多層級生物操縱技術在人工濕地控制藍藻的應用研究

李燕萍 夏晴晴 程花 趙玨

摘要 通過野外圍隔試驗建立多層級高效生物食物鏈調控水質和消除藍藻，尋找出合理的控藻生物比例。再將該技術應用到貢湖灣人工濕地，探索多層級生物操縱技術+人工濕地技術控制藍藻的效率。結果表明，當控藻生物鰱魚、銅銹環棱螺、褶紋冠蚌、河蜆的比例為4∶5∶20∶40時，30 d后葉綠素a消除率達到97.12%，水體營養鹽TN、TP和NH3N濃度分別下降了73.63%、57.44%和74.44%，說明合理的多層級控藻生物比例對水體中營養鹽和藻類均有顯著的消除作用。該控藻生物比例應用到貢湖灣人工濕地試驗12 d后，藍藻消除效率達到99.8%，試驗14 d后藍藻生物量比人工濕地原有藍藻量降低6.1%，說明利用“多層級生物操縱技術+人工濕地技術”結合的方法能有效控制藍藻，為解決貢湖湖濱帶內藍藻提供了一種安全有效的手段。

關鍵詞 控藻生物;圍隔試驗;人工濕地技術;藍藻

中圖分類號 S181.3文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）15-0081-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.15.023

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract Through field enclosure experiments，a multilevel highefficiency biological food chain was established to regulate water quality and eliminate Cyanobacteria，and a reasonable proportion of algaecontrolling organisms was found.Then，this method was applied to the constructed wetland of Gonghu Bay to explore the efficiency of controlling Cyanobacteria by multilevel biological manipulation technology and constructed wetland technology.The results showed that when the proportion of Hypophthalmichthys molitrix，Bellamya aeruginosa，Cristaria plicata and Corbicula fluminea? was 4∶5∶20∶40，the chlorophyll a elimination rate reached 97.12% after 30 days，and the water nutrient salt TN，TP The concentration of NH3N decreased by 73.63%，57.44% and 74.44%，respectively，indicating that the proportion of rational multilevel algae control organisms could significantly eliminated nutrients and algae in water.After 12 days of application of this algaecontrolling organism to the constructed wetland of Gonghu Bay，the Cyanobacteria elimination efficiency reached 99.8%.After 14 days，the Cyanobacteria biomass decreased by 6.1% compared with the original quantity of the constructed wetland.It showed that the combination of multilevel biological manipulation technology and constructed wetland technology could effectively control Cyanobacteria and provide a safe and effective means for solving Cyanobacteria in the lakeside zone of Gonghu Lake.

Key words Algaecontrolling organisms;Enclosure experiments;Constructed wetland technology;Cyanobacteria

基金項目 江蘇省政策引導類計劃（國際科技合作）——重點國別及機構產業技術合作項目（BZ2017004）。

作者簡介 李燕萍（1980—），女，江蘇無錫人，碩士，工程師，從事環境監測與分析工作。*通信作者，碩士，工程師，從事水生態修復與治理研究。

收稿日期 2019-02-25

貢湖是太湖的重要組成部分，在太湖的東北部，處于夏季偏南風為主導風向的下風區。近年來，受太湖富營養化、藍藻水華[1]的影響，湖濱帶內有大量藍藻堆積，難以清除，導致湖濱帶水質惡化，水生生物死亡，生態系統受到嚴重破壞[2–3]。針對貢湖湖濱帶內藍藻堆積嚴重的問題，目前多采取藍藻攔截[4]、人工打撈或者化學藥劑應急除藻的方法。而這些物理和化學[5–6]手段不但不能從根本上達到治理水體富營養化的目的，而且勞動負荷高、會對水體造成二次污染。為此，采取安全有效、從根本上防治水體富營養化的生物調控措施十分必要[7]。大量探索和實踐表明，生物操縱技術[8-9]、人工濕地技術[10-11]在控制藻類、改善水質和生態環境方面取得了較好效果。該研究基于生物操縱理論提出利用多層級高效生物食物鏈調控水質和消除藍藻，篩選合理的控藻生物比例，并將該技術應用到貢湖灣人工濕地區（位于貢湖東北岸），結合人工濕地的特征，形成“生物操縱技術+人工濕地技術”有機結合的方法來控制藍藻，為有效改善太湖水質、增加水體透明度以及早日實現湖濱帶的生態系統恢復提供有利手段。

