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水體治理，取得了令人欣喜的效果。第二步，實(shí)施“生物生態(tài)復(fù)原 工程，這是一項(xiàng)十分復(fù)雜的

12、綜合系統(tǒng)工程。 湖泊是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)生態(tài)系統(tǒng)， 其特征是由一系列復(fù)雜的物理化學(xué)和生物 因子所決定的， 其中包括水文、 氣候、流域、地質(zhì)、土壤、土地利用、 水利勘測(cè)、 污染物負(fù)荷、湖泊習(xí)性和生物區(qū)系。在已發(fā)生嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化的水體中， 參考和統(tǒng)計(jì)水表達(dá)有的各種參數(shù)， 在一定 條件下進(jìn)行相關(guān)標(biāo)本的模擬，郵寄地利用這些因素特別是有效地管理和控制日 光、營(yíng)養(yǎng)物污染物和微生物之間微妙的相互制約、相互促進(jìn)、相互重疊的關(guān) 系，能夠逐步建立起一個(gè)新的水體食物鏈， 構(gòu)筑起全新的包括微生物、 有益藻類、 浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物以及水生植物的生態(tài)型生物鏈。 長(zhǎng)此以往， 湖泊水生生態(tài)系 統(tǒng)將恢復(fù)生機(jī)。針對(duì)上述各個(gè)不同的治理環(huán)

13、節(jié)， 結(jié)合現(xiàn)代生物技術(shù)的最新成果， 為揭示藍(lán)藻 水華的形成機(jī)理并最終加以根治，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外正開始從下幾方面進(jìn)行研究。如： 對(duì)水華藻類物種特別是藍(lán)藻進(jìn)行全面的調(diào)查和鑒定，對(duì)其生物學(xué)性質(zhì)包括營(yíng)養(yǎng)、 新陳代謝和生長(zhǎng)繁殖機(jī)理進(jìn)行深入研究；別離藻類病毒和病毒祥粒子 (VLP) ，建 立藻類污染模式及其特異病毒的感染體系， 研究病毒與宿主相互作用的分子生物 學(xué)機(jī)制，為利用病毒控制藍(lán)藻提供理論根底；加強(qiáng)裂藻細(xì)菌、真菌的別離、鑒定 及分子生物學(xué)研究， 通過此類細(xì)菌、 真菌常規(guī)轉(zhuǎn)化方法和體系， 向其中導(dǎo)人幾丁 質(zhì)酶基因等去壁酶類編碼基因 ( 也可導(dǎo)入病毒 ) ，構(gòu)建工程菌株，改良其裂藻機(jī)制， 使之具有控制藻類污染

14、的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；利用藻類病毒和裂藻細(xì)菌、真菌作為 基因庫，從中別離具有重要價(jià)值的調(diào)控元件及編碼序列， 豐富藻類基因工程研究 的內(nèi)容。近十年來，藍(lán)藻分子遺傳學(xué)進(jìn)展很大，在基因載體構(gòu)建、基因測(cè)序、基因克 隆、基因表達(dá)、 功能分析等方面都取得了顯著進(jìn)展， 利用基因工程可以培植一批 經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、 凈化能力強(qiáng)的藻類生物用于污水生物技術(shù)處理， 也可以培植水華藻 類的競(jìng)爭(zhēng)生物， 抑制特征性水華藻類的生長(zhǎng)， 或者直接利用生物生產(chǎn)除藻劑， 在 不久的將來，基因工程在防治水體富營(yíng)養(yǎng)化方面會(huì)發(fā)揮巨大的作用。通過上述研究， 有可能提出一套既有理論根底， 又有應(yīng)用價(jià)值的生物治理方 案。但急治與緩復(fù)實(shí)際操作起來卻有一定難

