湖泊蓝藻水华发生机理研究进展
蓝藻水华及其所产生藻类毒素的研究进展
28生物技术世界 BIOTECHWORLD蓝藻大约出现在距今33～35亿年前,目前人们所发现的蓝藻大概有2000种,在我国有记录的蓝藻约有900种,其遍布于世界各地[1]。
蓝藻是所有藻类生物中最简单、最原始的一类,蓝藻的细胞中央有核物质,虽然核物质内没有核膜和核仁,但其仍具有核的功能[2]。
其繁殖方式分为营养繁殖和产生内生孢子或外生孢子的无性生殖两种。
1 蓝藻水华的产生蓝藻水华的发生机理一直都是生态学领域所关注的热点问题。
经过多年来的不断探索,科学家们先后提出了几种可能性的理论或假说,从某些方面对蓝藻水华的产生进行了阐述。
(1)氮磷比假说Redfield 认为氮磷比为16时对藻类的生长是最适宜的[3],实验也证明了氮磷比为16时会出现束丝藻水华[4],其他学者所做的研究也从不同方面支持和补充这一说法,Smith [5]认为发生蓝藻水华时水蓝藻水华及其所产生藻类毒素的研究进展赵天琦 宋福强(黑龙江大学 黑龙江哈尔滨 150080)摘要:蓝藻水华已经成为人类所关注的重要环境问题之一。
在最近的几十年里,我国的湖泊生态系统受到损害,水体质量有所下降,我国的经济和发展受到一定的制约。
藻类毒素的产生是蓝藻水华带来的主要危害之一,有研究表明世界上25%～75%的蓝藻水华会产生藻毒素。
本文对蓝藻水华及其所产生的藻类毒素的种类、毒性作用等方面进行综合阐述,旨在为生态环境保护和人类健康提供理论依据。
关键词:蓝藻水华 藻毒素 毒性作用中图分类号:X52文献标识码:A 文章编号:1674-2060(2015)06-0028-02Advances in algae blooms and toxinsproduced by cyanobacteriaAbstract:China is one of the countries where cyanobacterial bloom happens most frequently and has the most extensive distribution. In recent decades,China’s economy and development has been restricted due to the damage of lake ecosystem, along with the harm to its function and declining water quality.The main harm that cyanobacterial bloom brings comes from algal toxins. Some research shows that algal toxins can be produced by 25%～75% of cyanobacterial bloom in the world. In this paper, the toxic effects of cyanobacteria toxins and other aspects of the comprehensive elaboration aims to provide a theoretical basis for environmental protection and human health.Key Words: cyanobacteria blooms; algal toxins;toxicity表1-1 常见的蓝藻毒素Table 1-1 Common cyanobacterial toxins蓝藻毒素 毒性靶器官 产毒蓝藻 环肽类微囊藻毒素（microcystin） 肝脏微囊藻（Microcystis） 鱼腥藻(Anabaena) 颤藻(Oscillatoria) 念球藻（Nostoc） 软管藻(Hapalosiphon) 项圈藻（Anabaenopsis） 节球藻毒素（nodularin） 肝脏 鱼腥藻(Anabaena) 