藻類(lèi)監(jiān)測(cè)及治理技術(shù)的發(fā)展

盧 健 谷金鈺

藻類(lèi)監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.顯微鏡測(cè)量技術(shù)

顯微鏡測(cè)量技術(shù)又稱(chēng)個(gè)體技術(shù)法，是利用透鏡放大及成像技術(shù)進(jìn)行藻體個(gè)數(shù)觀測(cè)，一般是取一定體積的樣本，進(jìn)行固化，后計(jì)數(shù)換算而來(lái)。傳統(tǒng)的顯微鏡技術(shù)可同時(shí)獲得浮游植物組成和數(shù)量。但是對(duì)于許多脆弱的物種，如有些鞭毛藻，采集時(shí)活著，過(guò)濾或保存時(shí)就分解破碎了;而且微型浮游植物，特別是微微藻因外部形態(tài)特征不明顯而難以識(shí)別。另外，取樣不均勻，樣本數(shù)量小，自養(yǎng)、異養(yǎng)生物分開(kāi)觀察等，均可造成常規(guī)方法分析結(jié)果嚴(yán)重誤差。雖然使用高倍掃描電子顯微鏡可以鑒別微微藻，但單個(gè)樣品檢測(cè)時(shí)間冗長(zhǎng)，工作量大，且重現(xiàn)性不好，費(fèi)用較高，需要專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行操作，無(wú)法在大規(guī)模生態(tài)調(diào)查中使用。

盡管如此，顯微鏡技術(shù)目前仍然是藻類(lèi)種類(lèi)鑒別和數(shù)量測(cè)定的經(jīng)典的基本方法，是確定其他分析方法有效性的參考。

2.圖像測(cè)量技術(shù)

近年，國(guó)外的研究者應(yīng)用圖像技術(shù)根據(jù)藻的形態(tài)和色素成像不同進(jìn)行浮游植物種類(lèi)識(shí)別，其中，peeh－pacheeo等在墨西哥托多斯桑托斯海灣，利用光學(xué)—數(shù)字系統(tǒng)識(shí)別了5種角藻，其識(shí)別準(zhǔn)確率大于90%。研究者計(jì)劃在此方法基礎(chǔ)上建立浮游植物種類(lèi)的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)也先后開(kāi)展該研究。目前利用衛(wèi)星測(cè)量大面積藻暴發(fā)也是基于此技術(shù)。但是由于圖像對(duì)環(huán)境要求較高，且圖像解析較為困難，目前應(yīng)用比較有限，國(guó)內(nèi)主要是采用衛(wèi)星圖像進(jìn)行大面積監(jiān)測(cè)和識(shí)別。

3.高效液相色譜法

該方法自20世紀(jì)80年代開(kāi)始用于浮游植物色素組成分析，是目前唯一一種被廣泛接受的準(zhǔn)確測(cè)量葉綠素含量的方法。高效液相色譜是色譜法的一個(gè)重要分支，以液體為流動(dòng)相，采用高壓輸液系統(tǒng)，將具有不同極性的單一溶劑或不同比例的混合溶劑、緩沖液等流動(dòng)相泵入裝有固定相的色譜柱，在柱內(nèi)各成分被分離后，進(jìn)入檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的分析。19世紀(jì)，澳大利亞的Mackye等開(kāi)發(fā)出程序CHEMTAX，利用HPLC分析浮游植物的色素組成，來(lái)估算不同類(lèi)別浮游植物的數(shù)量。這一成果得到澳大利亞及美國(guó)、英國(guó)、日本、西班牙等國(guó)家研究者的廣泛認(rèn)可。鑒于高效液相色譜技術(shù)需要有機(jī)溶劑萃取浮游植物色素，并且高效液相色譜儀不適合在一般調(diào)查中使用，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)浮游植物的現(xiàn)場(chǎng)快速自動(dòng)測(cè)量。

