不同環境因素影響下直鏈藻垂向分布特性研究

盧金鎖, 楊 喆, 張 旭, 張 博

(西安建筑科技大學 環境與市政工程學院, 陜西 西安 710055)

近年來水庫逐漸成為重要的供水水源[1], 水庫富營養化和庫區內原水質惡化現象較為常見[2-3]。研究表明[4-6]夏秋兩季是水庫內藻類高發季節, 富營養化水庫受分層影響而營養鹽含量失衡, 當某一環境因素改變時, 水庫內的藻類短時間內大量繁殖并聚集在水體表層造成水華現象, 對庫區水體水質及原水水質造成嚴重的危害[7-8]。

庫區藻類分布受光照、降雨和水動力條件等多種環境因素影響[9], 目前關于誘發藻類形成水華主要從水體內營養鹽含量[10]、光照影響[11-12]和水動力條件[13-14]等環境因素角度研究, 作者以北方地區的峽谷型深水庫水源——金盆水庫中夏秋兩季優勢藻種之一的直鏈藻為代表[15], 在實驗室的自制沉降柱條件下模擬不同環境因素對水中直鏈藻時空分布的影響, 總結出對應直鏈藻的時空分布規律, 統計方差分析得出各環境因素對藻類分布的影響程度, 以對水庫取水規避藻類應用借鑒。

1 材料和方法

1.1 藻種來源與培養條件

直鏈藻(Melosira)在分類學上屬于硅藻門(Bacillariophyta), 鏈狀群體, 藻細胞呈圓柱形。鏈長一般為 8～35 μm, 由一個個節狀殼面連接, 一般為 3～15節, 常見于湖泊、水庫等淡水系統中[16]。直鏈藻從中國淡水藻種庫(FACHB-Collection)處購買。將其置于光照培養箱中, 利用CSI培養基進行培養, 箱內溫度控制在(25±1)℃, 光強設置在(3000±100)lx 左右, 光照時間設置為L∶D=12 h∶12 h, 每天搖晃3次, 達到穩定期的周期在30 d左右[17-18]。

1.2 實驗裝置設定

本實驗的主體實驗裝置為一個自制的圓柱形有機玻璃沉降柱, 如圖1所示。柱高4 300 mm, 直徑150 mm, 在側外壁從上至下設置了17個直徑為8 mm的取樣口, 相隔取樣口之間的距離為35 cm。取樣管向柱內伸至10 mm處, 為了避免取到吸附在內壁上的直鏈藻造成取樣誤差; 沉降柱上方設置多級可調控燈箱可設置不同光照強度, 燈箱內設置噴頭用于模擬降雨實驗和設置風扇用于散熱; 沉降柱底部設置閥門和流量計用于調節出流流量。將沉降柱內水體上部300 mm設為隔熱區域, 下部4 000 mm為實驗水體區域, 并用5 mm厚黑色保溫膜包裹沉降柱表面覆蓋整個實驗水體區域, 起到遮光保溫的作用。

圖1 沉降柱裝置示意圖Fig.1 Settling column device schematic diagram

1.3 測定方法

沉降柱上方及柱內水體光強由光照計進行測量。實驗前配制不同直鏈藻含量的水, 用多參數水質監測儀(HydrolabDS5)測定其葉綠素 a濃度, 并用丙酮萃取-紫外分光光度法進行校核[19], 并使用可見紫外分光光度計(HydrolabDR5000)測其在650 nm波長時的吸光值, 建立直鏈藻的葉綠素 a濃度與吸光值之間線性方程[20]即: y=1569x+0.596(R2=0.999), 以便實驗中只需取少量水樣檢測其吸光值, 計算對應的葉綠素a。