1 材料與方法

1.1 多層級生物操縱野外試驗材料與方法

（1）野外試驗材料。

①控藻生物。鰱魚、銅銹環棱螺、河蜆、褶紋冠蚌，建立多層級的高效控藻食物鏈。

②野外試驗圍隔。圍隔設在貢湖灣小溪港小模型內，將小模型內原有水體抽出，從外太湖抽入帶有藻類水體;在小模型內用不透水的聚乙烯材料、木樁制成1個對照組圍隔和9個試驗組圍隔，共10個圍隔，圍隔大小2.0 m×1.5 m，水深1.5 m。

（2）試驗方法。野外試驗時期為8月，水溫為25～30 ℃，水位基本穩定。該研究設計圍隔內藻類平均密度為8 900萬個/L，利用4種控藻生物（因素A～D）、3個不同密度水平（水平1～3）進行正交試驗。根據正交試驗組合，分別向1～9#圍隔內投放不同密度的4種控藻生物，其中采用網袋和浮球掛養河蚌;0#圍隔為對照組不投放控藻生物。4種控藻生物不同水平密度設計見表1。0～9#圍隔正交試驗組合分別為：對照組、A1B1C1D1、A1B2C2D2、A1B3C3D3、A2B1C2D3、A2B2C3D1、A2B3C1D2、A3B1C3D2、A3B2C1D3、A3B3C2D1。

1.2 控藻生物在人工濕地控制藍藻試驗材料與方法。

（1）試驗材料。①控藻生物。鰱魚、銅銹環棱螺、褶紋冠蚌、河蜆。②人工濕地試驗區。選擇在貢湖灣人工濕地與外太湖連接處7#橋北側;試驗區內布設圍隔，面積為600 m2。

（2）方法。試驗時期為6月，水溫19～27 ℃，水位基本保持不變。打開7#橋閘門，從外太湖灌入藍藻到圍隔內，藍藻平均密度12 800萬個/L，按照魚：螺∶蚌∶蜆=4∶5∶20∶40比例投放控藻生物。試驗周期為2周，試驗區內布設6個監測點位、每2 d監測一次藍藻密度，通過測定試驗前后人工濕地試驗區內藍藻密度變化，研究多層級生物操縱技術在人工濕地技術協同作用下消除藍藻的效率。

1.3 水樣采集與分析

（1）水質參數。該次試驗水質參數中氨氮、總磷、總氮、溫度等的測定采用《水和廢水分析監測方法（第四版）》中所規定的國家標準分析方法。

（2）葉綠素a濃度。采用三波長測定法測定[12]。即在一定壓力下，用醋酸纖維酯微孔濾膜（孔徑為0.45 m）對一定體積的藻液進行過濾，然后將濾膜放入10 mL離心管中，加入90%的丙酮10 mL，用渦旋混合儀使其充分振蕩，放置冰箱內提取24 h，然后置于冰凍離心機上4 500 r/min離心10 min，移取上清液于1 cm比色皿中，用分光光度計測定750、663、645和630 nm處的吸光度，以90%丙酮溶液作為參比，按公式得出葉綠素a含量。

（3）藻密度。計數方法采用顯微鏡法[13]，計數不同類型細胞群體數量和群體大小。浮游植物數量計算公式為N=A×Vs×n/Ac×Va。其中，N為每升原水樣中的浮游植物數量（個/L）;A為計數框面積（mm2），一個視野的實際面積為0.196 349 mm2;Vs為1升原水樣沉淀濃縮后的體積（mL）;n為計數所得浮游植物的數目;Ac為計數面積（mm2）;Va為計數框的體積（mL）;標準情況下Va為0.1 mL，Vs通常為100 mL，A為400 mm2。