4.吸收光譜法

光譜分析法是指在光的作用下，通過(guò)測(cè)量物質(zhì)產(chǎn)生的發(fā)生光、吸收光或散射光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行分析，由于不同藻含色素不同，依據(jù)其對(duì)光的選擇性吸收而建立起來(lái)的分析方法。吸收光譜法起初主要用于浮游植物葉綠素的估計(jì)、某些物質(zhì)的測(cè)量、光合成色素的分析以及非藻類(lèi)顆粒物的測(cè)量。盡管已有不少有關(guān)應(yīng)用可見(jiàn)分光光度法識(shí)別浮游植物種類(lèi)和數(shù)量測(cè)量的報(bào)道，但主要限制在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，因?yàn)榭梢?jiàn)分光光度法有靈敏度的限制，使用該技術(shù)一般需要濃縮或萃取浮游植物所含色素等前處理再行分析，因此難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

5.化學(xué)發(fā)光流動(dòng)注射分析

流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光分析技術(shù)是將化學(xué)發(fā)光分析和流動(dòng)注射相結(jié)合的一種高靈敏度的微量及痕量分析技術(shù)，可用于特定赤潮浮游植物的檢測(cè)。東京大學(xué)的研究人員建立了兩種化學(xué)發(fā)光流動(dòng)注射分析系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)赤潮異灣藻。在一個(gè)系統(tǒng)中, H.carterae釋放出的超氧負(fù)離子與超氧化物探針?lè)磻?yīng);在另一個(gè)體系中,H.carterae釋放出的過(guò)氧化氫在過(guò)氧化氫酶催化下與發(fā)光體(luminol)反應(yīng)?；瘜W(xué)發(fā)光由光電倍增管檢測(cè)。該系統(tǒng)能夠進(jìn)行H.carterae的快速檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間對(duì)于依靠McLA發(fā)光的約需2分鐘，對(duì)于luminol/ARP發(fā)光的僅需1分鐘，在100～100000個(gè)/ml的H.carterae細(xì)胞密度區(qū)間呈線性響應(yīng)關(guān)系。其他浮游植物在該體系中無(wú)響應(yīng)，但是該方法的檢測(cè)限適合于在赤潮形成初期檢測(cè)赤潮異灣藻，而且在內(nèi)河中很少見(jiàn)應(yīng)用的報(bào)道。

6.分子探針技術(shù)

生物技術(shù)在浮游植物種類(lèi)識(shí)別研究中的應(yīng)用已成為一種趨勢(shì)。Murayama-kayano等研究的隨機(jī)放大多形態(tài)DNA技術(shù)可用于浮游植物的識(shí)別;新西蘭的科學(xué)家報(bào)道了識(shí)別亞歷山大藻屬物種的SSU和LSUrDNA基因順序，為設(shè)計(jì)物種或種屬特異的分子探針提供了數(shù)據(jù)。于志剛等發(fā)明了快速定量檢測(cè)中肋骨條藻的遺傳標(biāo)記和方法以及對(duì)藻類(lèi)進(jìn)行定性定量分析的方法，但該方面目前很少應(yīng)用，更多的是在重金屬測(cè)量中應(yīng)用。

7.熒光分析技術(shù)

熒光分析技術(shù)是基于熒光的產(chǎn)生原理而發(fā)展出來(lái)的一種分析方法，葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)是一種以光合作用理論為基礎(chǔ)，利用體內(nèi)葉綠素作為天然探針，研究和檢測(cè)植物光合生理狀況及各種外界因子對(duì)其影響的新型植物活體測(cè)定和診斷技術(shù)，可以通過(guò)葉綠素?zé)晒獾淖兓瘉?lái)檢測(cè)微藻受環(huán)境因子影響的狀況。由于具有靈敏度高、選擇性好、取樣量少、方法快速簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，該技術(shù)在生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)以及工農(nóng)業(yè)多領(lǐng)域中的應(yīng)用與日俱增。

