藻华聚集的环境效应:对漂浮植物水葫芦光合作用的影响

利用适应性强、生物量大的水生植物来净化污染水体,已成为目前水体生态修复的一种快捷有效的方法.然而,在夏季蓝藻水华严重聚集的水体,藻华聚集后对水生植物的生理生态影响及其环境效应,尚缺乏系统研究.本研究以水葫芦为代表,模拟在高温阶段(水温WT25℃)、水华严重聚集时,对水葫芦的光合作用的影响进行研究,以揭示蓝藻水华聚集后造成的浅水生态系统中水生植物消亡的深层机制,并为减轻藻华聚集对水生植物的不良影响、充分发挥水生植物的水体净化功能提供理论依据.结果表明,藻华聚集会很快消耗掉水生植物根区内的溶氧,呈现缺氧状态(DO0.2 mg·L-1);植物根区内ORP出现明显下降现象,实验进行1 d后低于-100 m V,实验结束时达-200 m V,水体呈现强还原环境.与对照相比,根区内p H值低0.7个单位.藻华细胞在死亡、分解后释放大量的无机营养盐于水体中,植物根区内的NH+4-N含量比对照实验中高102倍;较高的NH+4-N含量(平均为45.6 mg·L-1)加之缺氧的协迫作用,导致植物机体受到破坏,植物的光合作用能力严重下降.叶片的平均净光合速率仅为对照的0.6倍,实验结束时其光合速率Pn为3.96μmol·(m2·s)-1,而同期对照实验的叶片净光合速率Pn为22.0μmol·(m2·s)-1;叶片蒸腾速率仅为对照的0.55倍,至实验结束时其蒸腾速率为1.38 mmol·(m2·s)-1,同期对照实验的叶片蒸腾速率为7.61 mmol·(m2·s)-1,表明藻华长期的聚集对植物产生了不可逆的伤害作用.在实际生产中,要避免蓝藻的严重堆积和快速消亡,以减轻藻华暴发对植物的伤害,充分发挥植物的水体净化功能.     

凤眼莲对铜绿微囊藻生长及藻毒素与营养盐释放的影响

针对目前我国凤眼莲治理富营养化水体技术的规模化应用现状,考虑到大面积控养的凤眼莲与暴发的水华蓝藻(尤其是产毒铜绿微囊藻)会在湖湾区短期内密集共存的情况,开展了凤眼莲对产毒铜绿微囊藻生长、生理特性、藻毒素生产与释放影响的研究,另外,也考察了短期共存下藻类营养盐释放与凤眼莲对藻毒素积累的情况.半连续共培养实验结果表明,凤眼莲能够有效抑制铜绿微囊藻的生长,促进藻细胞的衰亡.虽然凤眼莲未对铜绿微囊藻光合系统Ⅱ的电子传递产生影响,但减少了其光合系统中的藻蓝蛋白(PC)含量和藻蓝蛋白/别藻蓝蛋白(PC/APC)水平,10%和20%水体交换率处理的PC/APC水平第8 d时分别降至相应空白对照的54.93%±7.07%和55.81%±1.97%.凤眼莲对铜绿微囊藻形成了一定的氧化伤害,最终促进其抗氧化系统中超氧化物歧化酶比活显著下降,丙二醛含量显著提高,10%和20%水体交换率处理的丙二醛含量第8d时分别升至相应空白对照的2.95倍±0.074倍和2.22倍±0.086倍.凤眼莲通过促进蓝藻的衰亡和分解,加速了营养盐的释放.12 d内,可溶性总氮浓度回升到初始水平,而水体可溶性总磷的释放速度比氮营养盐更快.另一方面,凤眼莲并没有促进铜绿微囊藻毒素的生产,也没有使水体藻毒素含量显著提高.相反,和自然衰减不同,短期内显著促进了水体藻毒素的降解,第12 d时10%和20%水体交换率处理的水体藻毒素分别下降至12.07μg·L-1±0.63μg·L-1和11.36μg·L-1±0.04μg·L-1.而凤眼莲整株的藻毒素短期积累量(FW)仅为5.95 ng·g-1±0.76 ng·g-1.增加水体交换率能够在一定程度上减缓凤眼莲对铜绿微囊藻的伤害,减缓营养盐的释放速度,但对水体藻毒素消减的影响不显著.     