1.4 實驗方法

沉降柱內水將金盆水庫原水經過孔徑為 0.45 μm微孔纖維濾膜過濾, 為避免濾膜中的有機物質對實驗結果產生影響, 使用前對濾膜進行煮沸處理; 為使沉降柱內的原水充分均勻混合并使其雜質沉淀,在實驗開始前12 h便將其注入進沉降柱內, 注水量約為 70.7 L; 為了能夠同時模擬直鏈藻上浮和下沉特性, 將已培養至穩定期的直鏈藻液利用注射器從7號取樣口緩慢注入沉降柱內, 將沉降柱以 7號取樣口為界分為上浮區和下沉區(圖 1), 分別通過改變沉降柱上部燈數量、下部出流水量和上部噴頭出流量,形成 5組不同的光照、取水出流引起的水動力和降雨條件下, 研究直鏈藻懸浮特性。

2 結果與分析

2.1 不同光照條件對直鏈藻垂向分布影響

直鏈藻液從沉降柱中部 7號取樣口被注入進沉降柱后, 調整燈箱開啟燈數量, 使其在沉降柱水面處光強分別為0、1 000、3 000、7 000、10 000 lx, 間隔0.5～4 h在上浮區2號和下沉區15號取樣口進行取樣,實驗設計時間周期為2 d。在不同光照條件下上浮區直鏈藻隨時間的分布如圖2a所示, 在不同光照條件下下沉區直鏈藻隨時間的分布如圖2b所示。

由圖2a可知, 在高濃度藻液加入后, 0.5 h之內直鏈藻迅速向表層擴散, 使表層水體中藻類濃度提高, 說明直鏈藻在光的誘導下明顯上浮, 呈現一定趨光性, 這與 Lashaway[21]研究結論一致。但在不同光強呈現不同上浮特性, 在光強為1 000 lx時, 表層達到最大需要0.5 h, 而在光強為10 000 lx時表層達到最大需要 2.5 h, 說明在較強光強時由于光可到達較深, 直鏈藻無需上浮至表層, 上浮速度較慢。在上浮區直鏈藻分布穩定時, 光強在3 000 lx時表層直鏈藻濃度最大, 其次為 7 000 lx, 最小為無光強, 說明直鏈藻適合在3 000 lx左右生長, Wang[22]研究表明直鏈藻適合在低光強環境下生長, 其最適光強為2 800 lx左右。

由圖 2b可知, 實驗開始后下沉區內直鏈藻的濃度變化緩慢且在24 h之后達到平衡, 其中在最大光強10 000 lx達到平衡時, 底部直鏈藻的濃度最低,表明在頂部高光強下, 沉降柱內整體光強較高, 直鏈藻在深度上分布廣泛, 在頂部低光強下, 直鏈藻難以在沉降柱內生長, 而沉降至底部。這一點也可在表1中得出。由表1可知, 在0～3 000 lx光強時上浮區和下沉區內各個取樣點的濃度值大致相同,在7 000和10 000 lx光強時上浮區內位于沉降柱中部的6號取樣點的濃度值分別為53、60 μg/L要高于其余的取樣點濃度值, 而光強為10 000 lx時下沉區內同樣位于沉降柱中部的 8、9號取樣點濃度值分別為63、66以及66、70 μg/L要高于其余的取樣點濃度值。

圖2 不同光照條件下直鏈藻的垂向分布分析圖Fig.2 Vertical distribution diagram of Melosira under different light conditions

表1 不同光照直鏈藻濃度在穩定時間時垂向分布情況(單位: μg/L)Tab.1 Vertical distribution of different light Melosira concentrations at stable time (unit: μg/L)

2.2 不同水動力條件對直鏈藻垂向分布影響

直鏈藻液從沉降柱中部 7號取樣口被注入進沉降柱后, 改變沉降柱底部出流流量分別為8、15、23、30和36 mL/min, 每次實驗間隔5～8 h在上浮區2號和5號以及下沉區9號和15號取樣口進行取樣, 4個取樣點的藻液濃度值隨時間分布如圖3a～e所示。

