藍藻水華與水體富營養化
藍藻是單細胞原核生物,又叫藍綠藻、藍細菌;大多數藍藻的細胞壁外面有膠質衣,因此又叫黏藻。在所有藻類生物中,藍藻是最簡單、最原始的一種。當水中藍藻含量較少時,其以個體分散在水中,若遇到水溫、富營養化、有機磷等適宜條件它們就會快速生長,發展到一定程度後就會產生群體效應,聚集後呈綠色油漆狀覆蓋於水面,稱之為水華, 水華會通過多種途徑引起水體中溶解氧濃度下降,從而造成魚蝦等水生動物死亡,進而對水環境和水生生態系統造成危害。1982年,國際經濟發展合作組織提出"水體富營養化是水體中營養物質 (如氨氮、硝酸鹽氮、尿素、磷酸鹽等) 增加, 導致藻類和水生植物生產力增加,造成水質下降,使水的用途受到影響的現象。"藍藻水華的研究者有一個基礎的共識——藍藻水華產生的基本條件是水體富營養化。
國內外防治藍藻水華的技術
1 物理防治方法
機械清除:可以採用動力機械裝置把水體中的藍藻收集之後移出水體,或者用除藻機破碎藍藻群體,控制藍藻數量增殖。但是機械清除只適於小型湖泊突發事件的應急處理,對於大型湖泊其除藻的速度遠遠比不上藻類本身的生長速度,效益甚微。並且藻類被破壞細胞壁後會向水體釋放大量的藻毒素,引起對水體的二次汙染。
活性碳吸附:活性碳具有數量較多的孔隙,對於水中的色、嗅、味有良好的改善效果。
曝氣增氧:水華發生時水體缺氧,通過曝氣器破壞水體分層,增加溶解氧。具體的操作為利用空氣加壓設備向曝氣池中送入空氣,或者通過曝氣器促進水的活躍性,形成水汽的混合液,提升水中的氧氣含量。
水動力學控制:向湖泊引入乾淨的水源,能夠改善湖泊水體的流動性和降低水體汙染物濃度。
圍隔攔截:水華攔截圍隔對藍藻水華有很好的攔截效果,在水華暴發期間藍藻圍欄可以攔截50%以上的藍藻水華,水華攔截區圍隔內的生物多樣性指數顯著高於攔截圍欄之外的水域。該方法通過設計圍隔攔截藍藻,同時利用微囊藻的漂浮特性,根據水源區域中的風向、水流方向,在湖泊近岸處設置一定的區域,使微囊藻在所設定的區域中堆積,隨後可採用機械的方法收穫堆積的藻類。
超聲波抑藻殺藻:長期實踐表明,適當頻率和強度的超聲波處理可以抑制藻類生長。同時,經超聲處理後的水域中, 氮、磷、總藻毒素和胞外藻毒素含量較之對照組水域均出現了下降的趨勢,具有高效、迅速、簡單、無二次汙染等顯著優點,但超聲波除藻作用範圍小難以大面積實施,一般作為湖泊應急治汙的輔助措施,同其他技術手段集成應用。
2 化學防治方法
殺藻劑:使用化學殺藻劑對於對於抑制藍藻或殺滅藍藻是很重要的手段,但是現階段所使用的殺藻劑對藻類選擇性不高,在去除藍藻水華的同時,也可能殺死了其他藻類和其他生物,汙染了水體。因此,獲得高選擇性殺藻劑是當今化學殺藻劑研究的重要現實問題。
鹽類:硫酸銅殺藻快速高效,但是也會帶來二次汙染。
強氧化劑:利用高錳酸鉀的強氧化作用,在較高投量時對水的臭味有一定改善作用,但其存在著產物性質難以確定、錳離子可能超標等問題。臭氧是一種有效的除藻技術,但其極不穩定,易分解,且臭氧發生裝置龐大、成本高,因此只能作用於小範圍水體。
絮凝劑:絮凝劑法是一種高效的除藻和淨化水質的方法,通過使藻類等各種懸浮汙染物絮凝後自然沉降來改善水質,且優質的絮凝劑能夠保持藻類細胞壁完好,使其活性不變,可避免因細胞壁破裂而釋放藻毒素,為探索更加高效實用的藍藻水華應急控制技術,大理市洱海保護管理局和大理大學從仙人掌、蘆薈、砂蒿子等不同植物中篩選出效果最好的辣木種子作為藍藻除藻劑。研究發現辣木籽天然無毒、無副作用、易於降解並且研究表明辣木籽所含的主要淨水活性組分為具有絮凝功能的水溶性蛋白。因此,研究者採用不同的方法提取辣木籽中的絮凝活性蛋白, 並將其用於水質淨化。
