第一節(jié)　生物方法治理水華

一、與湖泊生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)的理論

1975年Shapiro等最先提出了生物操縱概念（Biomanipulation），即通過對水生生物群及其棲息地的一系列調(diào)節(jié)，以增強其中的某些相互作用，促使浮游植物生物量下降。1985年，生態(tài)系統(tǒng)是由營養(yǎng)物質(zhì)和高級捕食者共同調(diào)節(jié)的觀點產(chǎn)生了，這就是Carpenter等提出的營養(yǎng)級聯(lián)反應(yīng)（Cascading trophic interactions），它是對生物操縱理論的有益補充，引入了營養(yǎng)物質(zhì)的作用。其主要觀點是某一營養(yǎng)級的生產(chǎn)力由其捕食者的生物量限定，食物網(wǎng)頂端生物種群的變化，通過體型大小的選擇性捕食，在營養(yǎng)級中自上向下傳遞，對初級生產(chǎn)力產(chǎn)生較大影響。Mcqueen等于1986年提出了上行與下行理論（Bottom-up & Top-down theory ，圖3-1），即各營養(yǎng)級生物在順著金字塔方向和逆著金字塔方向均有相互影響作用。

圖3-1 上行與下行效應(yīng)

各種生物正是通過這些相互影響的方式維持著湖泊生態(tài)系統(tǒng)的平衡，如果環(huán)境因子變化或者某個營養(yǎng)級的生物缺失就會導(dǎo)致過度失衡，湖泊環(huán)境也會惡化。因此，我們要分析湖泊環(huán)境惡化的病因，有目的地引入外來生物為湖泊治病，維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定。

1. 經(jīng)典的生物操縱

通過改變捕食者（魚類）的種類組成或多樣性來操縱植食性的浮游動物群落的結(jié)構(gòu)，促進濾食效率高的植食性大型浮游動物，特別是枝角類種群的發(fā)展，進而降低藻類生物量，可提高水的透明度，改善水質(zhì)。具體方法為：① 投放肉食性魚類間接控藻，通常是通過放養(yǎng)肉食性魚類來控制浮游動物食性魚類，通過改變浮游動物食性魚類的種類組成來操縱藻食性的浮游動物群落的結(jié)構(gòu)，借此發(fā)展壯大濾食效率高的藻食性大型浮游動物（特別是枝角類）的種群，通過浮游動物種群的壯大來遏制浮游植物的發(fā)展，從而降低藻類生物量，提高水的透明度，最后達到改善水質(zhì)的目的。另外底層魚類的活動有促進底泥中氮、磷向水體釋放的作用，因此對其也應(yīng)限制。② 人工去除浮游動物食性魚類以間接控藻。這種類型的生物操縱技術(shù)是先用網(wǎng)具捕撈、化學(xué)方法（如魚藤酮毒殺）去除、電捕、放水等方法將水體中的魚類全部去除掉，然后再重新投放以魚食性為主的魚類。以此來促進大型浮游動物和底棲無脊椎動物（可攝食底棲、附生和浮游藻類）的發(fā)展，從而降低水體藻類的生物量。這種生物操縱的結(jié)果是重構(gòu)了水體生態(tài)系統(tǒng)和生物組成，使之朝著人們所期望的生態(tài)系統(tǒng)自凈功能強化的方向發(fā)展。經(jīng)典的生物操縱方法主要運用于小型的、封閉的浮游植物群落，不是由水華藍藻而是由綠球藻、小型硅藻和包括隱藻在內(nèi)的鞭毛藻等組成的淺水水體。在捷克的Rimov水庫中，研究者通過控制鯉科魚類的成功產(chǎn)卵，提高食魚性魚類的數(shù)量來去除浮游生物食性魚類，從而使得浮游動物的數(shù)量增多、體型增大，控制藻類的過度生長；在丹麥，對233個湖泊進行圍隔試驗，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)典的生物操縱在淺水中比在深水中更有效。