由圖3a～e可知, 在實驗過程中4個取樣點的藻濃度差值由開始時的相差較大到結束時的相差不大,越接近結束時間時 4個取樣點間的藻濃度分布趨勢基本不變且測得的各自取樣點藻濃度基本不變。對比圖2與圖3, 以上浮區的2號取樣點和下沉區的15號取樣點為例, 光強設置為3 000 lx。由圖2可知, 當沉降柱底部沒有出流時, 實驗進行2 d后沉降柱內直鏈藻濃度趨于穩定且光強為3 000 lx時, 15號取樣點的藻濃度為78 μg/L; 由圖3可知, 受到實驗開始時投加直鏈藻液濃度不同的影響, 實驗結束時15號取樣點的藻濃度范圍為 55～70 μg/L, 當改變沉降柱底部出流流量時, 實驗平衡時間大大縮短, 出流流量最小即8 mL/min時實驗平衡時間為8 h, 而出流流量最大即36 mL/min時實驗平衡時間為5 h, 說明隨著出流流量的逐漸增大促使對應水域內直鏈藻被動遷移加快, 能夠在越短的時間內聚集, 這與 Wang[23]的研究結論一致。同時對比圖2和圖3可以發現, 無論沉降柱底部出流流量是否發生改變, 在相同實驗環境以及實驗時間內 2號取樣點的藻濃度變化趨勢基本一致, 說明沉降柱底部出流流量的改變對下沉區內直鏈藻垂向分布的影響要大于對上浮區內的, 由此可以推斷出隨著水深的增加, 越靠近出流流量改變的水層其對應的直鏈藻垂向分布越受其影響。

2.3 不同降雨條件對直鏈藻垂向分布影響

直鏈藻液從沉降柱中部 7號取樣口被注入進沉降柱后, 1 h后進行降雨實驗模擬時, 模擬降雨強度分別為1.67、5、8.33、11.67和15 mm/min, 降雨持續45 min, 降雨期間取樣間隔15 min, 第二次模擬降雨在第一次結束4.5 h后進行, 間隔7 h在上浮區2號和5號以及下沉區9號和15號取樣口進行取樣, 4個取樣點的藻液濃度值在不同降雨條件下隨時間的分布如圖4a～d所示。

由圖4a可知, 實驗開始后1 h之內沒有開始降雨, 上浮區內直鏈藻受到光照影響迅速上浮, 之后降雨開始上浮區內直鏈藻向下層遷移, 降雨 45 min后的降雨間隔期內, 上浮區內直鏈藻受到光照影響再次向表層遷移, 二次降雨開始后, 上浮區內直鏈藻再次向下層遷移。測得 2號取樣點的藻濃度在降雨期間, 降雨強度最小即1.67 mm/min時藻濃度下降幅度為23%, 而降雨強度最大即15 mm/min時藻濃度下降幅度為 49%, 說明隨著降雨強度增大, 降雨開始后表層直鏈藻的下降幅度也增大。由圖4b可知,實驗開始未發生降雨時, 上浮區內直鏈藻受到光照影響迅速上浮, 而發生降雨時, 表層直鏈藻向下層遷移,測得5號取樣點的藻濃度在降雨期間, 降雨強度最小即1.67 mm/min時藻濃度下降幅度為3.5%, 而降雨強度最大即15 mm/min時藻濃度上升幅度為11.8%。

結合圖4a和4b可知, 隨著降雨強度增大越靠近表層水體的直鏈藻對應的垂向分布越受其影響且降雨強度越大趨勢越明顯, 同時受降雨影響的水深也隨降雨強度的增大而增大。相對于預防水華現象發生來說, 降雨對水中直鏈藻的垂向分布產生的影響是正面的影響, 是否可以采用人工降雨的方式來阻止或推遲水華現象的發生, 關于這一觀點是否可行目前國內外學者沒有做過相關研究得出過類似結論, 還需要對其進行進一步的實驗研究來驗證此觀點的正確性。

