夏季來臨，也即將到內(nèi)陸淺水型湖泊爆發(fā)藍藻水華的高峰期，不要以為這玩意沒有地震海嘯那般猛烈，也不像毒蛇猛獸那般駭人，它的危害可大了！

01

什么是水華？什么是藍藻水華？

水華，也稱“湖靛”,是指由于水體富營養(yǎng)化而導致的大規(guī)模藻類和藍細菌爆發(fā)，使水體變色的現(xiàn)象。全球氣候變化加劇了這一問題的發(fā)生。水華主要是由大量繁殖的綠藻、硅藻等藻類和藍細菌在淡水或海洋環(huán)境中引起的^{【1】【2】}。其中，藍藻水華是最常見的一種。盡管被稱為“藍細菌”，但藍藻的顏色實際上包括綠色、黃色、棕色、紅色甚至粉色等^【2】。

左圖和右圖展示了兩處不同地區(qū)發(fā)生的藍藻水華現(xiàn)象，左圖拍攝于肯尼亞，右圖則拍攝于中國太湖。（圖片來源：【2】）

藍藻水華常由以下幾種藍藻爆發(fā)導致：長孢藻(Dolichospermum)，浮絲藻(Planktothrix)，微囊藻(Microcystis)，擬筒孢藻(Cylindrospermopsis)，節(jié)球藻(Nodularia)，束毛藻(Trichodesmium)。

a.長孢藻 b.浮絲藻 c.微囊藻 d.擬筒孢藻 e.節(jié)球藻 f.束毛藻（圖片來源：【2】）

在富營養(yǎng)化的水體中，藍藻水華通常表現(xiàn)為藍藻在短時間內(nèi)大量繁殖，在水面形成一層“浮膜”。在水體富營養(yǎng)化狀況得不到有效控制之前，這種現(xiàn)象會周期性地重復出現(xiàn)。藍藻水華的快速爆發(fā)，主要是通過營養(yǎng)繁殖和孢子繁殖兩種方式實現(xiàn)的，而藍藻還具有準性生殖等其他繁殖模式^【1】。

02

藍藻水華的發(fā)生機理

水體富營養(yǎng)化指的是由于施用磷肥、氮肥等，導致水體中營養(yǎng)鹽積累的現(xiàn)象，被認為是引發(fā)水華（即藻類或藍細菌大量繁殖）的主要原因。值得注意的是，營養(yǎng)鹽的富集具有累積性，因此在環(huán)境監(jiān)測中，可能會低估其影響程度^【3】。

除了營養(yǎng)鹽這一主導因素外，溫度、海洋酸化、生物間相互作用（如浮游動物牧食）、水體動力學等，也被視為影響水華爆發(fā)的重要環(huán)境和生物因子^{【4】【5】【6】}。要全面研究和監(jiān)測水華的形成及其對生態(tài)系統(tǒng)的影響，還需要長期跟蹤各營養(yǎng)級的變化情況和整個生態(tài)系統(tǒng)的演變記錄^【3】。

在研究藍藻水華爆發(fā)的影響因素基礎上，學者們針對其發(fā)生機理提出了多種假說并開展了相關驗證，如：總氮總磷比假說、水溫升高假說、微量元素假說和浮游動物牧食假說等^【1】。

其中，總氮總磷比假說和低光強度假說受到了廣泛討論和實證研究。前者認為，當水體中總氮總磷比值約為15時，海洋和淡水中的藻類會大量爆發(fā)，這一點已在實驗室中使用束絲藻獲得驗證^【7】。而且，盡管不同藻類適宜的比值有所差異，但通常不會超過29:1^【8】。后者則提出，由于藍藻細胞含有多種捕光色素，因此能在不同水深生存，具有較高的生長效率，易于形成水華^{【9】【10】}。

已有研究發(fā)現(xiàn)，有些藻類的繁殖與水體富營養(yǎng)化更為相關，而另一些則更受水溫升高影響^【11】。因此，上述假說是否僅適用于特定水域或特定藍藻種類，或者藍藻水華爆發(fā)是由多種機制共同驅(qū)動的，仍需開展更多研究加以探索。

與水溫升高假說相應，氣候變化已被廣泛證實會影響包括浮游植物在內(nèi)的海洋生命體繁衍與生存，換言之，氣候變化極有可能導致水華，尤其是有害水華的發(fā)生頻率和強度增加^{【2】【12】【13】}。

03

藍藻水華的危害

藍藻水華會釋放毒素，形成有毒的有害藻華(Harmful Algal Blooms, HABs)，不僅會威脅生態(tài)系統(tǒng)的正常功能，還會影響水質(zhì)（導致水體散發(fā)惡臭）和漁業(yè)（引起水體缺氧而導致魚類大量死亡），對人類健康也會產(chǎn)生負面影響^{【2】【14】}。