（1）基于單顆粒熒光分析——流式細(xì)胞儀

將樣品細(xì)胞懸浮于液體中，并在流動(dòng)過(guò)程中逐個(gè)經(jīng)過(guò)測(cè)量區(qū)進(jìn)行快速測(cè)量。它的特點(diǎn)是可同時(shí)測(cè)量每個(gè)細(xì)胞的多個(gè)參數(shù)，根據(jù)這些特征參數(shù)對(duì)細(xì)胞群體進(jìn)行分類(lèi)分選，進(jìn)而對(duì)各亞群分別進(jìn)行研究。與傳統(tǒng)方法相比，采用流式細(xì)胞儀對(duì)四類(lèi)超微型生物進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，可避免以往不同類(lèi)群生物不同方法觀測(cè)所造成的系統(tǒng)誤差，并可快速批量處理樣品。

基于單顆粒檢測(cè)的流式細(xì)胞分析具有直接測(cè)量水體樣品、快速、可同時(shí)定性和定量的優(yōu)點(diǎn)，但是流式細(xì)胞儀價(jià)格昂貴，使其應(yīng)用受到限制。

（2）基于群體熒光光譜分析

熒光光譜分析最先用于現(xiàn)場(chǎng)浮游植物分類(lèi)和數(shù)量測(cè)量。美國(guó)的研究者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量藻紅蛋白熒光發(fā)射光譜波長(zhǎng)的位移，推斷了海水中含藻紅蛋白的浮游植物種類(lèi)和數(shù)量的變化。歐洲研究者利用熒光光譜特征研究了浮游植物群落組成。芬蘭的研究者利用三維熒光光譜，檢測(cè)了浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化，研究了春夏季節(jié)Riga海灣浮游植物的分布以及溶解有機(jī)物的分布情況。

眾多研究者將浮游植物的吸收光譜、熒光光譜聯(lián)系起來(lái)考慮，研究了天然浮游植物樣品吸收光譜與其激發(fā)熒光光譜間的差異，并仔細(xì)地研究了單一浮游植物藻種的吸收光譜、激發(fā)熒光光譜隨光照增強(qiáng)而發(fā)生的變化。

8.藻類(lèi)測(cè)量方法比較說(shuō)明

上述方法各有利弊，有各自的適用場(chǎng)合，在藻類(lèi)種類(lèi)和數(shù)量測(cè)定中都是有意義的。熒光分析無(wú)需前處理，可直接測(cè)定水體樣品，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)藻類(lèi)種類(lèi)和數(shù)量。相比較而言，基于單顆粒檢測(cè)的流式細(xì)胞分析結(jié)合了藻的熒光特征和形態(tài)特征，但價(jià)格昂貴;德國(guó)bbe熒光藻類(lèi)分析儀使用方便，但尚不能將甲藻和硅藻分開(kāi);熒光光譜儀價(jià)格適中，操作簡(jiǎn)便，三維熒光光譜提供了更多的指紋信息，能夠檢測(cè)出藻群落結(jié)構(gòu)的變化。目前能快速且在線測(cè)量藻的技術(shù)，主要是基于熒光光譜法的測(cè)量設(shè)備。

藻類(lèi)治理技術(shù)

1.生物方法治理水華

（1）利用魚(yú)類(lèi)控制藻類(lèi)

