湖泊富营养化发生机制与控制技术及其应用

从湖泊富营养化的自然演化、湖泊沉积物中营养盐的释放及其内源污染机制、湖泊蓝藻水华暴发机理和湖泊富营养化控制与治理等方面进行了回顾与总结. 特别是围绕占中国淡水湖泊总数达70%左右的浅水湖泊富营养化机制与控制进行了探讨. 研究表明, 自然条件下湖泊也有可能富营养化, 特别是浅水湖泊更容易富营养化. 推断其原因可能与洪水有关. 浅水湖泊中的沉积物在风浪作用下发生悬浮, 致使沉积物中大量的营养盐释放出来并进入上覆水, 为生物生长所利用, 这是浅水湖泊内源污染负荷较深水湖泊重的原因所在. 蓝藻水华暴发是湖泊富营养化之后生态系统的一种异常响应, 其发生的原因与湖泊物理环境如光照(或透明度)、温度和适宜的水动力条件有关, 也与湖泊化学环境, 如氮、磷浓度及其氮、磷比值等有关, 还有形成水华的蓝藻本身的某些生理特性有关, 如伪空泡及抗拒紫外伤害的能力, 从而在对光照和营养盐的竞争中处于优势地位等特性, 这种竞争优势在浅水湖泊中尤为明显. 而浅水湖泊“水浅”的特性, 也使得营养盐负荷和蓝藻水华的控制难度加大. 对于湖泊富营养化的治理与控制应该遵循控源、湖泊生态修复和流域管理的原则. 对于湖泊沉积物中营养盐释放导致的内源污染控制, 既可以采用物理化学的方法、机械的方法和生物的办法, 甚至是仿水生植物的方法. 实施湖泊生态修复, 就是把富营养化的藻型湖泊生态系统转化为草型生态系统. 要实现这样的改变, 必须首先改善环境条件. 在现阶段, 把生态修复的重点放在水生植物种植上是有盲目性的, 而应该放在环境改善上. 由于各个湖泊类型不同, 因此, 各种治理的技术应该结合具体的情况来实施.     

太湖蓝藻水华“暴发”的动态特征及其机制

湖泊富营养化和有害藻类水华是目前全世界普遍面临的水域生态环境问题.太湖是典型的大型浅水富营养化湖泊,其富营养化导致的蓝藻水华"暴发"常常呈现时间和空间上的高度变异与不稳定性.以往的研究,无论是国际上流行的光合作用调节的藻类细胞上浮与下沉,还是国内流行的蓝藻水华"暴发"四阶段理论,都无法很好地解释太湖蓝藻水华"暴发"的时空动态变化特性.本文基于对太湖多次的野外观测与模拟实验,提出了关于太湖蓝藻水华"暴发"的全新概念性解释.在蓝藻细胞生长阶段,营养盐、温度、光照等环境因素影响较为显著,决定了蓝藻生物量的多少,为蓝藻水华"暴发"蓄积物质基础;在蓝藻水华暴发阶段,则主要受蓝藻细胞(团)浮力作用与水动力湍流作用的共同影响,决定了蓝藻水华出现后的规模、范围及位置.野外调查显示,在太湖这样的大型浅水湖泊,风浪作用条件下蓝藻细胞(团)在水柱中呈均匀分布;而当风浪消失后,蓝藻细胞(团)即迅速上浮形成水体表面可见的水华.蓝藻颗粒的上浮速度随着细胞团的增大而加快,适度的扰动促使蓝藻细胞团碰撞而形成更大的细胞团,更容易在水动力消失后快速上浮形成水华.湖流的辐合辐散是蓝藻水华上浮后形成可见的斑块形状、位置、漂移和聚集的决定因素.正是太湖地区风场高度多变与不稳定,才导致太湖蓝藻水华"暴发"的时空分布呈现多变的动态特征.上述研究结果澄清了长期以来一直困扰人们的太湖蓝藻水华难以监测、无法防控的问题,为蓝藻水华监测、预测预警、防控及应对措施的制定提供了科学的理论依据.     