（4）葉綠素a消除率。計算公式為：葉綠素a消除率=（C0-Ct）/C0×100%，式中，C0代表試驗時間為t時對照組中葉綠素a的濃度（μg/L）、Ct代表試驗時間為t時試驗組中葉綠素a的濃度（μg/L）。

（5）藻類消除率。計算公式為：藻類消除率=（D0-Dt）/D0×100%。式中，D0為藻類初始密度（萬個/L）、Dt代表試驗時間為t時試驗組中藻類密度（萬個/L）。

2 結果與分析

2.1 多層級生物操縱技術對圍隔水體內藍藻的消除作用 由圖1和表2分析可知，試驗期間對照組葉綠素a濃度變化范圍為250～330 μg/L，試驗組葉綠素a濃度較對照組都有明顯的消減，尤其是4#試驗組葉綠素a濃度降低變化顯著， 30 d后葉綠素a含量消除率達到97.12%。混養貝類（螺、蚌、河蜆）和魚類形成多層級的濾食藻類生物群落，協同作用有效抑制水體藻類濃度，合理的控藻生物比例（魚∶螺∶蚌∶蜆=4∶5∶20∶40）對藻類的去除效率最顯著，在該試驗條件下基本能消除圍隔內的藻類。而貝類和魚類密度過高或比例不合理時，加劇種內競爭，導致藻類的攝食受到影響，降低對藻類的去除效率。

2.2 多層級生物操縱技術對圍隔水體內營養鹽的影響 不同試驗時間內水體內營養鹽濃度變化見圖2～7。由圖2～7分析可知，空白對照組以及不同試驗組中氮、磷營養鹽濃度均有不同程度下降，且試驗組4#對水體中氮、磷營養鹽消除作用顯著，試驗30 d后水體營養鹽TN、TP和NH3N濃度分別下降了73.63%、57.44%和74.44%，這是因為水中氮、磷等營養鹽被浮游藻類吸收利用，貝類和魚類通過攝食作用將藻體中氮、磷營養鹽向水底層轉移，從而有效降低水體中營養鹽濃度，達到了調控水質的目的。而其他試驗組對水體中氮、磷營養鹽消除速率逐漸降低，這可能與不合理比例控藻生物種內競爭增大，對藻類的攝食作用下降有關，也可能與高密度底棲貝類的排泄物增多以及生物擾動作用增強有關。Li等[14]研究證實了高密度底層的貝類排泄物增加了水體氮磷營養負荷;陳聚法等[15]研究證實了貝類的生物擾動作用對底質營養鹽有明顯的促釋放作用。

47卷15期李燕萍等 多層級生物操縱技術在人工濕地控制藍藻的應用研究

2.3 多層級生物操縱技術在人工濕地控制藍藻中的應用 由表3分析可知，投放控藻生物后，人工濕地試驗區內藍藻密度發生了顯著變化，藍藻密度均逐漸降低。試驗12 d后藍藻密度基本恢復到未灌入藍藻前（試驗前），藍藻消除效率達到99.8%;試驗14 d后藍藻密度降低至18.6萬個/L，比原人工濕地內藍藻平均密度（19.8萬個/L）下降了6.1%，藍藻得到全部消除并同時消除了人工濕地區內原有的少量藍藻。由此可見，多層級高效生物操縱技術在人工濕地內能有效控制和消除藍藻，比單一控藻生物的消除效率高[16-17];并且比小圍隔內藍藻消除速率高，這是因為人工濕地內粗礫石等基質對磷具有吸附和過濾作用、大量沉水植物能夠吸收水體內的氮、磷[18-20]，進而加快對藍藻的消除作用。該多層級生物操縱技術增強了濕地的生態功能，與貢湖灣人工濕地技術協同作用可實現對太湖藍藻水華的控制和消除。