颤藻(Oscillatoria)束丝藻（Aphanizomenon） 生物碱鱼腥藻毒素(anatoxin)神经突触鱼腥藻(Anabaena) 颤藻(Oscillatoria)束丝藻（Aphanizomenon） 污秽毒素(aplysiatoxin)皮肤 颤藻(Oscillatoria) 林氏藻（Lyngbya） 裂须藻（Schizothrix）筒胞藻毒素（cylindrospermopsin） 肝脏筒胞藻（Cylindrospermopsis Umezakia） 束丝藻（Aphanizomenon） 林氏藻毒素（lyngbyatoxin-a）皮肤，胃肠系统林氏藻（Lyngbya） 石房蛤毒素（saxitoxin） 神经轴突鱼腥藻(Anabaena) 林氏藻（Lyngbya）束丝藻（Aphanizomenon）筒胞藻（Cylindrospermopsis Umezakia）脂多糖类 能危害任何暴露的组织以上各种蓝藻都产生29BIOTECHWORLD 生物技术世界体中总氮磷比不超过29。
中国太湖蓝藻水华发生的生态学机制研究
中国太湖蓝藻水华发生的生态学机制研究
近年来中国太湖频繁出现蓝藻水华，给当地的生态环境和水资源带来了很大的
威胁。
为了探究这一问题，很多学者对太湖蓝藻水华发生的生态学机制进行了深入的研究。
首先，太湖水华形成的根本原因是水体富营养化，这一现象的产生是由于人类
活动和自然因素等多种因素综合作用的结果。
太湖周边的人口不断增多，随之而来的是大量的化学污染物、生活垃圾和废水排放。
这些垃圾和废水中包含了丰富的营养物质，如氮、磷等，这些养分在水中会转化为植物生长所需的有机物质，形成水体富营养化的现象。
其次，太湖水体富营养化的产生又加速了藻类生长的速度。
水华是以蓝藻为主的。
蓝藻是一种单细胞生物，其存在形式通常是细胞在水体中聚集，形成大量类似显微镜下观察到的绿色细胞。
太湖的富营养化使得水体中的营养物质含量非常高，对蓝藻的生长起到了极大的促进作用。
除此之外，太湖蓝藻水华的形成还与环境因素的影响有关。
在太湖生态系统中，夏季的气温和光照强度都非常高，这为蓝藻的生长创造了非常有利的环境条件。
此外，太湖的水体水动力学也非常重要，由于太湖的面积较大，因此水流运动较慢，这为蓝藻在水体中停留生长提供了足够的时间和空间。
总之，太湖蓝藻水华发生的生态学机制非常复杂，需要多个因素的综合作用才
能真正达到发生水华的程度。
因此，为了预防和治理水华问题，不仅需要从源头上控制污染物的排放，还需要综合考虑水文、生态、环境等因素，制定出一系列科学合理的管理办法，以达到最佳的治理效果。
湖泊蓝藻水华生态灾害形成机理及防治的基础研究
第23卷 第11期2008年11月地球科学进展ADVANCES IN E ARTH SC I E NCEVol.23 No.11Nov.,2008文章编号:100128166(2008)1121115209湖泊蓝藻水华生态灾害形成机理及防治的基础研究3吴庆龙1,谢 平2,杨柳燕3,高 光1,刘正文1,潘 纲4,朱本占5(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京 210008;2.中国科学院水生生物研究所,淡水生态与生物技术国家重点实验室,湖北 武汉 430072;3.南京大学,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 210092;4.中国科学院生态环境研究中心,环境水质学国家重点实验室,北京 100085;5.中国科学院生态环境研究中心,环境化学与生态毒理学国家重点实验室,北京 100085)摘 要:湖泊具有供水、渔业、旅游、维持区域生态系统平衡等功能,是支撑我国经济和社会发展的重要资源之一。
但是近30年来,湖泊富营养化所导致的蓝藻水华频繁暴发,生态灾害事件频发,严重影响湖泊功能的发挥,制约区域经济可持续发展。
针对国家在保障区域水安全和生态安全、保护人民健康及建设和谐社会等方面的重大需求,国家重点基础研究发展计划项目“湖泊蓝藻水华生态灾害形成机理及防治的基础研究”于2008年7月正式立项。