2. 非經(jīng)典的生物操縱

利用食浮游植物的魚類和軟體動物來直接控制藻類，治理湖泊富營養(yǎng)化。具體方法為：

（1）利用浮游植物食性魚類（如鰱、鳙）來控制富營養(yǎng)化和藻類水華現(xiàn)象。首先應(yīng)控制水體中的捕食鰱、鳙魚種的兇猛性魚類，以確保鰱、鳙的放養(yǎng)成活率。其次，鰱、鳙所攝食消化利用的浮游植物生物量需高于浮游植物的增殖速率。每個水體都需尋找一個合適的能有效控制藻類水華的鰱、鳙生物量的臨界閾值，鰱、鳙對藻類的攝食利用率與藻類的種類組成和生理狀況、其他可利用食物（如浮游動物）的相對豐度、水溫等有密切關(guān)系，而藻類的增殖速率與光照、水溫及水體的營養(yǎng)水平等有密切關(guān)系。②利用大型軟體動物濾食作用控制藻類和其他懸浮物。螺、蚌、貝類能起很好的生物凈化作用，有試驗表明河流中的螺類對藻類有明顯的抑制作用，一個殼長10 cm的河蚌，在20℃時，每天可過濾60 L水，過濾并吞食的浮游植物和懸浮物經(jīng)過吸收代謝作用，分解為無害物，并使水澄清。牡蠣能夠抑制藻類的生長，促進海草的生長，并使海水中氮通過反硝化作用減少，使海水變清。根據(jù)以上基本生態(tài)學(xué)理論，我們可以有針對地使用生物調(diào)控治理藍藻水華，以下就對各類生物具體說明。

二、魚類的控制作用

1. 放養(yǎng)濾食性魚類

鰱、鳙魚是典型的吃浮游生物的魚類，它們靠濾食器官濾取食物。由于兩者濾取食物的鰓耙形狀、結(jié)構(gòu)、排列致密程度不同，所以鰱魚主要吃浮游植物，鳙魚主要吃浮游動物。據(jù)測算，100 t的鰱魚和鳙魚，一年就能消耗55000 t藍藻。而且它們能通過自身的代謝活動，將有害的藍藻毒素轉(zhuǎn)化成無害物質(zhì)，并以動物蛋白的形式被捕撈出水體，從而使氮、磷等營養(yǎng)元素脫離湖泊。謝平等在武漢東湖的圍隔實驗表明，濾食性魚類鰱魚、鳙魚對微囊藻的水華有強烈的控制作用（圖3-2），這項研究成果已在滇池、巢湖中得到應(yīng)用。

圖3-2 利用鰱、鳙控制藻類水華的非經(jīng)典生物操縱

最近報道的羅非魚對藍藻具有特殊攝食與消化能力已引起廣泛關(guān)注。與鰱、鳙不同，羅非魚屬雜食性魚類，兼有濾食、捕食和嚙食等多種攝食方式，其特殊的鰓耙結(jié)構(gòu)能過濾微小浮游生物和食物顆粒，并且其上下咽齒和頜齒能在水底有效攝取底棲動植物和有機腐屑，使之不僅具有寬廣的攝食范圍，也表現(xiàn)出較強的攝食能力。Bowen認為尼羅羅非魚是迄今發(fā)現(xiàn)的能消化藍藻的少數(shù)幾種魚類之一，羅非魚發(fā)達的胃腺及其酸性的胃液（pH常低于2.5甚至達到1.0），使之在藍藻的消化降解方面有著鰱、鳙無可比擬的優(yōu)勢。

2. 控制肉食性或浮游生物食性魚類

從經(jīng)典的生物操縱理論、營養(yǎng)級聯(lián)反應(yīng)、上行/下行理論入手，合理配置湖泊中肉食性、浮游生物食性魚類的數(shù)量，使濾食性魚類和浮游動物正常生長，這對于控制藻類的過度生長也是有效的（圖3-3）。Jacobsen等的研究顯示，肉食性魚類影響浮游生物食性魚類的種類和大小，浮游生物食性魚類影響浮游動物（水蚤）的豐度和種類。Beklioglut等在Eymir湖的實驗中控制了浮游動物食性魚類丁鯛(Tincatinca)和底棲食性魚類鯉魚(Cyprinus carpio)的數(shù)量，一年后水體透明度增加了2.5倍，無機懸浮固體顆粒濃度減少為原來的1/4.5，葉綠素a濃度也顯著降低。

三、軟體動物的引入

通常用于藻類水華防治的軟體動物主要指淡水雙殼類（即蚌類）。其原理是蚌類為濾食性種類，食物主要為浮游植物、細菌、腐屑和小型浮游動物。由于雙殼類的濾食能力極強，可使水體浮游生物量大為減少，從而增加水體透明度，提高水體的自凈能力。由于雙殼類的發(fā)育存在變態(tài)過程，在鉤介幼蟲階段會對魚類產(chǎn)生危害，所以該技術(shù)通常用于較小的封閉水體或?qū)υ蟹N群恢復(fù)的水體。例如，在長春南湖的生態(tài)修復(fù)工程中就投放了褶紋冠蚌(Cristaria plicata)，1996年測得其總生產(chǎn)量為21.67 gDW·m^-2·a^-1，若以全湖全年產(chǎn)量計則為1.848×10⁴ kg·DW，以有機態(tài)固定在蚌體內(nèi)的總P量為153.384 kg（以干質(zhì)量計，蚌體的平均含P量為0.83%）。該生態(tài)工程中鳳眼蓮、蓮、魚類、河蚌從湖泊移走的P量分別占26.1%、4.3%、38.5%、31.1%（圖3-4）。