①放養(yǎng)濾食性魚(yú)類(lèi)：鰱魚(yú)和鳙魚(yú)是典型的吃浮游生物的魚(yú)類(lèi)，它們靠濾食器官濾取食物。由于二者濾取食物的鰓耙形狀、結(jié)構(gòu)、排列致密程度不同，所以鰱魚(yú)主要吃浮游植物，鳙魚(yú)主要吃浮游動(dòng)物。據(jù)測(cè)算，100t鰱魚(yú)和鳙魚(yú)一年就能消耗5.5萬(wàn)t藍(lán)藻。而且它們能通過(guò)自身的代謝活動(dòng)，將有害的藍(lán)藻毒素轉(zhuǎn)化成無(wú)害物質(zhì)，并以動(dòng)物蛋白的形式被捕撈出水體，從而使氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素脫離湖泊。②控制肉食性或浮游生物食性魚(yú)類(lèi)：從經(jīng)典的生物操縱理論、營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)反應(yīng)、上行/下行理論入手，合理配置湖泊中肉食性、浮游生物食性魚(yú)類(lèi)的數(shù)量，使濾食性魚(yú)類(lèi)和浮游動(dòng)物正常生長(zhǎng)，這對(duì)于控制藻類(lèi)的過(guò)度生長(zhǎng)也是有效的。

（2）軟體動(dòng)物的引入

通常用于藻類(lèi)水華防治的軟體動(dòng)物主要指淡水雙殼類(lèi)（即蚌類(lèi)）。其原理是蚌類(lèi)為濾食性種類(lèi)，食物主要為浮游植物、細(xì)菌、腐屑和小型浮游動(dòng)物。由于雙殼類(lèi)的濾食能力極強(qiáng)，可使水體浮游生物量大為減少，從而增加水體透明度，提高水體的自?xún)裟芰Α?/p>

（3）原生動(dòng)物的引入

原生動(dòng)物是水生食物鏈中的重要環(huán)節(jié)，很多原生動(dòng)物都以攝食藻類(lèi)為生，以原生動(dòng)物作為控藻生物有以下優(yōu)點(diǎn)：①原生動(dòng)物取食范圍廣，已經(jīng)分離到取食微囊藻、魚(yú)腥藻、束絲藻等滇池優(yōu)勢(shì)藻種的原生動(dòng)物；②原生動(dòng)物食量大，實(shí)驗(yàn)室中觀測(cè)到只要原生動(dòng)物數(shù)目達(dá)到某一閾值，體系中的藻細(xì)胞會(huì)被迅速消耗殆盡；③很多原生動(dòng)物在食物耗盡時(shí)會(huì)形成包囊，度過(guò)食物缺乏期，當(dāng)藻類(lèi)重新增多時(shí)，包囊又會(huì)破壁復(fù)蘇成為食藻營(yíng)養(yǎng)體；④包囊結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗逆性，這種形式容易于包裝和運(yùn)輸；⑤繁殖力強(qiáng)，原生動(dòng)物可以利用有機(jī)培養(yǎng)基擴(kuò)大培養(yǎng)。

（4）高等水生植物的引種

研究表明多數(shù)高等水生植物還能分泌化感物質(zhì)抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)，已發(fā)現(xiàn)多種高等植物對(duì)藻類(lèi)的抑制作用。高等水生植物的這些優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的生態(tài)修復(fù)中。

（5） 微生物及其附加產(chǎn)品的應(yīng)用

①裂解藻類(lèi)的微生物的應(yīng)用：用細(xì)菌、真菌等來(lái)裂解藻類(lèi)水華還有些問(wèn)題需要解決，如特異性不強(qiáng)，效率不高，有存在二次污染的可能等等。②降解藻毒素的細(xì)菌篩選：形成水華的多種藻類(lèi)會(huì)分泌毒素，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖和飲用水安全帶來(lái)危害。③微生物絮凝劑的應(yīng)用：微生物絮凝劑是一種由微生物產(chǎn)生的具有絮凝功能的高分子有機(jī)物，主要有微生物細(xì)胞絮凝劑、微生物細(xì)胞壁提取物絮凝劑和微生物細(xì)胞代謝產(chǎn)物絮凝劑三種類(lèi)型。利用微生物本身或產(chǎn)生的多肽、酯類(lèi)、糖蛋白、黏多糖、纖維素和核酸等作絮凝劑，可以絮凝沉降水華，效果好于黏土。