项目拟解决的关键科学问题包括:①湖泊蓝藻水华主要衍生污染物的形成机理、迁移转化规律和毒理效应;②蓝藻水华导致湖泊生态系统结构变化和功能退化的机理;③蓝藻水华生态灾害评估及调控机理。
针对上述科学问题,项目以蓝藻水华污染物的产生、湖泊生态系统结构与功能的响应以及生态灾害的评估与调控为研究主线,重点开展以下几个方面的研究:①蓝藻水华衍生污染物的产生及其环境过程;②蓝藻水华衍生污染物的毒理效应与生态和健康风险;③蓝藻水华导致湖泊生态系统结构变化与功能退化的关键过程和机制;④蓝藻水华灾害治理和调控的的技术原理和途径。
蓝藻水华发生机理研究进展
【文章 编号 ］１００２－０６２４（２０１３）０８－００２１－０２
东北水利水 电
水生态环境
蓝藻水华发生机理研究进展
郑 国 臣 ｔ，官 涤 ２，刘 崇 ３，彭 菲 １，李 娜 １
（１．松辽流域水环境监测中心 ，吉林 长春 １３００２１；２．哈尔滨工程大学航天与建筑学院 ， 黑龙江 哈尔滨 １５０００１；３．城市水资源与水环境 国家重点实验室 ，哈尔滨工业大学 ， 黑 龙 江 哈 尔 滨 １５００９０）
成 慧敏详 细地 介 绍 了水 华蓝 藻 的气 囊形 态 、结 构 、物理化学特性及编码 基 因、蓝藻浮力调节机 制 及研究方法。秦伯强等主张湖水 中溶解性反应磷是 蓝 藻 水 华发 生的关 键 因子 。朱永 春提 出风 浪 的搅 动 作 用使大型浅水湖泊 中的悬浮质释放磷 、氮等营养 元 素 到 水体 中，促 进 藻类生 长闱。谢平 提 出形成 水 华 的蓝 藻还 特 别具有 这种 利 用磷 的正反 馈优 势 。胡鸿 钧提 出了信号说 ：微囊藻年生活周期就是在四种信 号 （低温、黑暗、升温、光照）的驱动下使细胞 内某些 基 因体系被打开或被关 闭，这种开关通过有条不紊 的 、节律 性 的调节 转录 来建 立 嘲。孔 繁翔根 据 生态 学 的基本理论对水华形成过程的原位观测 ，提出了蓝 藻水华成因的 ４阶段理论假设 ，即在四季分 明 ，扰 动剧烈的长江 中下游大型浅水湖泊中，蓝藻的生长 与水华的形成可 以分为休 眠、复苏、生物量增加、上 浮及聚集 ４个阶段 ，每个阶段 中蓝藻的生理特性及 主导 环境 影 响 因子 有所 不 同同。
［摘 要 】系统 论述 了水华蓝藻的 生态、毒 性等研 究概 况及 水华发生机理等 。综述 了生物 因子 以
及非 生物 因子对蓝 藻群体 形成的影响 ，以进 一步揭示蓝 藻水华形成 的机理 。
藻类水华的发生机理及控制措施初步研究——以贵州乌江思林水库为例
藻类水华的发生机理及控制措施初步研究——以贵州乌江思林水库为例摘要：藻类水华会引起水质恶化，造成水体缺氧，造成水生生物的大量死亡。
本文初步分析了思林水库发生藻类水华的原因，提出了思林水库水环境治理措施初步建议，对水库蓄水初期水环境治理提供了借鉴。
关键词：藻类水华；富营养化；控制措施0 前言乌江是长江上游右岸最大的一级支流，发源于贵州省西北部乌蒙山东麓。
乌江流域是我国十三大水电基地之一。
乌江思林水电站位于乌江干流中游思南县境内，是乌江干流规划的第八个梯级。
思林电站的建设形成了思林水库，思林水库正常蓄水位440m，坝址多年平均流量849m3/s，具备日调节性能。
2009 年3 月28 日，思林水库开始下闸蓄水。
蓄水成库初期，在水库坝前、支流和部分河段等断面开始出现藻类水华，其中坝前断面的和文家店断面出现的该现象尤为严重。
思林水库藻类水华，给库周的老百姓饮用水安全带来一定影响。
为了保护思林水库生态环境，保障水库周边饮用水安全，维护思林电站和水库周边区域的和谐发展环境，思林电站建设单位贵州乌江水电开发有限责任公司专门组织了专家对思林水库藻类水华开展调查研究，以求充分了解此次藻类水华的基本情况及影响，找出思林水库藻类水华成因，提出解决问题的方法。
为此，国家水电可持续发展研究中心廖文根研究员会同中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司、贵州师范大学、中科院地球化学研究所等单位专家对思林水库藻类水华问题进行了实地诊断调查。