圖3-3 控制藻類水華的經(jīng)典生物操縱理論示意圖及放養(yǎng)的兇猛肉食性魚類

圖3-4 用于除藻的河蚌

四、原生動物的引入

原生動物是水生食物鏈中的重要環(huán)節(jié)，很多原生動物都以攝食藻類為生，以原生動物作為控藻生物有以下優(yōu)點：① 原生動物取食范圍廣，已經(jīng)分離到取食微囊藻、魚腥藻、束絲藻等滇池優(yōu)勢藻種的原生動物；② 原生動物食量大，實驗室中觀測到只要原生動物數(shù)目達到某一閾值，體系中的藻細胞會被迅速消耗殆盡；③ 很多原生動物在食物耗盡時會形成包囊，度過食物缺乏期，當藻類重新增多時，包囊又會破壁復(fù)蘇成為食藻營養(yǎng)體；④ 包囊結(jié)構(gòu)具有很強的抗逆性，這種形式容易于包裝和運輸；⑤ 繁殖力強，原生動物可以利用有機培養(yǎng)基擴大培養(yǎng)。

目前發(fā)現(xiàn)和使用的食藻原生動物主要分為鞭毛蟲、變形蟲和纖毛蟲3大類。在自然狀況下，有很多原生動物大量繁殖導(dǎo)致水華消退的報道。但人為投放原生動物控制水華的報道并不多見，大多還處于實驗室階段（圖3-5）。

圖3-5 控藻的原生動物

五、高等水生植物的引種

已發(fā)現(xiàn)多種高等植物對藻類的抑制作用（表3-1）。研究表明，多數(shù)高等水生植物能分泌化感物質(zhì)抑制藻類生長，按照化感物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為5大類：脂肪族、芳香族、含氧雜環(huán)化合物、類萜和含氮化合物。高等水生植物的這些優(yōu)點已廣泛應(yīng)用在富營養(yǎng)化湖泊的生態(tài)修復(fù)中（圖3-6）。

表3-1 已報道的抑藻高等植物

圖3-6 幾種控藻的高等水生植物

目前已從不同植物中分離到多種能抑制藻類生長的化感物質(zhì)。如從鳳眼蓮中分離出3種：N—苯基—2—萘胺，亞油酸，亞油酸甘油酯。其中，N—苯基—2—萘胺和亞油酸甘油酯對雷氏衣藻的抑制效果明顯。狐尾藻中的抑藻物質(zhì)主要是五倍子酸和焦桔酸，對銅綠微囊藻的抑制作用明顯。大麥稈腐敗后釋放出的化感物質(zhì)則包含了長鏈脂肪酸、酚類、酸類、醇類等。

高等水生植物的生長需要吸收大量的營養(yǎng)元素，在武漢東湖進行的水浮蓮凈化富營養(yǎng)化湖泊的試驗表明：水浮蓮對富營養(yǎng)化湖泊水體BOD₅的去除率在70%以上，總氮去除率在60%以上，總磷去除率在70%以上。何池全等通過試驗發(fā)現(xiàn)石草蒲對水體總氮去除率達87.14%，總磷去除率達43.19%，溶解氧增加26.16%。研究東太湖沉積物中總氮、總磷與水生生物的關(guān)系后得出結(jié)論：表層沉積物中總氮與總碳量主要經(jīng)過水生植物的生物沉積途徑進入沉積物，脫離湖泊內(nèi)的營養(yǎng)循環(huán)，進入地球化學(xué)循環(huán)過程，而磷在淤積物中的積累主要經(jīng)過非生物沉積途徑，可以防止底泥營養(yǎng)物重新懸浮，提高了水體透明度，改善了水質(zhì)。此外，我們要預(yù)防水生植物殘體帶來的沼澤化風(fēng)險。

六、以藻控藻技術(shù)

藻類之間也存在競爭和拮抗作用，Leslie發(fā)現(xiàn)一株海洋藍藻Gomphosphaeria aponina可以成為Florida赤潮優(yōu)勢藻類Pytochodiscus brevis的控制因子，并且有可能用來控制赤潮的發(fā)生。在淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，也有引種“水網(wǎng)藻”控制水華的報道。水網(wǎng)藻繁殖快和吸收肥料能力強，易于人工收獲利用，可以消除微囊藻等有害藍藻賴以生長的高營養(yǎng)化條件。在富營養(yǎng)化水庫（含TN 3.34~5.15 mg/L，TP 0.10~0.19 mg/L）和重營養(yǎng)化（TN 33.86 mg/L，TP 1.939 mg/L）湖區(qū)的試驗中，經(jīng)過水網(wǎng)藻（1 g/L）處理2天、4天、6天后，對氨氮、總氮、總磷去除率均在70%以上。