15、度， 它這與藍(lán)藻水華形成機(jī)理尚未研 究清楚有很大的關(guān)系，所以關(guān)于藍(lán)藻生長(zhǎng)繁殖與水華形成機(jī)理的研究十分必要。3 藍(lán)藻生物工程藍(lán)藻是一種能進(jìn)行放氧光合作用的最簡(jiǎn)單微生物，是一種珍貴的自然資源， 藍(lán)藻生物技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)領(lǐng)域中的重要熱點(diǎn)， 藍(lán)藻對(duì)人類具有眾多益處， 概 括來講將在藍(lán)藻資源的開發(fā)、藍(lán)藻基因工程、環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮重要作用。藍(lán)藻是豐富的蛋白質(zhì)資源，其蛋白質(zhì)含量高達(dá)38%47%,是地球上所有已 知生物中最高的。其中藻膽蛋白phycobiliprotein，簡(jiǎn)稱PBP含量可達(dá)細(xì)胞干重的10%20%。藻膽蛋白主要包括藻藍(lán)蛋白phycocyanin，簡(jiǎn)稱PC、別 藻藍(lán)蛋白lophyco cya

16、nin，簡(jiǎn)稱APC和藻紅蛋白phycoerythrin ，簡(jiǎn)稱PE 三類。藻膽蛋白具有重要的食品功能成分， 并且含有高等動(dòng)物所必需的某些氨基 酸，所以在功能食品和保健食品方面具有廣泛的應(yīng)用前景。國(guó)外市售 _的藻膽蛋白一般是從螺旋藻中提取的， 這些藻膽蛋白已被高度純化， 具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值 和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。 與螺旋藻同屬藍(lán)藻門的水華藍(lán)藻如微囊藻也含有藻膽蛋白， 這對(duì)我 國(guó)利用水華藍(lán)藻生產(chǎn)高附加值生物制品具有重要意義。日本等國(guó)正研究利用藍(lán) 藻，加工成飼料，并提取制備維生素及營(yíng)養(yǎng)添加劑。在我國(guó)，淡水湖泊爆發(fā)水華 的藻類以藍(lán)藻為主，每年假設(shè)從湖中獲取 5 000 t 藻類干重 ，即相當(dāng)于從湖泊 中除去52

17、5 t氮和62 t磷。可見，合理開發(fā)利用水華藍(lán)藻，不僅有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值， 還能減少水體中氮、 磷和有機(jī)物的含量， 減緩湖泊富營(yíng)養(yǎng)化速度。 目前國(guó)內(nèi)外已 經(jīng)開始用水華藍(lán)藻制作肥料、飼料，制取沼氣和氫氣，提取有用物質(zhì)。藍(lán)藻將在基因工程領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。 人類對(duì)藍(lán)藻的研究已經(jīng)有上百年的 歷史，但應(yīng)用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)來研究藍(lán)藻也只是近 20年的事情。藍(lán)藻是世界 上分布最廣的生物， 無論是在酷寒的兩極， 還是在炎熱的赤道和干旱的沙漠， 都 能見到藍(lán)藻的蹤跡， 它具有非常強(qiáng)的抗逆能力。 因此，科學(xué)家開始著手研究如何 把藍(lán)藻中能夠抵抗惡劣環(huán)境的基因鑒定并提取出來， 利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將它轉(zhuǎn)移到 農(nóng)作物中去，

18、這樣就使農(nóng)作物擁有好的抵抗惡劣環(huán)境能力。 中國(guó)在藍(lán)藻基因工程 領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得一定成果，比方研究成功的金屬硫蛋白轉(zhuǎn)基因藍(lán)藻。藍(lán)藻將在環(huán)保領(lǐng)域起到獨(dú)特的作用。 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)很多藍(lán)藻具有能夠結(jié)合并清 除水中有害金屬、有害化學(xué)物質(zhì)的能力， 甚至有的藍(lán)藻具有一定的海水淡化能力， 所以科學(xué)家現(xiàn)在正在研究如何利用藍(lán)藻的這些特點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、 環(huán)境污染 水處理。藻藍(lán)蛋白、別藻藍(lán)蛋白和藻紅蛋白，在免疫分析(im mu no assay)、熒光顯微鏡 (fluorescence microscopy) 和流式熒光細(xì)胞儀 (fIow cytofluorimetry) 等分析中是很好的生化探針 (biochemical tra