張 彬 羅本福 梅自良

（西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，四川成都 610039）

三峽工程的興建給防洪、發(fā)電、航運(yùn)等方面帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時，也對庫區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響.三峽水庫實(shí)現(xiàn)175 m蓄水后，庫區(qū)水位提升、水流放緩、水體擴(kuò)散能力減弱、庫灣和支流流域污染物的滯留時間延長，水域環(huán)境發(fā)生了顯著變化.特別受水庫回水頂托作用，庫灣和部分支流流域污染加重，局部水域已出現(xiàn)富營養(yǎng)化，水華暴發(fā)頻繁.2007年春季，三峽庫區(qū)澎溪河流域暴發(fā)了藍(lán)藻水華，藍(lán)藻門中的水華魚腥藻、類顫魚腥藻和水華束絲藻等為其優(yōu)勢群體[1,2].2008年三峽庫區(qū)香溪河流域在水華暴發(fā)期間，水華優(yōu)勢種表現(xiàn)出由河流型硅藻類向湖泊型藍(lán)藻、綠藻類演變的趨勢[3].此外，有研究者在對重慶主城區(qū)三峽水域優(yōu)勢藻種的演替及增殖行為進(jìn)行研究時曾推測，三峽成庫后最可能暴發(fā)的水華是藍(lán)藻水華或綠藻水華[4].隨著三峽水庫2009年完成175 m蓄水，支流庫灣區(qū)水體流速進(jìn)一步減緩，富營養(yǎng)化趨勢更加嚴(yán)重，一些主要支流水華現(xiàn)象也逐年加重，由此造成的庫區(qū)水域生態(tài)危害將更大，這已成為當(dāng)前三峽水庫突出的生態(tài)環(huán)境問題之一.因此，如何采取有效措施，防控庫區(qū)水華已迫在眉睫.

1 三峽庫區(qū)水華研究現(xiàn)狀

近年來，圍繞三峽水庫水華現(xiàn)象展開了大量的研究，主要集中在以下幾個方面：

一是通過對三峽水庫主要流域的水華現(xiàn)狀展開調(diào)查研究，分析成庫前后及水華期間藻類的群落結(jié)構(gòu)及演替特征，闡釋庫區(qū)水華特點(diǎn)[1,4-6].

二是從水體富營養(yǎng)化角度，分析庫區(qū)主要流域氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的來源、形態(tài)及輸入特點(diǎn)，重點(diǎn)從水體營養(yǎng)程度同水華形成關(guān)系，闡釋庫區(qū)水華成因及防控策略和手段[7-9].

三是通過野外調(diào)查及室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究典型優(yōu)勢藻種生長同主要環(huán)境因子的關(guān)系，著重分析水動力條件變化對藻類生長的影響[10-12].

從目前的研究報道看，研究者主要集中于庫區(qū)營養(yǎng)鹽狀態(tài)、水華成因、水華藻種種類組成、水華藻種的群落演替及主要水華優(yōu)勢種調(diào)查等幾個方面，并通過野外觀測和室內(nèi)模擬試驗(yàn)闡釋了主要環(huán)境因子（營養(yǎng)鹽特征，水動力條件等）對藻類生長和演替的影響.但尚缺乏對庫區(qū)水華防控措施深入系統(tǒng)的研究.

2 抑藻技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)抑藻技術(shù)

抑制藻類生長為實(shí)現(xiàn)水華防控的有效途徑之一，傳統(tǒng)除藻技術(shù)大體分為物理方法、化學(xué)方法和生物方法.目前在許多供飲用水水域（如水庫）應(yīng)用物理方法除藻比較多，主要包括微濾膜及活性炭除藻、黏土絮凝除藻、機(jī)械法及挖泥法除藻、超聲波除藻、隔離法除藻以及氣浮法除藻等.但物理法對低密度或底層藻類的殺滅效果不好，費(fèi)用高、操作時間長，并且難以大面積使用[13].化學(xué)方法主要通過向水體投放化學(xué)藥品（如硫酸亞鐵、硫酸銅和二氧化溴等）來抑制藻類的生長繁殖.此種方法雖然簡便易行，省時省力，但是并不能從根本上明顯改善水質(zhì).相反，隨著投藥量的增加，藥品種類的不斷更換，對環(huán)境的再次污染不斷加大，從而使水環(huán)境形成嚴(yán)重的惡性循環(huán)，如溶解氧降低、魚類死亡、生物多樣性減少等，嚴(yán)重地影響了生態(tài)系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)，甚至可能導(dǎo)致整個水生態(tài)系統(tǒng)癱瘓.另外，一些金屬離子（如Cu2+、Fe2+等）易在食物鏈中通過生物放大作用積累，給人類帶來危害[14].傳統(tǒng)生物方法抑藻主要是利用培養(yǎng)的生物或培育、接種生物的生命活動，對水體中的污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化、分解及轉(zhuǎn)移，從而使水體環(huán)境得到恢復(fù)的一種方法.目前很多供飲水水庫大多采用此種方法控藻.被用來除藻的生物主要有微生物和水生動物等[15].該法優(yōu)點(diǎn)是方法簡單，二次污染小.但該技術(shù)僅適用于微污染水域，而在藻密度較高的富營養(yǎng)化水體中，其較低的溶解氧水平不利于水生動物的生長繁殖.更為甚者，藻毒素又能在動物體內(nèi)大量富集，依附食物鏈傳遞危害人體健康，從而使其應(yīng)用受到了限制[15].