贵州师范大学和中科院地球化学研究所对思林水库水质及浮游植物进行了细致的监测、检测。
本文根据专家现场诊断调查结论、监测检测数据、乌江流域的水环境状况，对思林水库藻类水华的发生机理及控制措施进行初步研究。
1 乌江流域水环境基本状况乌江流域位于东经104°18′～109°22′，北纬26°07′～30°22′，流域总面积8.79 万km2。
乌江中上游位于黔中地区，是贵州目前最发达的地区，流域居住人口近2000 万。
蓝藻水华研究进展及预防控方法初探
基于误差 反 向 传 播 算 法 ! O60h VJ7V6/6M>7D$ 的 多 层前馈网络! 简称 H_网 络 (&&) $ 模 型 是 目 前 应 用 最 广 泛的人工神经网络"通过模型中输入与输出的非线性 关系特征"对代表 案 例 进 行 学 习 和 训 练 " 能 够 掌 握 事 物的本质特征"已被广泛应用于藻类生长和水质状况 等 方 面 的 研 究 (&Z8&+) &
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我国湖泊富营养化与蓝藻水华爆发机理研究文献计量分析
论文数量（篇）
系列1
图 1 1979-2008 年间我国湖泊富营养化与水华爆发研究论文数量年代分布
2.2 领域核心作者分析 对所有发表相关论文进行作者分析，按照第一作者统计发表文章 16 篇的有
1 人，12 篇 3 人，11 篇 1 人，8 篇 2 人，7 篇 6 人，6 篇 3 人，5 篇 5 人，发表 文章 4-2 篇为 250 人，发表 1 篇论文作者 1,406 人。表 1 是发表论文 5 篇以上的
我国湖泊富营养化与蓝藻水华爆发机理研究文献计量分析
吴跃伟 李友华 刘心念 沈汉强 梅建伟 （中国科学院国家科学图书馆武汉分馆 中国科学院水生所图书馆）
近年来，由水体富营养化引起的蓝藻水华暴发已经成为我国众多湖泊污染的 主要形态，蓝藻水华的爆发给人们生活以及我国国民经济发展带来了极大的危 害，预防、控制和减少蓝藻水华的发生及其危害是我国环境问题研究的重要工作 内容，因此我国政府不断加大投入，相关领域的科研人员也开展了大量卓有成效 的研究工作，取得了大量相关研究成果。本文采用文献计量学方法，通过对我国 湖泊富营养化和蓝藻水华爆发研究相关领域的科研产出进行分析，旨在帮助相关 领域科研人员掌握我国在湖泊富营养化和蓝藻水华科研领域的现状及布局，为进 一步开展相关领域研究提供参考依据。 1. 材料与方法 1.1 数据库来源
发表论文 16 12 12 12 11 8 8 7 7 7 7 7 7 6 6 6 5 5 5 5 5
所在机构 暨南大学水生生物研究所 深圳大学生态环境研究所, 中国科学院水生生物研究所 中国科学院水生生物研究所 中科院南京地理与湖泊研究所 首都师范大学生物系 中国科学院水生生物研究所 中国科学院环境化学研究所 中科院南京地理与湖泊研究所 云南大学生物系 厦门大学环境科学研究中心 中国科学院水生生物研究所 中国科学院水生生物研究所 上海师范大学 河南师范大学生命科学学院 中国科学院水生生物研究所 中国科学院水生生物研究所 山西大学环境与资源学院 中国科学院水生生物研究所 华中师范大学生命科学学院 中国科学院南京地理与湖泊研究 所
不同湖泊水华发生机制研究进展
项 圈 藻、微 囊 藻、 颤藻
日本的霞浦湖
温带 海 洋 性 气 候 （ 冬 暖 夏 凉，年 温
面 积： 219. 9 km2 ， 项 圈 藻、微 囊 藻、
差小，全年多雨） 均深： 3. 9 m
小环藻
5 ～9
法国的湖泊
温带 海 洋 性 气 候 （ 冬 暖 夏 凉，年 温 差 小 ，全 年 多 雨 ）
项 圈 藻 、微 囊 藻
Transparency
较 大［12，13］
C 、C hl -a 、TD P 、TN 、 Sunlight
Stagnant water、 Sunlight、TN、TP
