1.3.3生物方法
生物法是利用种间竞争和捕食关系,对水体中有害藻类进行摄食、转化、降解,以及转移,从而达到控制有害藻华的目的,使水生生态系统逐渐得到恢复的一种方法。一般而言,生物控藻法的作用效果主要体现在蓝藻水华暴发前。蓝藻水华暴发后,由于藻密度基数太高,增殖量太大,仅仅依靠生物控藻是不够的。其中,研究和应用较多的是生物操纵技术(Biomanipulation)和水生植物控藻技术,而微生物控藻技术用得相对较少。
(1)生物操纵
生物操纵技术是通过浮游动物、鱼类、底栖动物等水生动物对有害藻类的摄食行为达到控制有害藻华的一种方法。包括经典生物操纵(Traditionalbiomanipulation)技术和非经典生物操纵(Non-Traditional biomanipulation)技术。
经典生物操纵技术即通过放养肉食性鱼类或直接捕(毒)杀等方法去除以浮游动物为食的鱼类,保护和发展大型牧食性浮游动物,使其生物量增加和体型增大,提高其对浮游植物的摄食效率,从而降低浮游植物数量和控制其过量繁殖。经典的生物操纵技术在控制湖泊水体浮游植物总量方面具有一定效果,但其许多不足也逐渐为人们所认识。如浮游动物只能控制小型藻类,本身难以直接利用微囊藻、颤藻和束丝藻等大型蓝藻群体。同时,伴随着大量大型肉食性浮游动物的出现,水中植食性浮游动物如轮虫、小型枝角类等会遭受到高强度攻击,数量显著下降,反而会减小对浮游植物的捕食压力,浮游植物可能出现反弹性大量增长的现象。另外,对我国的大型浅水湖泊而言,浮游动物对浮游植物的摄食压力一般不大,因此,还难以见到单独应用经典生物操纵成功的例子。
随着人们对经典生物操纵技术在蓝藻水华控制方面的不足和鲢鳙等滤食性鱼类在控藻效率上的认识逐步深入,目前以投放鲢鳙等滤食性鱼类来控制蓝藻的非经典生物操纵技术已受到广泛研究和应用。早在1975年,Kajak等在波兰Warniak 湖中就开展了放养鲢的控藻实验,结果发现可大大减少浮游植物总生物量和蓝藻比例。在国内,非经典生物操纵技术的研究和应用则是1980年代中后期从探索武汉东湖水华消失之谜开始逐渐发展起来的。许多实验结果表明,在特定实验条件下,当鲢鳙等滤食性鱼类达到阈值密度时,对蓝藻等大型藻类或群体确有较好的控制作用。但同时也有许多实验发现该技术在其他浮游藻类的控制和水体营养盐循环方面存在一些不足。由于鲢鱼鳃耙间距为20~25μm,一般滤食30μm以上的大型浮游植物、小型浮游植物群体,以及一部分浮游动物;而鳙鱼则主要滤食大型轮虫、枝角类、桡足类等浮游动物。因此,鲢鳙对非群体的微小浮游植物不但无法滤食,反而会因为减少了大型藻类的竞争和浮游动物的摄食,促进小型藻类的发展,致使水体浮游植物总生物量难以减少,有的甚至还会增加,不利于水质改善。另外,尽管鲢、鳙能够通过摄食方式有效摄食蓝藻水华,但由于多数组成水华的蓝藻细胞具有较厚的公共或个体衣鞘,鲢、鳙对水华蓝藻(微囊藻)的消化利用率很低,一般只有25%~30%。浮性的鲢、鳙粪便中往往还存在着大量未消化的具有生命力的蓝藻,这些蓝藻细胞回到水体后还能继续增殖,甚至由于超补偿生长,其光合及生长活性在短期恢复并显著增强,有潜在加速水体富营养化的可能。除此之外,滤食性鱼类还可能存在“鱼类富营养化(Ichthyoeutrophication)”现象,加速系统中营养物的再生,加之小型藻类较大型藻类更易吸收水体中的营养物质而加剧了其生物量的激增。除鱼类控藻外,近年来底栖动物控藻也得到关注。屈铭志等利用铜锈环棱螺(Bellamya aeruginosa)控制蓝藻水华,发现环棱螺通过呼吸过程摄食水中的微囊藻颗粒,使得水华短时间得到控制,改变水体中泥沙含量可以影响微囊藻团和粪便的结构,使抑制微囊藻水华的效果得到提升。
由于经典生物操纵技术和非经典生物操纵技术在单独使用时都有其各自不足,因此,如何将经典生物操纵技术和非经典生物操纵技术进行有机整合,取长补短,从而研发出效率更高,副作用更少的蓝藻控制技术,将是未来发展的重要方向。(https://www.daowen.com)
