禾本科植物抑制三峡库区水华优势蓝藻的探讨

张 彬 罗本福 梅自良

（西华大学能源与环境学院，四川成都 610039）

三峡工程的兴建给防洪、发电、航运等方面带来了巨大的经济效益，同时，也对库区生态环境产生了较大的影响.三峡水库实现175 m蓄水后，库区水位提升、水流放缓、水体扩散能力减弱、库湾和支流流域污染物的滞留时间延长，水域环境发生了显著变化.特别受水库回水顶托作用，库湾和部分支流流域污染加重，局部水域已出现富营养化，水华暴发频繁.2007年春季，三峡库区澎溪河流域暴发了蓝藻水华，蓝藻门中的水华鱼腥藻、类颤鱼腥藻和水华束丝藻等为其优势群体[1,2].2008年三峡库区香溪河流域在水华暴发期间，水华优势种表现出由河流型硅藻类向湖泊型蓝藻、绿藻类演变的趋势[3].此外，有研究者在对重庆主城区三峡水域优势藻种的演替及增殖行为进行研究时曾推测，三峡成库后最可能暴发的水华是蓝藻水华或绿藻水华[4].随着三峡水库2009年完成175 m蓄水，支流库湾区水体流速进一步减缓，富营养化趋势更加严重，一些主要支流水华现象也逐年加重，由此造成的库区水域生态危害将更大，这已成为当前三峡水库突出的生态环境问题之一.因此，如何采取有效措施，防控库区水华已迫在眉睫.

1 三峡库区水华研究现状

近年来，围绕三峡水库水华现象展开了大量的研究，主要集中在以下几个方面：

一是通过对三峡水库主要流域的水华现状展开调查研究，分析成库前后及水华期间藻类的群落结构及演替特征，阐释库区水华特点[1,4-6].

二是从水体富营养化角度，分析库区主要流域氮、磷等营养物质的来源、形态及输入特点，重点从水体营养程度同水华形成关系，阐释库区水华成因及防控策略和手段[7-9].

三是通过野外调查及室内模拟试验，研究典型优势藻种生长同主要环境因子的关系，着重分析水动力条件变化对藻类生长的影响[10-12].

从目前的研究报道看，研究者主要集中于库区营养盐状态、水华成因、水华藻种种类组成、水华藻种的群落演替及主要水华优势种调查等几个方面，并通过野外观测和室内模拟试验阐释了主要环境因子（营养盐特征，水动力条件等）对藻类生长和演替的影响.但尚缺乏对库区水华防控措施深入系统的研究.

2 抑藻技术

2.1 传统抑藻技术

抑制藻类生长为实现水华防控的有效途径之一，传统除藻技术大体分为物理方法、化学方法和生物方法.目前在许多供饮用水水域（如水库）应用物理方法除藻比较多，主要包括微滤膜及活性炭除藻、黏土絮凝除藻、机械法及挖泥法除藻、超声波除藻、隔离法除藻以及气浮法除藻等.但物理法对低密度或底层藻类的杀灭效果不好，费用高、操作时间长，并且难以大面积使用[13].化学方法主要通过向水体投放化学药品（如硫酸亚铁、硫酸铜和二氧化溴等）来抑制藻类的生长繁殖.此种方法虽然简便易行，省时省力，但是并不能从根本上明显改善水质.相反，随着投药量的增加，药品种类的不断更换，对环境的再次污染不断加大，从而使水环境形成严重的恶性循环，如溶解氧降低、鱼类死亡、生物多样性减少等，严重地影响了生态系统功能及结构，甚至可能导致整个水生态系统瘫痪.另外，一些金属离子（如Cu2+、Fe2+等）易在食物链中通过生物放大作用积累，给人类带来危害[14].传统生物方法抑藻主要是利用培养的生物或培育、接种生物的生命活动，对水体中的污染物进行转化、分解及转移，从而使水体环境得到恢复的一种方法.目前很多供饮水水库大多采用此种方法控藻.被用来除藻的生物主要有微生物和水生动物等[15].该法优点是方法简单，二次污染小.但该技术仅适用于微污染水域，而在藻密度较高的富营养化水体中，其较低的溶解氧水平不利于水生动物的生长繁殖.更为甚者，藻毒素又能在动物体内大量富集，依附食物链传递危害人体健康，从而使其应用受到了限制[15].

2.2 化感抑藻技术

由于现有藻类控制技术存在的固有缺陷，人们对新型高效、生态安全的藻类控制技术的探索一直没有停止.1949年，Hasler等人首次发现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质的研究便为开发藻类控制技术提供了新方向.目前关于化感抑藻作用和抑藻物质的研究已经取得一些阶段性的成果.

2.2.1 常见化感抑藻植物研究

目前发现的常见化感抑藻植物主要包括浮水植物（浮萍、紫萍、凤眼莲、水花生等）[16-18]，沉水植物（穗状狐尾藻、金鱼藻、苦草、伊乐藻、眼子菜等）[19-24]，挺水植物（马蹄莲、石菖蒲、芦苇等）[25-26]和陆生植物（大麦秸秆、美人蕉、稻壳、黄花蒿等）[27-29].