固定化微生物对养殖水体浮游生物的影响及生物除氮研究

研究了固定化微生物(含有光合细菌、芽胞杆菌、硝化细菌以及反硝化细菌)对养殖水体中藻类和浮游动物的种类、数量、生物量以及水体氮素等理化环境的影响.结果表明,固定化微生物处理后,水体中藻的种数增加,藻类细胞(或丝状体)数量及生物量减少;水体中浮游动物种类和生物量增加,从而浮游动物的群落组成发生了变化.微生物经固定化处理后,脱氮率高,有效期长;小球内固定化微生物总数和与脱氮速率呈正相关,其回归方程为y=-6.23×10-3 1.86×10-5x;固定化微生物处理可以显著降低水体的总氮、氨态氮和硝态氮的浓度,其含量分别是对照的40.8%、36.5%和45.9%.图3表1参10     

藻源性黑水团环境效应Ⅲ:对水-沉积物界面处Fe-S-P循环的影响

利用静态模拟实验装置研究了藻源性黑水团发生过程中沉积物表层上覆水和沉积物间隙水中Fe-S-P的变化过程.结果表明:加入藻细胞后很快形成厌氧、还原环境,使得沉积物中Fe-S-P发生强烈的生物地球化学变化;实验第1d,表层上覆水中的Fe2+、SO42-、S2-含量高达4.993,242.0,387.57mg/L,为对照样柱中的1.8倍、2.2倍和18.8倍;在沉积物4cm处其浓度分别为8.5,40.0,65.3mg/L.随后,沉积物表层上覆水中Fe2+、S2-含量表现出一个先快速增加、随后降低的趋势,其浓度分别在实验的第3,2d达到最大值为11.1,634.6mg/L. 沉积物中PO43--P浓度受Fe-P解析等具有滞后性,从实验的第2d后开始直至实验结束时表现为其含量持续增加,到实验结束时其浓度为39.450mg/L,为对照样柱中的242倍.上覆水和间隙水中Fe-S-P含量的变化,反映了藻华聚集形成的厌氧环境中发生了剧烈的生物地球化学反应,从而使得沉积物中形成的Fe2+、S2- 和 PO43--P不断向上覆水体中扩散,对形成黑水团的水体生态系统的恢复造成阻碍和不良影响.     

太湖蓝藻无害化处理资源化利用

针对太湖蓝藻打捞后难以处理并造成严重二次污染的问题,采用厌氧发酵方法研究了蓝藻发酵产生沼气的相关参数、发酵产物的成分、藻毒素降解特点;同时评估了太湖蓝藻无害化处理以及作为生物质能源、肥料的资源化利用可行性。研究结果表明,接种适量活性污泥后太湖蓝藻在厌氧状态下产生沼气达0.56L/g左右,比甲烷速率达189.73L/kg·d,调节碳氮比可以大幅度提高蓝藻产气量和比产甲烷速率。蓝藻发酵产生沼气的CH₄含量虽然处于动态变化,但平均含量较禽畜粪便发酵产生沼气的甲烷含量高,太湖蓝藻是一种有潜力的生物质能源材料。蓝藻藻毒素自然存降解极慢,但采用厌氧发酵后,藻毒素迅速降解。蓝藻发酵后沼液沼渣中含有丰富的氮、磷钾及氨基酸等营养,是一种优质的有机肥。     

蓝藻水华聚集对水葫芦生理生态的影响

蓝藻水华聚集后常会引起水体溶氧(DO)下降、水体环境恶化,从而对水生植物的生长产生影响.采用模拟实验,研究了在不超过25℃、5种不同浓度蓝藻聚集后,对水葫芦生长的影响及其生理响应变化,以期为减轻蓝藻聚集对植物不良影响和提高水体净化效果提供理论依据.结果表明,蓝藻聚集浓度低于60 g·L-1的处理中,随着蓝藻浓度的增加,水体的DO、p H下降,ORP值降低到100 m V左右,TN降低了58%~78%、TP降低了43%~68%、COD降低了59%~73%,植物叶片可溶性蛋白、可溶性糖、MDA含量增加;并且蓝藻浓度越高,MDA含量越高.在不同蓝藻浓度处理中,在低于60 g·L-1的蓝藻聚集下,水葫芦仍可以生长;超过60 g·L-1的处理中,DO、ORP大幅度降低,水体出现缺氧乃至厌氧状态,植物叶片中可溶性糖的含量随着实验的进行表现为先增加、后减小的变化趋势,表明随着蓝藻浓度的增加,水葫芦对水体中氮磷的吸收能力降低,蓝藻聚集将对其产生不可逆的胁迫.各处理中植物的根长、总长、鲜重与实验刚开始相比,都呈现增加的趋势,根长增加0.29~2.44倍,总长增加0.41~0.76倍,鲜重增加0.9~1.43倍,并且随蓝藻浓度的增加,根长、总长增加的幅度减小.因此在利用漂浮植物水体净化中,将避免蓝藻的严重聚集,从而更好地发挥其水体净化功能.     