由圖4c和4d可知, 在5組不同降雨模擬的整個實驗過程中, 9號和15號取樣點的藻濃度變化沒有明顯波動, 僅受自重影響而遞減和遞增, 說明降雨對水中直鏈藻垂向分布的影響是存在范圍的, 隨著水深的增加降雨對沉降柱內直鏈藻的垂向分布影響減弱。

2.4 直鏈藻垂向分布與環境因素定量分析

利用單因素方差分析方法對上浮區以及下沉區內的直鏈藻在光照、水動力以及降雨這3個環境因素影響下測得的葉綠素a濃度值進行分析并運用SPSS19.0軟件進行統計, 從中得出光照、水動力以及降雨這3個環境因素哪一個對上浮區內的直鏈藻垂向分布影響最大,哪一個因素對下沉區內的直鏈藻垂向分布影響最大。

圖4 不同降雨條件下直鏈藻的垂向分布Fig.4 Vertical distribution diagram of Melosira with different amount of rainfall

表2、表3分別表示的是3個環境因素對上浮區以及下沉區內直鏈藻垂向分布的影響程度, 其中組別1表示的是光照條件、組別2表示的是底部出流流量條件、組別 3表示的是降雨條件。從表中顯著性影響一行中的數據可知, 光照以及降雨條件對上浮區內直鏈藻的垂向分布具有顯著影響, 而底部出流流量條件則對下沉區內直鏈藻的垂向分布具有顯著影響。其中, 光照條件的改變促進上浮區內的直鏈藻垂向向水體表層遷移, 而降雨條件的改變則抑制上浮區內的直鏈藻垂向向水體表層遷移。

3 結論

直鏈藻具有較強的趨光性且適合在低光強環境下生長, 實驗模擬確定直鏈藻的最適光強為3 000 lx,光強的改變對沉降柱內直鏈藻的垂向分布具有顯著影響, 隨著水深的增加, 光強對水中直鏈藻垂向分布影響減弱。

沉降柱底部出流流量的改變對下層水體內直鏈藻的垂向分布具有顯著影響, 且隨著出流流量的增大, 對應的直鏈藻垂向分布變化波動越明顯, 同時越靠近底部出流流量改變的水層, 其對應的直鏈藻垂向分布越受其影響, 能夠在越短的時間內聚集,當出流流量最小即8 mL/min時對應的實驗穩定時間為8 h, 而當出流流量達到最大即36 mL/min時對應的實驗穩定時間為5 h。

表2 單因素方差分析3種環境因素對上浮區內直鏈藻垂向分布的影響Tab.2 Effect of three kinds of environmental factors on the vertical distribution of Melosira in the floating zone analyzed by one-way ANOVA

表3 單因素方差分析3種環境因素對下沉區內直鏈藻垂向分布的影響Tab.3 Effect of three kinds of environmental factors on the vertical distribution of Melosira in the sinking zone analyzed by one-way ANOVA

降雨強度的改變對表層水體內直鏈藻的垂向分布具有顯著影響, 對于聚集在表層的直鏈藻來說,降雨對其產生抑制作用, 降雨強度越大, 表層水體內直鏈藻就越偏離水體表層, 同時隨著水深的增加,降雨對直鏈藻的垂向分布影響減弱。

[1] Wang C, Sun Q, Wang P, et al. An optimization approach to runoff regulation for potential estuarine eutrophication control: Model development and a case study of Yangtze Estuary, China[J]. Ecological Modelling, 2013, 251: 199-210.

[2] Liu Y, Wang Y, Sheng H, et al. Quantitative evaluation of lake eutrophication responses under alternative water diversion scenarios: A water quality modeling based statistical analysis approach[J]. Science of the Total Environment, 2014, 468: 219-227.

[3] O’Neil J M, Davis T W, Burford M A, et al. The rise of harmful cyanobacteria blooms: The potential roles of eutrophication and climate change[J]. Harmful Algae,2012, 14: 313-334.