2.2 化感抑藻技術(shù)

由于現(xiàn)有藻類控制技術(shù)存在的固有缺陷，人們對新型高效、生態(tài)安全的藻類控制技術(shù)的探索一直沒有停止.1949年，Hasler等人首次發(fā)現(xiàn)了水生植物的化感抑藻作用，此后，化感抑藻作用及化感抑藻物質(zhì)的研究便為開發(fā)藻類控制技術(shù)提供了新方向.目前關(guān)于化感抑藻作用和抑藻物質(zhì)的研究已經(jīng)取得一些階段性的成果.

2.2.1 常見化感抑藻植物研究

目前發(fā)現(xiàn)的常見化感抑藻植物主要包括浮水植物（浮萍、紫萍、鳳眼蓮、水花生等）[16-18]，沉水植物（穗狀狐尾藻、金魚藻、苦草、伊樂藻、眼子菜等）[19-24]，挺水植物（馬蹄蓮、石菖蒲、蘆葦?shù)龋25-26]和陸生植物（大麥秸稈、美人蕉、稻殼、黃花蒿等）[27-29].

2.2.2 化感抑藻機(jī)理研究

目前化感抑藻機(jī)理研究主要包括對藻類光合作用的影響（通過破壞藻類葉綠素，減少藻類同化產(chǎn)物，破壞光合系統(tǒng)II等方面抑制藻類生長）[19,30-32]；對細(xì)胞膜的破壞（通過抑制膜ATP酶活性，改變膜滲透性及其內(nèi)外離子通道，破壞膜結(jié)構(gòu)，使其發(fā)生質(zhì)壁分離等作用來殺死藻細(xì)胞，降低藻細(xì)胞數(shù)量，抑制藻類的生長）[33,34]；影響酶活性（主要通過改變藻細(xì)胞中超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性及增加膜脂過氧化產(chǎn)物（MDA）的含量使得細(xì)胞內(nèi)活性氧水平增加，破壞藻細(xì)胞的抗氧化系統(tǒng)，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡和生物量減少）[19,35-37]；對細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響（通過破壞細(xì)胞膜，傷害膜質(zhì)系統(tǒng)，從而進(jìn)一步作用于膜內(nèi)的擬核、葉綠體、線粒體、內(nèi)含物及細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)，使得藻細(xì)胞死亡量增加，以達(dá)到控制藻類生長的目的）[38]；影響細(xì)胞的基因表達(dá)（誘導(dǎo)藻細(xì)胞內(nèi)某些基因表達(dá)上調(diào)，通過阻止DNA翻譯和轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行來抑制蛋白質(zhì)的合成及細(xì)胞的有絲分裂等方面）[39].

2.2.3 化感抑藻物質(zhì)研究

目前研究發(fā)現(xiàn)的常見化感抑藻物質(zhì)主要有有機(jī)酸、酚酸類、脂肪族化合物、多酚類、萜類和芳香族化合物等；主要的分離鑒定方法有有機(jī)溶劑萃取法、色譜法、層析法、質(zhì)譜法、氣質(zhì)和液質(zhì)聯(lián)用法、紅外光譜法、核磁共振法等[20,24,25,38].

3 三峽庫區(qū)禾本科植物抑藻探討

3.1 可行性分析

筆者在參與國家水體污染控制與治理科技重大專項-子課題“消落帶污染負(fù)荷特征及其對水環(huán)境影響研究”（編號“2008ZX07104-003-02”）的工作中曾發(fā)現(xiàn)，禾本科植物牛鞭草為三峽水庫消落帶主要岸生植物.在冬季蓄水期間，其被水體淹沒后仍能存活但生長緩慢[40]；春季氣候回暖，開始大量生長繁殖.且有研究表明，牛鞭草能分泌酚酸類化感物質(zhì)[41]；酚酸類化感物質(zhì)對水華魚腥藻生長有抑制作用[38,42].而藍(lán)藻門中的水華魚腥藻在庫區(qū)水華暴發(fā)期間可成為優(yōu)勢藻種[1,2].從藍(lán)藻生長的幾個階段來看，三峽水庫冬季蓄水，此時水溫較低，藻類通常處于休眠狀態(tài)，同時牛鞭草也生長緩慢.而來年春季氣候回暖，藻類開始復(fù)蘇，通常藻類處于復(fù)蘇階段的控藻效果比水華暴發(fā)期更有效.且氣候回暖后，牛鞭草也開始大量生長繁殖，而此時的牛鞭草分泌的化感物質(zhì)有可能更多.因此，在三峽水庫這種特殊的水利運(yùn)行方式和牛鞭草這種獨(dú)特的生境變化條件下研究其化感抑藻作用有一定的可行性[43].