蓝藻水华与淡水鱼类的生态相互作用研究进展

鱼类是淡水生态系统的重要组成部分.近年来水体富营养化和蓝藻水华暴发导致的水环境恶化、适宜栖息地丧失等生态问题,对鱼类生存及渔业经济带来巨大威胁和影响.蓝藻和鱼类的生态作用是相互的,利用鱼类调控蓝藻过度增长的生物操纵技术在某些富营养化水体治理过程中取得了一定效果.在此背景下,全面评估蓝藻水华对淡水鱼类种群的影响,以及鱼类对蓝藻生长的控制与驱动效应,是进一步推进淡水生态系统治理与保护研究的关键.本文系统归纳分析了蓝藻水华对淡水渔业的危害、有害蓝藻及其次生代谢产物对鱼类的毒性效应以及鱼类对蓝藻的生态调控作用,并对未来的重点研究方向进行展望,提出复杂蓝藻生物质或原位蓝藻水华对鱼类影响的综合效应和相关的水生态风险评价将是未来研究的重点.生物操纵技术的可行性应依据所治理水体的基本环境和生物特征,结合具体实践进行判断和决策.本文旨在为蓝藻水华的生态风险评估、淡水鱼类资源的保护,以及水生态环境的改善提供科学依据.     

湖泊富营养化及其生态系统响应

我国是一个多湖泊的国家.其中约三分之一是淡水湖泊,主要分布在长江中下游地区.这些湖泊中的绝大部分已处于中营养或富营养水平.湖泊富营养化是当前我国湖泊面临的主要生态环境问题之一.湖泊富营养化后会导致一系列的生态系统异常响应.这些响应包括沉水植物消亡、蓝藻水华频发、微生物的生物量与生产力增加,生物多样性下降,营养盐的循环与利用效率加快等.整个湖泊生态系统,也会伴随着富营养化的发展,呈现出生物多样性下降、生物群落结构趋于单一、生态系统趋于不稳定的现象.在浅水湖泊中,还会进一步导致从"清水态"的草型生态系统,逐步转换为"浑水态"的藻型生态系统.生态系统的这种演替机制,推测是水生植物与浮游植物利用营养盐的效率不同所致.而对于严重富营养化的湖泊,生态系统最终的演替趋势则是从浮游植物为主的自养型湖泊转化为以微生物、原生动物等为主的异养型湖泊.     

水环境富营养化与微囊藻毒素污染

水是生命之源，人类和千千万万的物种都要仰赖淡水的哺育。全世界的淡水资源仅占总水量的2．5％。而人类真正能够利用的淡水资源只有江河、湖泊和地下水中的一部分。1950年代后，因水环境污染而导致的水体富营养化日益严重，富营养化水体中日趋普遍的蓝藻“水华”以及随之而来的藻毒素污染已成为全球关注的环境问题。世界各地发生的“水华”所造成的藻毒素污染常常以各种构型的微囊藻毒素为优势毒素。     

小资料

湖泊是由湖盆、湖水和水中所含物质……矿物质、溶解质、有机质和水生生物等组成的统一体。湖泊是在一定的地理环境下形成和发展的，并且与环境诸因素之间进行着相互作用和影响。但是，不论湖泊是怎样形成的、它都必须具备两个最基本条件：一是洼地即湖盆，二是湖盆中所蓄积的水体湖盆是湖水赖以存在的前提，而湖盆的形状和特性不仅可以直接或间接地反映湖泊是怎样形成和演变的，而且在很大程度上还决定着湖水的物理化学性质和生物种类，因此在地理学中通常以湖盆的成因作为湖泊分类的主要依据。近年来在湖泊分类时又考虑到致使湖盆积水的主…     

死亡海域

死亡海域是海洋中的一种污染现象,在特定海域由于富营养化,使某些单细胞藻类和细菌迅速过度繁殖导致缺氧,致使鱼类和大型无脊椎动物大量死亡的海域。死亡海域不仅造成的海域内生物大量死亡,同时对人类健康也带来威胁。 随着全球气温的上升,引起的海水温度升高也是造成死亡海域的原因之一。截止到2007年,世界各大洋已发现死亡海域220个。大部分集中在北半球,这与区域密集型农业生产活动有一定关系。 中国沿海,如长江口、珠江口附近海域和青岛近岸也发现了死亡海域。2007年春季,江苏无锡的太湖、巢湖等淡水湖泊也发生了同样原因的污染现象。     