3.生物防治方法
生物方法除藻是利用生態系統食物鏈攝取的原理來控制或抑制水華。目前主要採用栽種生長快的水生高等植物、放養水生動物、生物柵和人工生物浮島等措施。
水體富營養化治理策略
光線和溫度、 營養鹽類的含量、水體在該水域的滯留時間、依靠藻類生存的浮遊動物以及可以殺死藻類和浮遊動物的有毒物質都對水體富營養化會起促進或抑制作用。為了治理水體富營養化,必須要對汙染源進行控制。
治理方法有如下幾種:
採用現代化生產模式,提高資源利用率,對排放不達標、汙染嚴重的企業加大打擊和監管力度。
控制農藥和化肥的使用量,堅決貫徹執行綠色健康、持續生態的農業方針。
對整個流域生態實施完整的管理體制,減少汙染,同時各個管理部門之間協同合作,互相監督,為治理水體富營養化盡最大貢獻。總之,水體的"富營養化"是隨著工業、農業生產的高速發展和人們的生活、生產活動而產生的一種新的有機汙染現象, 有很多新問題正等待著我們去探索和分析。
藍藻水華及水體富營養化綜合治理機制
治理藍藻水華問題的根本在於對其生長條件以及生理性能等方面進行有效抑制, 以此來有效降低其繁殖速度。根據相關調查研究表明, 造成藍藻水華最根本的基礎就是水體富營養化。通過對全國22個大型湖泊進行實證分析,將葉綠素a、總氮、總磷、化學需氧量、渾濁度五個水質因子確定為影響水體富營養化的主要影響因子。所以想要有效解決藍藻水華問題就一定要從根本上治理好水體富營養化。
水華的資源化利用
生物新能源
能源是人類於世界中發展不可或缺的基礎,但在當前,人口增長速度過快,科技發展過快,對能源的需求越來越高,能源緊張已經成為一個世界性難題。若是能夠將打撈出的藻類加以處理,使之轉化為可以利用的能源物質,變廢為寶,既能解決藻類水華帶來的生態災害,又可以緩解資源緊張問題,一舉雙得。前人發現,綠藻是一種高效的放氫藻株,在一定的條件下可以大量釋放氫氣,作為能源物質。水華藍藻群體的光合效率非常高,其培養的周期較短,容易培養,其本身的油含量較大,可以用來生產生物柴油,擁有廣闊的應用前景。此外,微囊藻光合作用還可以吸收二氧化碳,有利於緩解全球氣候變化。在國外,最早發現藻類的資源化利用價值的國家是美國。美國非常重視利用微囊藻生產生物柴油,尤其是在2007年後,藻類群體的資源化利用更是掀起了研究狂潮。美國開發出了海洋工程微藻,微藻的脂肪含量可以高達60%以上。
生產飼料
目前,利用水華藍藻群體生產飼料相關的研究較少,主要是應用於製造肥料。其原因主要是水華藍藻尤其是微囊藻,能夠產生藻毒素,可以對生物甚至是人類健康造成危害,假如沒有經過去毒素處理,或者處理不乾淨,被家畜取食以後,很可能富集在體內,通過食物鏈從而嚴重影響人類的健康。經研究發現,微囊藻乾物質中含有54%~63%的蛋白質,如果可以加以合理應用,可以很大程度上帶來經濟上的收益。進行脫毒後的藻類應用於生產飼料,生產的飼料隊生物進行餵食後,對生物及人類的具體影響還有待進一步探討。
製備肥料
富營養程度的加重增加了藻類水華的頻發爆發,而氮磷等營養物質是藻類生長發育過程中必不可少的物質。水華藍藻群體中含有大量的氮磷元素和有機物,因此,將水花藍藻應用於生產肥料的前景具有十分寬廣的發展背景。
1)堆肥
由於水華藍藻中部分藻類可以產生藻毒素,在其生長發育過程中會從其生存的環境中吸收重金屬等物質,然後富集在自身體內。假如直接投入生產肥料,可能會對作物、植物帶來嚴重危害,重金屬還可以富集在土壤中,短時間內難以消除,對人類的健康帶來嚴重危害。