4 結論

（1）野外小圍隔試驗控藻生物鰱魚、銅銹環棱螺、褶紋冠蚌、河蜆的比例為4∶5∶20∶40時，30 d后葉綠素a消除率達到97.12%，水體營養鹽TN、TP和NH3N濃度分別下降了73.63%、57.44%和74.44%，說明合理比例的多層級控藻生物能夠有效調控水質和消除藍藻。

（2）合理比例的控藻生物應用到貢湖灣人工濕地試驗12 d后，藍藻消除效率達到99.8%，試驗14 d后藍藻生物量比人工濕地原有藍藻量降低6.1%，多層級生物操縱技術在人工濕地技術協同作用下能有效控制和消除藍藻。

（3）多層級生物操縱技術增強了人工濕地的生態功能，結合人工濕地的特征，形成“生物操縱技術+人工濕地技術”有機結合的方法來控制藍藻，為解決貢湖湖濱帶內藍藻提供了一種安全有效的手段。

參考文獻

[1]秦伯強，胡維平，陳偉民，等.太湖水環境演化過程與機理[M].北京：科學出版社，2004.

[2]BURKERT U，HYENSTRAND D，DRAKARE S，et al.Effects of the mixotrophic flagellate Ochromonas sp.on colony formation in Microcystis aeruginosa[J].Aquatic ecology，2001，35（1）：9-17.

[3]QIN B Q，XU P Z，WU Q L，et al.Environmental issues of Lake Taihu，China[J].Hydrobiology，2007，581（1）：3-14.

[4]李敦海，汪志聰，秦紅杰，等.藍藻水華的攔截和陷阱捕獲綜合控藻技術研究[J].長江流域資源與環境，2012，21（Z2）：45-50.

[5]CHEN S Y，WU Z M，YU W B，et al.Formation，harmfulness，prevention，control and treatment of waters eutrophication[J].Environ Sci Technol，1992（2）：11-15.

[6]武燕杰，萬紅友，闞靈佳.湖泊富營養化的生物修復及其展望[J].環保科技，2008，14（1）：45-48.

[7]CHAPIN F S，BRAIN H W，RICHARD J H.Biotic control over the function of ecosystems[J].Science，1997，277：500-504.

[8]此里能布，毛建忠，黃少峰.經典與非經典生物操縱理論及其應用[J].生態科學，2012，31（1）：86-90.

[9]賈柏櫻，馬華.生物操縱技術控制原水藻類的應用研究[J].中國給水排水，2017，33（9）：11-15.

[10]王平，周少奇.人工濕地研究進展及應用[J].生態科學，2005，24（3）：278-281.

[11]LIN Y F，JING S R，LEE D Y，et al.Nutrient removal from aquaculture wastewater using a constructed wetlands system[J].Aquaculture，2002，209：169-184.

[12]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.

[13]WANG Z C，LI G W，LI G B，et al.The decline process and major pathways of Microcystis bloom in Taihu Lake，China[J].Chinese journal of oceanology and limnology，2012，30（1）：37-46.

[14]李金，董巧香，杜虹，等.柘林灣表層沉積物中氮和磷的時空分布[J].熱帶海洋學報，2004，23（4）：63-71.

[15]陳聚法，趙俊，孫耀，等.桑溝灣貝類養殖水域沉積物再懸浮的動力機制及其對水體中營養鹽的影響[J].海洋水產研究，2007，28（3）：105-111.

[16]郎宇鵬，朱琳，劉春光，等.鰱魚對淡水浮游植物的抑制作用研究[J].農業環境科學學報，2006，25（S2）：683-686.

[17]費志良，吳軍，趙欽，等.三角帆蚌對藻類濾食及消化的研究[J].淡水漁業，2006，36（5）：24-27.

[18]林文周，李瑩瑩.人工濕地在水體富營養化治理中的應用[J].環境保護工程，2012，30（4）：98-100.

[19]李旭東，周琪，張榮社，等.三種人工濕地脫氮除磷效果比較研究[J].地學前緣，2005，12（S1）：73-76.

[20]侯長定，柯凡，侯易辰.復合人工濕地凈化撫仙湖入湖河水的效果研究[J].生態科學，2015，34（5）：99-104.