3.2 研究實(shí)施方案

具體研究可考慮從以下三個方面展開相關(guān)研究工作：1）采用共培養(yǎng)法研究消落帶常見禾本科植物牛鞭草對水華魚腥藻的化感作用；2）分離純化化感物質(zhì)，鑒定其結(jié)構(gòu)；3）通過分析化感物質(zhì)對藻類光合作用、酶活性、基因表達(dá)及超微結(jié)構(gòu)等方面的影響，闡釋化感作用機(jī)制.

3.2.1 室內(nèi)共培養(yǎng)試驗(yàn)

將一個有機(jī)玻璃缸分成兩部分，玻璃缸中加入培養(yǎng)液，中間用0.45 μm（或0.22 μm）的玻璃纖維濾膜分隔，一部分培養(yǎng)供試植物（牛鞭草），另一部分培養(yǎng)受體生物（水華魚腥藻）（對照組不接種牛鞭草），定期測定受體生物的生長狀況指標(biāo)，并計算抑制率.為避免二者間的營養(yǎng)競爭，定期向培養(yǎng)容器內(nèi)添加培養(yǎng)液，以補(bǔ)償消耗的營養(yǎng)鹽.該培養(yǎng)體系中供試的兩種生物不直接接觸，但分泌的化感物質(zhì)可以通過玻璃纖維濾膜自由通過，且該系統(tǒng)完全排除了光遮擋和直接接觸等因素的干擾.并將玻璃缸置于光照培養(yǎng)箱中，達(dá)到控制環(huán)境條件的目的.整個培養(yǎng)體系處于無菌室中.

3.2.2 化感物質(zhì)的分離純化及鑒定

首先采用有機(jī)溶劑萃取樣品材料，然后選取一定體積的硅膠柱進(jìn)行分離，通過抑藻活性實(shí)驗(yàn)確定活性組分，進(jìn)一步采用合適途徑如硅膠柱層析，凝膠柱層析，反相硅膠柱層析，制備薄層色譜等手段分離提取活性組分，最后將提取的較純物質(zhì)通過氣質(zhì)或液質(zhì)聯(lián)用，紅外光譜，核磁共振等手段鑒定其成分及結(jié)構(gòu).

3.2.3 光合作用、酶活性、MDA含量、基因表達(dá)及超微結(jié)構(gòu)的測定

取一定量分離純化后的化感物質(zhì)加入到藻類培養(yǎng)液中，研究化感物質(zhì)對水華魚腥藻的抑制機(jī)理.其中光合作用通過測定葉綠素a含量、藻膽蛋白含量、光合系統(tǒng)II來反映.酶活性SOD的測定采用改進(jìn)的氮藍(lán)四唑（NBT）光化學(xué)反應(yīng)法，POD采用改良聯(lián)苯胺染色法測定，CAT通過測定H202的消失來測定，COD采用二甲基對苯二胺染色法測定；MDA含量的測定采用硫代巴比妥酸方法；基因表達(dá)測定參照Qian et al（2008）方法，超微結(jié)構(gòu)的測定通過對藻細(xì)胞進(jìn)行緩沖液淋洗，固體瓊脂固定，Epn812環(huán)氧樹脂浸透、包埋，LKB超薄切片機(jī)切片，最后進(jìn)行雙染色，投射電鏡下觀察其結(jié)構(gòu)變化.

4 開展三峽庫區(qū)禾本科植物控藻的重要意義

植物抑藻化感物質(zhì)是其生長過程中產(chǎn)生的代謝物質(zhì)，通?？梢栽谧匀粭l件下分解，難以在生態(tài)系統(tǒng)中積累，生態(tài)安全性好.在人類極力倡導(dǎo)食品安全的今天，在大型水庫、河流及養(yǎng)殖水域等水體利用化感抑藻技術(shù)改善水質(zhì)，無疑是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ纳鷳B(tài)模式，具有良好的應(yīng)用前景[19,38].然而近年來，關(guān)于水生生物（主要指水生植物及浮游藻類）對藻類的化感抑制作用報道較多，實(shí)驗(yàn)室研究以及現(xiàn)場試驗(yàn)也主要發(fā)現(xiàn)微藻、大型藻類和高等水生植物能產(chǎn)生并釋放具有一定化感作用的活性物質(zhì).而關(guān)于禾本科植物對藻類的化感作用鮮有報道，利用禾本科植物抑制三峽庫區(qū)水華藻類的研究尚屬空白.本研究方案的提出，可以填補(bǔ)禾本科植物牛鞭草對藻類化感作用研究的空白，并進(jìn)一步為開展化感抑藻技術(shù)有效防控三峽庫區(qū)水華等研究提供參考.

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