(2)水生植物控藻法
除了利用水生动物控藻的生物操纵技术外,水生植物控藻法也是目前得到广泛研究并有重要应用前景的一种生物控藻法。主要是利用水生植物与有害藻类之间对光照、营养物质、氧气等的种间竞争关系和向水环境中释放化感物质来抑制有害藻类生长。水生植物控藻法被认为具有效果好、费用低、材料天然易得、不易造成二次污染等优点。从目前的报道来看,大多数植物释放的化感物质抑制藻类生长可能的途径主要有影响光合活性(藻类光合系统Ⅱ)、破坏细胞膜、影响细胞内某酶的活性等。
利用水生植物的化感作用控制水体中藻类生长的方式主要有3种:①将水生植物栽培至待处理水体,利用活体植物释放的化感物质抑制藻类。但水生植物的生长要具备相应的生境条件,同时注重不同水生植物的配置结构,种植技术要求较高,构建初期稳定性脆弱,维护复杂。因此,目前越来越多的新型浮床逐渐被设计并实际运用到水体中,浮体不仅能美化水景且占地面积小,利用生态浮岛覆盖日本霞浦湖25%水面发现,能削减94%的浮游植物,但植物的吸收率和生物量成为限制浮岛净化效果的主要原因。生态浮体特别是能为微生物生长提供更多附着面以增强浮体的控藻去污能力的浮体的结构设计是技术难点之一,浮体不适合风浪较大,水流较强等水域。采用塑料、泡沫板、竹料等浮材,虽成本低,但抗风浪能力较差,还应注意浮体植物构建和收割,浮体材料发生腐烂等二次污染的问题。水生植物控藻不足之处是当水体富营养化程度过高时,植物难以生长存活。另外,植物生长具有季节性限制和受植物生长周期的影响。②将植物干燥后放入待处理水体,利用其腐败释放的化感物质抑制藻类。如利用大麦秸秆直接施入水体来抑制藻类在美国等地已经有应用实例。例如,在苏格兰一个经常暴发硅藻和蓝藻的25000m2水域投放大麦秸秆发现,藻体生物量减少50%,富营养化现象得到了有效控制。该方式操作简单,效果显著,但不足之处是难以在大型水体中使用,大规模使用时还可能影响水质和景观。③将从植物中提取的化感物质施入水体抑制藻类。其不足之处是提取化感物质往往成本较高,活性持续时间不长,难以大规模使用和持续发挥作用,且高浓度化感物质的留存及生态毒性需深入研究。
由于水生植物在氮磷吸收以及为浮游动物和微生物提供栖息环境方面具有重要作用,可以起到间接抑藻之功效,所以可以预见的是,无论是现在还是将来,恢复水生植物群落将仍然是我国湖泊富营养化治理和生态修复的重要手段和内容。
(3)微生物控藻法
微生物控藻法主要是溶藻微生物通过一定方式抑制藻类生长,甚至溶解藻细胞、杀死藻类实现的,溶藻微生物是水生生态系统中生物种群构成的重要部分。已有大量研究表明,某些微生物在特定生长期能够分泌具有溶藻活性的蛋白酶、肽类化合物、氨基酸、小分子有机酸、抗生素及一些化合物等, 还有一些细菌是通过寄生在藻细胞上,最终导致早细胞裂解。另在包括蓝藻在内的许多藻类发现其产生的部分化合物有溶藻活性。除此之外,还发现了专门以蓝藻为寄主的浮游病毒类群噬藻体(Cyanophage),因其能特异性地感染蓝藻而具有重要的生态地位,是蓝藻“水华”潜在的控制因子。同时研究发现一些细菌可通过与藻类直接接触溶藻。基于这些现象与理论,人们致力于微生物控制藻类水华研究。另外还有复合酶激活剂,以期激活水体底栖微生物,加速对水体污染物的吸收和代谢,达到去除营养盐和控制藻类大量增殖的目的。虽然许多溶藻微生物具有溶藻效果好、易于繁殖和寄主特异性强等优点而可能成为最具前景的生物控藻方法之一。但由于自然环境中微生物和酶制剂效果的发挥常受到地域、温度、pH值、盐度、水压、菌藻数量比、水体流动性、开放性等众多环境因素影响,并且微生物的投放还可能带来投放区生物入侵、微生物群落失调,藻类病毒扩散或生态结构破坏等危险,对应于大水面,开放性流动水体,其长期效果有待深入研究。故目前大多停留在实验室基础研究和蓝藻导流围隔实验层面。利用微生物溶藻特性开展工程应用,尤其是在大中型湖泊中的工程应用尚未见到成功的案例。