岩溶湖库生产力的溶解无机碳施肥及碳增汇和富营养化缓解效应

内陆水体在全球碳循环中的作用日益受到关注,特别是喀斯特地表水体与水生光合作用有关的生物泵(biological pump, BP)将溶解无机碳(dissolved inorganic carbon, DIC)转化为有机碳沉积,是形成长期稳定碳酸盐风化碳汇的关键.富营养化作为BP的特殊阶段,是地表水环境面临的主要环境问题之一.然而,通常认为富营养化的控制元素是磷(P)和氮(N),而BP的控制元素还包括碳(C),如喀斯特湖库尽管DIC浓度高,但其碱性环境使得水中的CO₂ 很低,因此BP效率受到C限制.同时BP产生的碳酸钙促进了水中P的共沉淀,缓解了水体向蓝藻型富营养化的发展,可能促成水质安全和水体碳增汇的双赢.未来需通过对不同气候(温度、降水差异)、不同土地利用(N-P营养输入差异)和不同岩性(碳酸盐岩-硅酸盐岩风化产生pH和DIC差异)条件下的喀斯特地表水体BP的DIC施肥及其碳增汇和富营养化缓解效应进行系统研究,重点揭示以下关键科学问题:(1) DIC对BP施肥的机制及控制因素;(2)水体C:N:P:Si与浮游-沉水植物群落结构/组成的耦合关系及机制;(3) DI...     

美国湖泊富营养化的研究和治理

纵观全球 ,几乎所有的湖泊及其他娱乐水体都存在富营养化问题 ,而藻类的水华爆发则是许多富营养化了的湖泊和水体面临的挑战 .藻类是依靠光合作用产生能量的水生生物 ,它既能产生大部分人类需要的氧气也能产生大面积有害的赤湖 .因此对藻类特别是对有害藻类的控制受到国内外有关专家的重视 .     

长江中下游典型湖泊富营养化演变过程及其特征分析

通过对长江中下游典型湖泊水环境资料的分析得出, 湖泊富营养化是指湖泊由于营养元素的富集导致湖泊生态系统的退化进而使水质恶化的过程, 湖泊生态系统的演变、水质类别的变化均与湖泊营养水平的演化耦合良好, 进而提出湖泊富营养化概念模型, 并将湖泊状态分为10类, 据此对长江中下游典型湖泊富营养化过程进行分析. 结果显示, 以鄱阳湖为代表的大型过水吞吐型湖泊是由20世纪80年代以前的湖泊状态1演化到80年代以后的湖泊状态2, 以太湖为代表的大中型浅水湖泊是由60年代的湖泊状态1~2演化到80年代的湖泊状态8再演化到90年代的湖泊状态9, 以洪湖为代表的中小型浅水湖泊是由60年代的湖泊状态1演化到80年代以后的湖泊状态2, 以东湖为代表的城市(郊)小型湖泊是由60年代的湖泊状态2演化到70年代以后的湖泊状态9, 其中以鄱阳湖、洪湖和太湖为代表的不同类型湖泊进入中营养水平的关键转型期是80年代, 太湖进入富营养水平的关键转型期是90年代, 以东湖为代表的城市(郊)小型湖泊进入富营养水平的关键转型期则是70年代. 因而, 不同典型湖泊的营养演化序列是类似的, 然而营养演化过程并不是同步的, 这与湖泊流域不同的人文和自然条件驱动机制有关. 其中, 经济的发展引起了一定的水环境的负效应, 在发展经济的同时应保护湖泊水生态环境, 才可实现可持续发展. 湖泊富营养化概念模型的研究还可为长江中下游湖泊的生态修复提供相应的生物目标与化学目标.     