不同 藻 类 水 华 影 响 因 子 不 同，比 如，太 阳 辐 射与微 囊 藻 呈 负 相 关， 与 MC-LR 呈 现 正 相 关［14］
74
云南的滇池常年都有［19］，这和昆 明 属 于 温 带 高 原 型 湿润季风气 候，常 年 温 度 较 高 是 分 不 开 的． 由 此 可 知，湖泊水华的发生 与 湖 泊 所 在 区 域 的 气 候 带 密 切 相关．
从引起水华的 藻 类 特 征 来 看，大 部 分 湖 泊 水 华 以蓝藻为主，国 外 有 很 多 相 关 记 载［20］，国 内 很 多 水 体也 暴 发 蓝 藻 水 华，如： 太 湖、巢 湖、东 湖 和 滇 池 等 ． ［21，22］ 形 成 蓝 藻 水 华 的 主 要 藻 类 包 括 鱼 腥 藻 （ Anabaena ） 、 微 囊 藻 （ Microcystis ） 、 束 丝 藻 （ Aphanizomenon） 和颤藻（ Oscillatoria） ，有时直链硅 藻（ Melosira） 也 伴 随 着 大 量 滋 生． 不 同 藻 种 形 成 水
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认为蓝藻水华是在各种环境因子(外因)的耦合驱动下,水华 蓝藻由于其独特的生理生态特性(内因),产生巨大的生物量 而在浮游植物群落中占绝对优势,在合适的水文气象条件 下集聚于水表而形成。 因此水华机理的研究应同时关注水 华蓝藻的生理生态学规律和蓝藻水华发生的各种环境条件 不同环境因子协同影响水华蓝藻的不同生理生态特性的表 达,从而影响水华的发生过程,将可能是以后研究的重点。 蓝藻水华机理的研究在微观方面正趋向于应用分子生物学 手段分析蓝藻生理过程,宏观方面则将广泛应用遥感遥测 技术观测全湖蓝藻的变化规律。
蓝藻 （26种）
微囊藻属 10 种
鱼腥藻属 (Anabaea) 12 种
拟鱼腥藻 属 (Anabaen opsis) 1种
束丝藻属 (Aphaniz omenon) 1种
浮丝藻属 (Planktot hrix) 1种
拟浮丝藻 属 (Planktot hricoides) 1种
太湖
巢湖
滇池
国内外研究重点为外部的环境因子 和水华蓝藻的生理生态特性
• 蓝藻以快速生长的 r 对策迅速占据生态空 间,获得竞争优势,并且随着温度的升高出现 明显的微囊藻基因型演替现象。
• 全球气候变暖可能从多个途径促进水华的 发生
4 微量元素
• 水体微量元素充足时可能促进蓝藻水华的形成。 实验证明蓝藻比真核微藻需要更多的微量元素 • 当铁的浓度在0. 1—1. 0mg / L 时,藻类开始从绿 藻向蓝藻演替; • 铁是固氮酶的组成要素之一,因此是固氮蓝藻基本 元素
环境 因子
氮磷营 养盐
总氮、 总磷比
水温
微量元 素
浮游动 物牧食
水文条 件
气象条 件
1 氮磷营养盐
• 总氮和总磷分别超过0. 5 mg / L 和0. 02 mg / L,就可能暴 发水华 • 随着湖泊富营养化,特别是磷浓度的增加,通常会导致水体 中蓝藻在浮游植物群落演替中占优势 • 湖水中溶解性反应磷(SRP)是蓝藻水华发生的关键因子, 我国多数湖泊水体中溶解性有机磷(DOP)浓度比溶解性反 应磷高1 倍以上,其中大约60%左右的DOP 可被碱性磷酸 酶水解后供藻类生长,激发太湖浮游植物体内碱性磷酸酶 活性的阈值浓度可能是0. 02mg / L 的 PO3-4 ; • 当水华暴发时,水体中的磷酸盐浓度远低于暴发阈值,藻体 内酶被诱导大量产生,从而使水中碱性磷酸酶的数量、活 性急剧增加,水体中其他形态的磷不断分解、释放出可溶 性无机磷(DIP),使得水体中由于水华暴发所消耗的 PO3-4 得到补偿 • ,在德国博登湖、荷兰Veluwe 湖和德国M俟ggel 湖观测到, 蓝藻生物量的确可以在营养盐输入减少时降低。 在日本 琵琶湖,富营养化得到控制后,蓝藻水华基本消失
生理 生态
伪空泡(气囊)
蓝藻具有伪空泡或伪空泡群,调节伪空泡 的浮力可使蓝藻在水柱中占有有利吸收光 能的位置
胶质鞘
.