七、微生物及其附加產(chǎn)品的應(yīng)用

1. 裂解藻類的微生物的應(yīng)用

早在1978年，Redhead就分離到了70株均可裂解水華魚腥藻（Anabaena flos-aquae）的微生物，其中大多數(shù)還能裂解絲狀和單細胞藍藻。70株中有62株為真菌，分別屬于Acremonium、Emericellopsis、Verticilliu三個屬，裂解效果好于細菌。Garza在1995年分離到四株細菌（Alteromonas sp.A27，A28，A29，A30），它們可以裂解硅藻Skeletonema costatum NIES-324、Eucampioa zochiac、Thalassiosira sp.以及鞭毛藻Chattonella antiqua。近年來，有用微生物用于水華治理的報道，如中山大學(xué)的李雪梅等在人工湖泊的試驗表明有效微生物群（Effective microorganisms）可有效抑制藻類生長，對提高水體透明度、降低葉綠素a濃度也有明顯效果。最近，還有用藻—菌生物膜法改善富營養(yǎng)化水體的報道。

當然，用細菌、真菌等來裂解藻類水華還有些問題需要解決，如特異性不強，效率不高，有存在二次污染的可能等。

2. 降解藻毒素的細菌篩選

形成水華的多種藻類會分泌毒素，對水產(chǎn)養(yǎng)殖和飲用水安全帶來危害。例如：水華常見優(yōu)勢種——微囊藻分泌的微囊藻毒素是人們研究較多的一類藻類毒素。人們試圖使用微生物降解水華藻類產(chǎn)生的毒素，已篩選到的菌株有：鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）、銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、青枯菌（Ralstonia solanacearum）等。近年來，還出現(xiàn)了用碳納米管加載微生物降解微囊藻毒素的工藝，取得了較好的效果。

3. 微生物絮凝劑的應(yīng)用

微生物絮凝劑是一種由微生物產(chǎn)生的具有絮凝功能的高分子有機物，主要有微生物細胞絮凝劑、微生物細胞壁提取物絮凝劑和微生物細胞代謝產(chǎn)物絮凝劑3種類型。利用微生物本身或產(chǎn)生的多肽、酯類、糖蛋白、黏多糖、纖維素和核酸等作絮凝劑，可以絮凝沉降水華，效果好于黏土。另外水體恢復(fù)功能菌（RB）、利水劑、AEM菌、PSB光合菌等也有較好的絮凝沉藻效果。在滇池草海約800 m³圍隔水域的試驗中，光合細菌（PSB）凈水劑對葉綠素a去除率在75%以上，藻類去除率在90%以上，平均透明度從0.3 m增加到1.06 m。

八、藻類病毒的探討

藻類病毒的發(fā)現(xiàn)只有四十多年的歷史，1963年Safferman和Morris首先報道了能感染鞘絲藻（Lynbya）、席藻（Phormidium）及織線藻（Plectonema）的LPP病毒。隨后，越來越多的藍藻病毒和真核藻類病毒得到分離鑒定，由于藻類病毒的形態(tài)與噬菌體相似，通常藻類病毒又稱為“噬藻體”（Cyannophage）。自然水體中的藻類病毒具有調(diào)節(jié)藻密度的重要作用，1989年和1990年《自然》刊載了3篇文章，指出海洋中廣泛存在的噬藻體具有重要的生態(tài)學(xué)功能。在淡水生態(tài)系統(tǒng)中藻類病毒的密度平均為1.2~6.1×10⁷個/mL，在湖底沉積物中可達6.5×10⁸~1.83×10¹⁰個/mL。

人們對藻類病毒已有40多年的研究，結(jié)合以往病毒在病蟲害生物防治中的經(jīng)驗，可以總結(jié)出用藻類病毒治理水華有以下特點：① 藻類病毒對宿主的侵染有很高的專一性。如：小球藻病毒只專一裂解某一株系的小球藻，有些藻類病毒也只侵染幾個株系、亞種，一個種乃至一個屬的藻類。這就為藻類病毒的生物防治帶來安全性。② 藻類病毒能迅速降低特定藻類的數(shù)量。藻類病毒有3種增殖方式：裂解性侵染、惰性侵染和溶原現(xiàn)象。作為控制藻類水華的病毒我們應(yīng)該篩選裂解性侵染的藻類病毒。因此，以藻類病毒作為防治水華的控制因子是經(jīng)濟高效的。目前已有人工增加病毒的數(shù)量來檢驗對淡水生態(tài)系統(tǒng)影響的報道，2002年5月第一株噬藻體“P60”的全基因組論文正式發(fā)表。研究人員正致力于篩選和改造藻類病毒，使其成為防治水華的有力武器。