柴达木察尔汗湖贝壳堤剖面长链支链烷烃及其古环境意义

系统地分析了中国柴达木盆地察尔汗湖贝壳堤剖面中的生物标志化合物, 在古湖泊沉积中检测出含季碳的长链支链烷烃A~C系列化合物, 分别被确定为5,5-二乙基烷烃、6,6-二乙基烷烃、5-丁基, 5-乙基烷烃系列, 它们的相对丰度表现为A > B > C. 根据A, C系列为奇数碳分布, B系列为偶数碳分布, A系列的高值区域对应于B和C系列的高值区域的特征, 认为A, B和C来自相同生物源. 根据在剖面下部A系列丰度较低, 而在剖面上部湖泊咸化过程中A系列丰度较高来判断, 该系列化合物来自更适宜湖泊咸化过程中所存在的某种喜热的菌藻类. 从研究剖面变化趋势来看, 湖泊早期输入的有机质成熟度较高, A系列C23为主峰, 湖泊发育和晚期低成熟有机质比较丰富, 其主峰碳有向高碳数转移的趋势. 在剖面中A25/nC25比值在湖泊发育过程中其相对丰度存在明显差异, 反映了柴达木盆地该阶段湖泊演化过程与气候环境的特殊性, 表明这类支链烷烃的分布特征可能记录了湖泊演化历史过程中的环境信息, 这对恢复与重建剖面记录的气候环境具有十分重要的意义.     

水生植被对富营养化湖泊生态恢复的作用

湖泊富营养化是指氮、磷等营养物质大量进入水体，浮游植物建立优势导致水生态系统的结构破坏和功能异化的过程，它导致水体的溶氧下降、透明度降低、水质恶化、鱼类及其他生物大量死亡。据调查我国湖泊普遍受到N、P等营养物的污染，1996年全国有80％的湖泊总N、总P超标，16个被调查湖泊有8个耗氧有机物超标，且情况仍在恶化，湖泊的治理成了当务之急。治理湖泊的方法有物理方法如疏浚底泥、机械过滤、引水稀释等；化学方法如杀藻剂杀藻等；物化法如木炭吸附藻毒素等；生物方法如放养鱼等，均取得一定的成效。但是水生高等植物与藻类同处于初级生产的地位，与藻类竞争营养、光照和生物空间等生态资源，所以水生植被组建及其恢复，对于富营养化水体的生态修复具有极其重要的地位和作用。     

结合态磷化氢在污水深度处理系统中的源

磷化氢(PH3)具有毒性、强还原性. 一百多年来, 自然界磷化氢形成的源及生物形成机制一直为科学界所探索和争论[1,2]. 磷化氢被证实是大气中普遍存在的痕量气体(ng级)[3], 厌氧生物环境被认为是磷化氢的主要释放源之一[1~3]. 1993年, Gassmann和Glindemann首次尝试用酸或碱消解土壤或沉积物, 并将其释放出的磷化氢定义为结合态磷化氢(matrix- bound phosphine) [4]. 厌氧消化污泥、垃圾填埋场、港湾(淡水)表层沉积物、土壤、富营养化湖泊和海洋沉积物中也先后测到结合态磷化氢[2~7]. 已有实验表明, 85%以上的磷化氢以污泥结合态形式存在[7].........     

生命体内的计时器:生物钟

生物钟是生物所具有的一种独特的生理功能,生物个体可借此自动预测时间,并相应地调节各项生理活动的节律.从低等的蓝藻直到包括人在内的哺乳动物.地球上的绝大多数生物体内都存在生物钟,各种生物可通过生物钟来调节体内的生化反应,进而对生理活动进行调节,实现与昼夜节律性变化环境因子的同步化.     