藻华聚集的生态效应:对凤眼莲叶绿素和光合作用的影响

以凤眼莲为研究对象,模拟凤眼莲叶绿素和光合作用变化对不同蓝藻水华聚集影响的应答响应.通过深入研究藻华聚集后对水生植物的生理影响,以揭示藻华规模性暴发引起水生植物消亡的深层机制和更好地发挥植物的水体生态修复功能.结果表明,藻华聚集后2 h内溶氧会耗尽,水体中氧化还原电位值(ORP)降至-200 m V,添加60 g·L-1和120 g·L-1新鲜藻细胞的处理1、2中溶解性总氮(DTN)含量分别高达44.49 mg·L-1、111.32 mg·L-1,溶解性总磷(DTP)含量分别高达2.57mg·L-1、9.10 mg·L-1,植物根区NH+4-N含量增加至32.99 mg·L-1、51.22 mg·L-1,形成厌氧、强还原、高营养盐环境而对凤眼莲产生胁迫作用,植物叶片叶绿素浓度呈现先增加、后降低的变化趋势,处理2的叶片光合能力、气孔导度(以CO2计)则呈现快速下降,至实验结束时下降为3.95μmol·(m2·s)-1、0.088μmol·(m2·s)-1,同期对照组叶片光合能力、气孔导度分别为22μmol·(m2·s)-1、0.78μmol·(m2·s)-1,表明凤眼莲对环境胁迫有较强的光合应答响应;实验中发现处理1中老根系脱落、大量白色嫩根长出,处理2中老根系大量死亡、脱落,无白色新根长出,同时叶片发黄、枯焦开始死亡,表明在超过了凤眼莲的抗逆境能力后,就开始出现根系死亡、光合能力受到抑制,植物开始死亡,表明在藻华聚集后形成的水体生态环境恶化对凤眼莲产生重度胁迫,使植物生理功能受到抑制是导致植物死亡的主要原因之一.     

浮床水芹不同生长阶段水体活性物质代谢组学分析

为解析浮床水芹在不同生长阶段种植水中活性代谢物特征与差异,揭示水芹化感作用与环境微生物互作机制,对水芹种植水中代谢物进行定性定量研究十分必要.该研究利用非靶向代谢组学技术,采用LC-ESI-MS分析方法对水芹繁殖期、幼苗期、成熟期3阶段种植水中代谢物进行检测,结合多元统计和单变量统计方法筛选出主要代谢物和显著差异代谢物,并对环境修复相关代谢物进行了相关性分析.结果表明:①在不同生长阶段水芹种植水中共检测到306种代谢物,13种代谢物在各时期种植水中的相对含量均超过1%,其中包括甜菜碱、硬脂酸和芥酸酰胺等参与植物抗冻、化感作用和反硝化细菌富集过程的重要代谢物.②共112种代谢物在不同时期种植水中存在显著差异,化感作用代谢物硬脂酸和植物-根际微生物互作代谢物D-（-）-奎宁酸在各时期间均为显著差异代谢物.③相关性分析发现,硬脂酸、壬二酸、肉豆蔻酸、儿茶酚、3,5-二羟基苯甲酸、阿魏酸、水杨酸、咖啡酸和苯甲酸9种化感物质含量之间具有高度相关性（r>0.6,P < 0.01）,且在水芹幼苗期相对含量最高.研究显示,水芹种植水中存在至少23种环境修复相关代谢物,其中9种化感物质可能存在协同作用,幼苗期水芹更适于水芹提取物抑藻剂开发.