2.物理方法治理水華

（1）底泥疏浚

底泥釋放的營(yíng)養(yǎng)物對(duì)藻類(lèi)的增長(zhǎng)影響很大，尤其在淺水湖泊中。在夏季水溫升高，水體底部趨于厭氧狀態(tài)，氧化還原電位急劇下降，表層底泥的還原狀態(tài)，促使儲(chǔ)藏在底泥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以還原狀態(tài)釋放出來(lái)。

（2）向水體充氣

改善通氣可改變水體底部還原狀態(tài)為氧化狀態(tài)，鈍化底泥，減少底泥釋放的營(yíng)養(yǎng)鹽。機(jī)械攪拌或向水體中劇烈通氣來(lái)人為地使水體水層混合，可消除或防止熱分層，限制藻類(lèi)的光合作用，使透光區(qū)的平均溫度降低，從而使藻細(xì)胞減少，降低浮游植物的生物量，控制藻類(lèi)生長(zhǎng)。

（3）投加黏土

黏土除藻技術(shù)源于絮凝原理。在海洋上赤潮暴發(fā)時(shí)，黏土曾被作為一種應(yīng)急技術(shù)來(lái)使用，取得了一定的效果，但直接將黏土應(yīng)用于淡水除藻卻并不成功。針對(duì)目前黏土技術(shù)投加量大的缺點(diǎn)以及淡水中離子強(qiáng)度低，不利于黏土絮凝藻細(xì)胞的特點(diǎn)，有研究者發(fā)現(xiàn)用天然生物高分子陽(yáng)離子聚電解質(zhì)——?dú)ぞ厶菍?duì)黏土進(jìn)行包覆改性,可大幅度提高黏土的除藻效率,降低黏土的使用量。高效黏土絮凝除藻不是通過(guò)傳統(tǒng)的靜電吸附機(jī)理，而是通過(guò)一種架橋網(wǎng)捕作用，就像蜘蛛網(wǎng)一樣，將藻細(xì)胞黏網(wǎng)后共同沉入水底。

（4）明礬漿除藻技術(shù)

采用改性明礬漿應(yīng)急除藻主要基于下列作用特點(diǎn)：首先，該物質(zhì)顆粒細(xì)，比表面積大，范德華力作用范圍廣，吸附力強(qiáng)，擴(kuò)散速度快，能覆蓋整個(gè)水面并沉降；其次，明礬漿水解可電離生成Al3+，與水中顆粒態(tài)磷及有機(jī)顆粒物的電荷相反，易發(fā)生混凝作用，因而對(duì)水體中的磷和浮游藻類(lèi)有特殊的去除效果。

（5）打撈藍(lán)藻

采用人工或機(jī)械裝置（如藻類(lèi)收集船）將水體中藍(lán)藻富集、收集，并移出水體進(jìn)行處置，該方法可應(yīng)用于突發(fā)事件或特定敏感水域應(yīng)急處理，可以見(jiàn)到瞬時(shí)效果，有時(shí)在大規(guī)模除藻行動(dòng)的開(kāi)始階段或除藻前的準(zhǔn)備階段, 適當(dāng)撈藻清理水面也是必要的。

（6）水利工程控藻

即通過(guò)水利工程建設(shè)和調(diào)度，改變湖泊水文水動(dòng)力狀況，采用換水和調(diào)水、稀釋和沖刷等方法消除藍(lán)藻水華暴發(fā)適宜的水文條件，控制水華暴發(fā)。

3.化學(xué)方法治理水華

化學(xué)除藻是使用最多，也是較成熟的殺藻技術(shù)。它是利用化學(xué)藥劑來(lái)控制藻類(lèi)生長(zhǎng)，化學(xué)藥劑一般要求為：高效、毒性較小或無(wú)毒、無(wú)污染、無(wú)腐蝕，成本低，生產(chǎn)及運(yùn)輸安全，投藥方便等。化學(xué)除藻主要可以分為兩大類(lèi)：間接除藻，通過(guò)降低水體中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度而控制藻類(lèi)生長(zhǎng)；直接除藻，通過(guò)干擾藻類(lèi)細(xì)胞壁合成，光合作用和一些酶活性而直接抑制藍(lán)藻生長(zhǎng)或殺死藍(lán)藻。