2.2.2 化感抑藻机理研究

目前化感抑藻机理研究主要包括对藻类光合作用的影响（通过破坏藻类叶绿素，减少藻类同化产物，破坏光合系统II等方面抑制藻类生长）[19,30-32]；对细胞膜的破坏（通过抑制膜ATP酶活性，改变膜渗透性及其内外离子通道，破坏膜结构，使其发生质壁分离等作用来杀死藻细胞，降低藻细胞数量，抑制藻类的生长）[33,34]；影响酶活性（主要通过改变藻细胞中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性及增加膜脂过氧化产物（MDA）的含量使得细胞内活性氧水平增加，破坏藻细胞的抗氧化系统，从而导致细胞死亡和生物量减少）[19,35-37]；对细胞超微结构的影响（通过破坏细胞膜，伤害膜质系统，从而进一步作用于膜内的拟核、叶绿体、线粒体、内含物及细胞超微结构，使得藻细胞死亡量增加，以达到控制藻类生长的目的）[38]；影响细胞的基因表达（诱导藻细胞内某些基因表达上调，通过阻止DNA翻译和转录的进行来抑制蛋白质的合成及细胞的有丝分裂等方面）[39].

2.2.3 化感抑藻物质研究

目前研究发现的常见化感抑藻物质主要有有机酸、酚酸类、脂肪族化合物、多酚类、萜类和芳香族化合物等；主要的分离鉴定方法有有机溶剂萃取法、色谱法、层析法、质谱法、气质和液质联用法、红外光谱法、核磁共振法等[20,24,25,38].

3 三峡库区禾本科植物抑藻探讨

3.1 可行性分析

笔者在参与国家水体污染控制与治理科技重大专项-子课题“消落带污染负荷特征及其对水环境影响研究”（编号“2008ZX07104-003-02”）的工作中曾发现，禾本科植物牛鞭草为三峡水库消落带主要岸生植物.在冬季蓄水期间，其被水体淹没后仍能存活但生长缓慢[40]；春季气候回暖，开始大量生长繁殖.且有研究表明，牛鞭草能分泌酚酸类化感物质[41]；酚酸类化感物质对水华鱼腥藻生长有抑制作用[38,42].而蓝藻门中的水华鱼腥藻在库区水华暴发期间可成为优势藻种[1,2].从蓝藻生长的几个阶段来看，三峡水库冬季蓄水，此时水温较低，藻类通常处于休眠状态，同时牛鞭草也生长缓慢.而来年春季气候回暖，藻类开始复苏，通常藻类处于复苏阶段的控藻效果比水华暴发期更有效.且气候回暖后，牛鞭草也开始大量生长繁殖，而此时的牛鞭草分泌的化感物质有可能更多.因此，在三峡水库这种特殊的水利运行方式和牛鞭草这种独特的生境变化条件下研究其化感抑藻作用有一定的可行性[43].

3.2 研究实施方案

具体研究可考虑从以下三个方面展开相关研究工作：1）采用共培养法研究消落带常见禾本科植物牛鞭草对水华鱼腥藻的化感作用；2）分离纯化化感物质，鉴定其结构；3）通过分析化感物质对藻类光合作用、酶活性、基因表达及超微结构等方面的影响，阐释化感作用机制.

3.2.1 室内共培养试验

将一个有机玻璃缸分成两部分，玻璃缸中加入培养液，中间用0.45 μm（或0.22 μm）的玻璃纤维滤膜分隔，一部分培养供试植物（牛鞭草），另一部分培养受体生物（水华鱼腥藻）（对照组不接种牛鞭草），定期测定受体生物的生长状况指标，并计算抑制率.为避免二者间的营养竞争，定期向培养容器内添加培养液，以补偿消耗的营养盐.该培养体系中供试的两种生物不直接接触，但分泌的化感物质可以通过玻璃纤维滤膜自由通过，且该系统完全排除了光遮挡和直接接触等因素的干扰.并将玻璃缸置于光照培养箱中，达到控制环境条件的目的.整个培养体系处于无菌室中.

3.2.2 化感物质的分离纯化及鉴定

首先采用有机溶剂萃取样品材料，然后选取一定体积的硅胶柱进行分离，通过抑藻活性实验确定活性组分，进一步采用合适途径如硅胶柱层析，凝胶柱层析，反相硅胶柱层析，制备薄层色谱等手段分离提取活性组分，最后将提取的较纯物质通过气质或液质联用，红外光谱，核磁共振等手段鉴定其成分及结构.

3.2.3 光合作用、酶活性、MDA含量、基因表达及超微结构的测定

取一定量分离纯化后的化感物质加入到藻类培养液中，研究化感物质对水华鱼腥藻的抑制机理.其中光合作用通过测定叶绿素a含量、藻胆蛋白含量、光合系统II来反映.酶活性SOD的测定采用改进的氮蓝四唑（NBT）光化学反应法，POD采用改良联苯胺染色法测定，CAT通过测定H202的消失来测定，COD采用二甲基对苯二胺染色法测定；MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸方法；基因表达测定参照Qian et al（2008）方法，超微结构的测定通过对藻细胞进行缓冲液淋洗，固体琼脂固定，Epn812环氧树脂浸透、包埋，LKB超薄切片机切片，最后进行双染色，投射电镜下观察其结构变化.

4 开展三峡库区禾本科植物控藻的重要意义

植物抑藻化感物质是其生长过程中产生的代谢物质，通常可以在自然条件下分解，难以在生态系统中积累，生态安全性好.在人类极力倡导食品安全的今天，在大型水库、河流及养殖水域等水体利用化感抑藻技术改善水质，无疑是一种极具发展潜力的生态模式，具有良好的应用前景[19,38].然而近年来，关于水生生物（主要指水生植物及浮游藻类）对藻类的化感抑制作用报道较多，实验室研究以及现场试验也主要发现微藻、大型藻类和高等水生植物能产生并释放具有一定化感作用的活性物质.而关于禾本科植物对藻类的化感作用鲜有报道，利用禾本科植物抑制三峡库区水华藻类的研究尚属空白.本研究方案的提出，可以填补禾本科植物牛鞭草对藻类化感作用研究的空白，并进一步为开展化感抑藻技术有效防控三峡库区水华等研究提供参考.

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