浅水富营养化湖泊中蓝藻群体运动研究述评

自然水体表面重度水华中的蓝藻多以群体形式存在.蓝藻群体是由胞外多糖将多个细胞胶结在一起形成的,这些细胞主要来源于分裂增生或碰撞黏附.相对于蓝藻单细胞,具有更大尺寸和浮力的群体的主动和被动运动发生了深刻变化,这使得群体更易于上浮聚集形成水华.群体的主动运动是由有效浮力诱发的运动,其与群体的密度、形状和粒径等动力学参数密切相关.其中,粒径最为重要:太湖蓝藻大群体(100～425μm)上浮速率是小群体(20μm)的1475倍.群体的被动运动是由湖水运动驱动的.风浪对群体的作用贯穿蓝藻的整个生活史.适当的风浪扰动可以增大群体的尺寸,而过强的扰动会改变群体形态或令群体解体.同时,风浪主导的强湍流可以捕获漂浮群体,驱散表面水华.湖流的水平输送作用导致全湖蓝藻在下风区聚集,进而增大蓝藻单细胞或群体的黏聚机会,为形成持续性重度水华创造有利条件.不过,也有研究发现风力对漂浮群体的输送作用要大于表层湖流.据此,今后在蓝藻群体运动研究中需要开展面向群体动力学参数的野外长期监测,以期探明野外群体的时空动态及影响机制;加强浅水湖泊水动力特征及其对群体运动影响的研究,研发相关技术服务于太湖蓝藻水华防控.     

“盐湖农业”与发展战略

盐湖是湖泊中的一种极端的类型,是一种特殊的水生和陆生生物生态环境。由于含盐量较高,超过一般生物种群的耐盐度,一般的生物不易在其中生存。在这种极端的高盐环境中,仍有个别生物种与其种群的多数成员不同,能够适应高盐环境,在盐湖（盐田）中生长、繁衍,这种生物...     

胶球藻和粘杆藻质粒的检测

自1973年发现蓝藻质粒以来,至今已在60余株蓝藻检测到染色体外DNA;从种类分布来看,它们几乎遍及蓝藻所有类群。但胶球藻和粘杆藻二单细胞属经检测未发现质粒,此后也一直未有报道。蓝藻中的一些种类集光合和固氮作用于同一细胞内,具有在空气条件下固氮生长的能力,这在固氮微生物中是一特殊模式。由于它们具有厚而牢固的胶质鞘,而且一般生长缓慢,质粒检测工作遇到很大麻烦,故运载体转移系统未能发展。这在一定程度上     

自我复制机器人会威胁人类吗

机器与生物的重要区别是生物可以繁殖后代,而机器只能靠人来制造.然而,在许多科幻片中,机器人和人的差别慢慢消失,不少机器人学会了复制自己,最终有了取代人类的"阴险"想法,不少离奇的科幻故事由此产生.     

自我复制机器人会威胁人类吗

机器与生物的重要区别是生物可以繁殖后代，而机器只能靠人来制造。然而，在许多科幻片中，机器人和人的差别慢慢消失，不少机器人学会了复制自己，最终有了取代人类的“阴险”想法，不少离奇的科幻故事由此产生。     

藏南沉错沉积物水蚤残体组合对环境变化的响应

利用活塞取样器在藏南沉错获取了连续的沉积岩芯, 选择顶部的117 cm岩芯段进行水蚤(Cladocera)残体分析. 根据水蚤的种类、数量和生态习性, 从下到上可以将岩芯中水蚤组合划分为5个带: CL0组合(117～101 cm)没有发现水蚤; CL1组合(101～77 cm, 约公元1407～1533年)出现钻孔中的全部9种水蚤, 并达到序列中的最高含量, 反映了在温暖的沉积环境中有大量的外来冷水注入和有机质输入, 湖泊宽浅适宜大型水生植物的生长; CL2组合(77～29 cm, 约公元1533～1831年)的水蚤数量和种类大大下降, 只有为数不多、环境适应性较强的Chydorus sphaericus经常存在, 说明了当时的沉积环境非常恶劣; CL3组合(29～10 cm, 约公元1831～1941年)的优势水蚤种类与CL1 组合接近, 但丰度下降, 特别是喜有机碎屑环境的水蚤数量大大降低, 反映了环境有利的条件下, 流域地表的植被发育仍然较差; CL4组合(10～0 cm, 约公元1941年到现在)除没有发现浮游型水蚤外, 其他7种水蚤均可见到, 稳定的湖泊水温使广温型的水蚤种与窄温型的浅水种相比, 已经失去竞争优势. 该孔水蚤组合反映的环境变化得到其平行孔的介形类组合、环境磁学与相关参数以及硅藻-盐度转换函数研究结果的支持, 反映了青藏高原湖泊沉积中的水蚤组合对沉积环境的敏感性和在环境变化研究中的重要意义.