近年來,經過專家得不斷探索發現,將水華藍藻進行堆肥可以將大部分的藻毒素去除,堆肥可以直接應用於作物、植物,作物中的藻毒素含量低於飲用水藻毒素的含量標準,不會對人類的健康造成危害。研究發現,在堆肥過程中,添加麥麩,將含水量調節至55%左右,其中的C/N為25的時候,微囊藻毒素講解速率達到最大,降解率可高達90%以上。但在堆肥過程中存在一定的問題,其中有一個問題是在堆肥過程中大量的氮素會流失,任雲研究發現,可以利用氮素固定劑或者損失抑制劑來解決堆肥過程中氮素損失的問題,或者利用高溫堆肥,將堆肥的溫度控制一定的範圍內,則可有效的減少損失。其中,氮素損失抑制劑中添加過磷酸鈣,可以提高微囊藻毒素MC-RR和MC-LR的去除率。如果能夠研究出一種可以將藻毒素含量控制在最低,且生產量較大,能夠綜合不同方法的優點,進行整合,那麼,將水華藍藻應用於生產肥料指日可待。
2)沼肥
沼化是目前水華藍藻資源化利用研究最多的方法。水華藍藻中含有藻毒素和重金屬離子,不能直接進行沼化,目前大部分研究人員關注的是藻毒素的去除,對重金屬離子的去除研究甚少。當然,製作沼肥與堆肥其困難都在於藻毒素和重金屬離子的去除。藍藻沼化的研究已經取得一定的進展,目前,研究重點主要在於實現沼化無害化。華藍藻的氮磷含量較高,但本身的碳含量較低,在厭氧發酵時會經常遇到碳元素不充足的問題,為解決這個問水題,目前應用較多的是與其他秸稈按照一定的比例混合發酵,其目的是利用其他物質的有機物,補充碳源,提升降解速率。其次,在厭氧發酵的過程中,不僅會產生沼氣,還會產生一些其他的氣體,例如:硫化氫、甲硫醇、甲硫醚等有害氣體。這些有害氣體無法直接應用,因此在厭氧發酵中還會添加一些脫硫工藝,來去除掉水華藍藻厭氧發酵產生的硫化氫。
雖然,目前在水華藍藻資源化利用方面主要的研究是針對沼化,相關的研究也取得了很大的進展,但是在脫毒過程中對重金屬的研究與關注太少,重金屬的去除率很低,很容易形成水華藍藻資源化利用過程中的二次汙染,因此,針對沼化的一系列問題,應加大對去除重金屬的關注與研究力度,減少厭氧發酵過程中形成的二次汙染問題,讓水花藍藻真正的實現資源化利用,緩解我國資源短缺的問題。
其他方面的利用方式
水華藍藻中具有大量的營養物質,尤其是氮、磷等營養物質,在死亡後很容易腐爛,產生硫化氫等刺鼻性有害氣體。目前,針對以上展述的各個資源化利用方式,以及其中存在的問題,研究人員正在研究如何有效擴大水華藍藻資源化利用的範圍?真正實現資源化利用既能解決生態環境汙染問題,又可以為人類生產發展服務。今後,水華藍藻的資源化利用可以嘗試從以下領域著手:
藍藻中具有很多的天然色素,像類胡蘿蔔素、葉綠素a、藻膽蛋白等,均可應用於製藥、食品生產、科學研究等。其中藻膽蛋白是微囊藻中含量很高的一種光合輔助色素,還可以應用於化妝品行業等。其次,利用水華藍藻中含有大量營養物質的特性,水華藍藻還可以應用於一些細菌的培養中。另外,藍藻可以向周圍環境中釋放胞外多糖,胞外多糖具有抗乾旱、抗紫外輻射、抵抗其他原生動物捕食的功能,是一種複雜的酸性多糖,這種多糖被廣泛應用於汙水處理工藝和化妝品行業中。
結語
日常的治理中,應將治理藍藻水華與水體富營養化一起處理。許多的治理實踐表明,採用單一方法並不能高效、快速的對水華進行控制。治理水體營養化以及藍藻水華要從汙染源頭方面入手, 相關產業之間要共同協作,用物理、化學、生物多種治理方向、通過採用先進的技術結合才能有效、長期的對藍藻水華和水體富營養化進行控制和消除從而促進生態環境平衡、穩定。