化學(xué)除藻方法操作簡(jiǎn)便，在投藥后能立即見(jiàn)到成效，但有些化學(xué)物質(zhì)也會(huì)對(duì)其他的水生生物產(chǎn)生毒害，這將不可避免地造成環(huán)境污染甚至破壞生態(tài)平衡。對(duì)大型水體來(lái)說(shuō)，使用殺藻劑的工作量大，費(fèi)用較高，效果也難以保證，一旦殺藻劑失去作用，藻類(lèi)還會(huì)大量繁殖，被殺死的藻類(lèi)仍存留在水中，所以化學(xué)除藻不適合長(zhǎng)期使用。

4.超聲波法

超聲除藻法是一種新的除藻方法，但目前應(yīng)用研究有限。其除藻的原理是以藻細(xì)胞內(nèi)的偽空胞結(jié)構(gòu)作為空化核，外加超聲使之發(fā)生空化效應(yīng)，從而破壞藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)。超聲的空化效應(yīng)所產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高壓足以破壞藻細(xì)胞偽空胞結(jié)構(gòu)。

超聲波除藻具有操作簡(jiǎn)便，不引入化學(xué)物質(zhì)，條件溫和，速度快等。但是現(xiàn)階段對(duì)超聲除藻的研究仍存在不足之處，尤其是對(duì)超聲強(qiáng)化混凝除藻研究尚不夠深入。

5.藻處理方法比較說(shuō)明

物理法中部分方法比如打撈法不能很好的根除，但其治理方法對(duì)水體無(wú)影響，而疏浚等方法雖然在除藻的同時(shí)可以有效去除泥土中的化學(xué)物質(zhì)含量，但工程量巨大，物理法是目前很多湖泊常用的方法，但其耗費(fèi)大量的人力物理。

化學(xué)法除藻目前雖然技術(shù)逐漸成熟高效，但實(shí)際應(yīng)用中弊端也較多，主要表現(xiàn)在:①除藻劑的生物富集和生物放大作用對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)可能產(chǎn)生負(fù)面影響，對(duì)水體中水生動(dòng)植物產(chǎn)生毒害作用；②銅離子易在生物體內(nèi)累積，危害水生生物及人體的健康；③使用ClO2過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的亞氯酸鹽和氯酸鹽；④長(zhǎng)期使用化學(xué)除藻劑還會(huì)使藻類(lèi)產(chǎn)生抗藥性；⑤藻類(lèi)易再?gòu)?fù)發(fā)；⑥除藻劑設(shè)備成本較高（循環(huán)設(shè)備，加藥裝置），運(yùn)行成本較高（耗電，藥劑費(fèi)用)，且需要專(zhuān)人管理。

生物除藻主要利用的是生物鏈的原理進(jìn)行治理，是目前比較安全可靠的方法，但其當(dāng)水溫度低于15℃時(shí)，功能微生物的生物活性減弱；凈化能力降低且投資成本高；目前各種除藻方法均存在一定的局限性，單獨(dú)使用并不能達(dá)到理想的效果。

因此，研制滅藻效果好、成本低、無(wú)二次污染且適合我國(guó)河湖及景觀水體實(shí)際情況的滅藻設(shè)備，具有十分重要的意義，且市場(chǎng)潛力大，推廣應(yīng)用前景廣闊。目前國(guó)外已大規(guī)模研究超聲波滅藻技術(shù)，并開(kāi)發(fā)出超聲波滅藻產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)雖然已有少數(shù)機(jī)構(gòu)代理類(lèi)似產(chǎn)品，但還沒(méi)有在湖區(qū)、景觀水池中應(yīng)用的研究報(bào)道。