雖然藍藻能夠吸收二氧化碳并釋放氧氣，但在被微生物降解的過程中，卻會消耗大量氧氣，可能導致魚類和底棲無脊椎動物的死亡^【15】。此外，藍藻合成的環(huán)肽類和生物堿類毒素會對鳥類及包括人類在內(nèi)的哺乳動物的肝臟、消化系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)造成損害^{【16】【17】}。

例如，面積約2400平方千米的太湖，在春季時往往會被藍藻水華徹底覆蓋，這對水質(zhì)、漁業(yè)和旅游業(yè)均產(chǎn)生了嚴重不利影響。2007年，由微囊藻主導的有毒水華甚至一度威脅到無錫市民的飲用水安全^【2】。類似情況也發(fā)生在北美洲的五大湖，那里長期受到藍藻水華的困擾。2014年，水華藍藻的爆發(fā)也曾一度威脅到美國俄亥俄州市民的飲用水安全^【18】。

小小藍藻引發(fā)的水華危害如此之大，有什么好辦法能治一治它呢？

04

藍藻水華的治理方法

治理水華的方法有多種，包括降低水體富營養(yǎng)化水平、采用水動力學和化學方法，以及生物防治等。這些方法在一些湖泊的治理中已被證實有效，但其是否適用于所有藍藻水華的治理仍缺乏保證^【2】。

?降低水體富營養(yǎng)化水平

從源頭控制流入水體的營養(yǎng)物質(zhì)，降低水體富營養(yǎng)化程度，這種方法通常被視為解決藍藻水華爆發(fā)的根本之策。比如，具體措施如禁止在洗滌劑中添加磷酸鹽、減少磷肥施用等。不過，這一過程往往需要數(shù)年甚至幾十年才能見效^{【19】【20】}。

?水動力學方法

水動力學方法指通過人工增加水流動，如增加水量，破壞藍藻依賴氣囊獲得的浮力優(yōu)勢，使其地位被綠藻和硅藻所取代，從而緩解水華。盡管這種方法有效，但其所需成本通常較高^【21】。

?化學方法

化學方法雖能快速去除水華，但難以長期奏效，且多數(shù)化學品對其他水生物也有毒性，因此通常不被推薦^【22】。

?生物防治

生物防治雖看似可行，但在實際應用中存在諸多挑戰(zhàn)。例如，雖然病毒或真菌能快速殺死藍藻，但難以長期發(fā)揮作用^{【23】【24】【25】}。貽貝等濾食性軟體動物對治理藍藻水華的效果也有待驗證^{【2】【13】}。而通過人為調(diào)節(jié)浮游動物和魚類種群結構來抑制水華，只有在同步降低水體富營養(yǎng)化水平或持續(xù)人為干預的情況下，才能取得長期效果^{【26】【27】【28】}。

小結

藍藻水華作為一種由水體富營養(yǎng)化、氣候變化等多重因素促成的現(xiàn)象,在20世紀末至21世紀初的20年間,曾在中國多個湖泊和水庫廣泛爆發(fā)。盡管水生生態(tài)系統(tǒng)的這一轉(zhuǎn)變過程仍有待深入研究探討,但我們通過野外實地考察和室內(nèi)控制實驗,已認證過量的氮磷營養(yǎng)物質(zhì)以及高溫環(huán)境是誘發(fā)藍藻快速增殖的主要誘因^【1】。

因此,控制水體內(nèi)氮磷含量被視為治理藍藻水華的根本對策。然而,對于大中型湖泊而言,實施此策略需耗費大量人力物力,且見效周期較長。在吸收前人研究經(jīng)驗、結合中國實際情況和傳統(tǒng)漁業(yè)知識的基礎上,謝平研究員孜孜不倦地開展創(chuàng)新實踐,終獲寶貴經(jīng)驗，他成功完成藍藻水華防治,為中國藍藻水華綜合治理取得關鍵性突破，成功阻止了22年武漢東湖的藍藻水華爆發(fā)^【29】。

在眾多科研人員的不懈努力下,針對水生系統(tǒng)的修復與維護這一復雜的系統(tǒng)工程已逐步形成可落地、可迭代的方法論?？茖W的治理理念結合國內(nèi)污染治理力度的加大、法律法規(guī)的日趨完善以及公眾環(huán)保意識的逐步提高,有害的藍藻水華等水質(zhì)問題終將迎刃而解。

參考文獻

作者：厲威池 北京大學生命科學學院碩士

審核：鐘瑾 中國科學院微生物研究所研究員

出品：科普中國

監(jiān)制：中國科學技術出版社有限公司、中科數(shù)創(chuàng)（北京）數(shù)字傳媒有限公司