[4] Kolada A. The effect of lake morphology on aquatic vegetation development and changes under the influence of eutrophication[J]. Ecological Indicators,2014, 38: 282-293.

[5] Béchet Q, Shilton A, Guieysse B. Modeling the effects of light and temperature on algae growth: State of the art and critical assessment for productivity prediction during outdoor cultivation[J]. Biotechnology Advances,2013, 31(8): 1648-1663.

[6] 孔繁翔, 高光. 大型淺水富營養化湖泊中藍藻水華形成機理的思考[J]. 生態學報, 2005, 25(3): 589-595.

[7] Yu H, Zhao M, Agarwal R P. Stability and dynamics analysis of time delayed eutrophication ecological model based upon the Zeya reservoir[J]. Mathematics and Computers in Simulation, 2014, 97: 53-67.

[8] Chen X, He S, Huang Y, et al. Laboratory investigation of reducing two algae from eutrophic water treated with light-shading plus aeration[J]. Chemosphere, 2009,76(9): 1303-1307.

[9] 楊正健, 劉德富, 易仲強, 等.三峽水庫香溪河庫灣擬多甲藻的晝夜垂直遷移特性[J].環境科學研究,2010, 23(1): 26-32.

[10] 龍天渝, 鄭敏, 郭蔚華, 等.生態幅在重慶嘉陵江主城段營養鹽限制因子中的應用[J].重慶大學學報(自然科學版), 2007, 30(2): 81-85.

[11] Li W, Guo Y, Fu K. Enclosure experiment for influence on algae growth by shading light[J]. Procedia Environmental Sciences, 2011, 10: 1823-1828.

[12] 劉春光, 金相燦, 邱金泉, 等. 光照與磷的交互作用對兩種淡水藻類生長的影響[J].中國環境科學, 2005,25(1): 32-36.

[13] 顏潤潤, 逄勇, 趙偉, 等.環流型水域水動力對藻類生長的影響[J].中國環境科學, 2008, 28(9): 813-817.

[14] 丁玲, 逄勇, 李凌, 等.水動力條件下藻類動態模擬[J]. 生態學報, 2005, 25(8): 1863-1868.

[15] 邱二生. 黑河水庫水質及藻類監測和水體分層研究[D].西安: 西安建筑科技大學, 2010.

[16] 胡鴻鈞, 魏印心.中國淡水藻類——系統、分類及生態[M].北京: 科學出版社, 2006.

[17] 王珺, 王愛雯, 陳國華, 等.幾種主要營養元素對直鏈藻生長速率的影響[J]. 海南大學學報(自然科學版),2013, 31(3): 218-223.

[18] 趙玉明. 底棲硅藻生產性培養中的理論與實踐[J].中國農學通報, 2010, 26(15): 402-406.

[19] 陳宇煒, 陳開寧, 胡耀輝.浮游植物葉綠素 a測定的“熱乙醇法”及其測定誤差的探討[J]. 湖泊科學, 2006,18(5): 550-552.

[20] 于海燕, 周斌, 胡尊英, 等.生物監測中葉綠素a濃度與藻類密度的關聯性研究[J].中國環境監測, 2009,25(6): 40-43.

[21] Lashaway A R, Carrick H J. Effects of light,temperature and habitat quality on meroplanktonic diatom rejuvenation in Lake Erie: implications for seasonal hypoxia[J]. Journal of Plankton Research,2010, 32(4): 479-490.

[22] Wang J, Xing Y, Chen G, et al. Effects of different ecological factors on the growth of Melosira sp.[J].Journal of Tropical Organisms, 2010, 3: 008.

[23] Wang P, Shen H, Xie P. Can hydrodynamics change phosphorus strategies of diatoms?—nutrient levels and diatom blooms in lotic and lentic ecosystems[J].Microbial Ecology, 2012, 63(2): 369-382.