几乎所有蓝藻都有胶质包被,胶被由微原纤维构 成。 胶质具有重要的生理生态功能:藻丝运动、垂 直分布的调节、营养储存、营养物质的螯合与加 工、代谢的自我调节、防御氧的侵害、防御金属 的毒性、防御草食性牧食和防御被消化 这些功能可能使得蓝藻在与其他浮游植物的竞争 中占优势而形成水华。
• 今后加强对水华蓝藻生理生态特性的基因表达与 调控和环境多因子耦合作用于蓝藻水华过程的研 究将有重要意义。 • 蓝藻水华的机理研究包括现象、过程和原因3 个 层次的问题,通过大量的现象和过程的研究,不断揭 示其发生过程中水华蓝藻的群落演替、种群发展、 细胞活性和分子机理等变化规律,才能找到其发生 的真正原因, 为其防治提供理论依据和更好的治理 措施。 • 在蓝藻水华防治方面,控制营养盐和生态修复可能 将是今后很长时间内最根本最有效和最具操作性 的方法。
6 水文条件
• .蓝藻的生长需要稳定的水体,水体的稳定性与微囊 藻的悬浮机制密切相关
• 在水力滞留时间短的水体中的浮游植物组成中会 失去竞争优势。 一般认为水力滞留时间少2 周时, 蓝藻难以有效地聚集形成水华 • 水滞留时间越长,发生水华的可能性越大;相反地, 滞留时间越短,不利于藻类的繁殖,较难以维持种群 数量,不易形成水华
李朝亮 201100140080Leabharlann 湖泊蓝藻水华发生机理 研究进展
马健荣,邓建明 秦伯强,龙胜兴
第 33 卷第 10 期 2013 年5 月
摘要:
• 蓝藻水华是富营养化湖泊常见的生态灾害,通过产生毒素、 死亡分解时使水体缺氧和破坏正常的食物网威胁到饮用水 安全、公众健康和景观,会造成严重的经济损失和社会问 题,揭示其发生机理是进行防治的基础。 • 综述了蓝藻水华发生机理的主要假说和证据,主要分为环 境因子(营养盐、氮磷比、温度、微量元素、浮游动物牧 食、水文和气象条件等)和生理生态特性(伪空泡、胶质鞘、 CO2 浓缩机制、适应低光强、贮藏营养物质、防晒、产 毒素和固氮等)两个方面; • 评述了主要新理论,展望了今后的研究。 到目前为止的研 究表明寻找一两个关键因子并不能阐明蓝藻水华的发生机 理。 现存的理论或假说尽管已经在蓝藻水华的防治实践 中产生重要作用,但仍然未能清楚地阐释其发生的客观规 律。
7 气象条件
• 水华通常在较为稳定的水体中出现,轻缓的 风浪促进蓝藻水华的形成。 • 大于3 m/ s 的风速可以把表层水华带到水 下
• 光照强度和日照时间对蓝藻水华发生有重 要影响
生理生态特性
• 蓝藻独特的生理生态特性是同其他浮游植 物的竞争优势,这是蓝藻水华形成的前提,在 环境适宜的环境中(如富营养化),这种优势就 充分表现出来,大量生长而形成水华。
5 浮游动物牧食
• 只有当水华蓝藻能抵抗浮游动物的牧食后才能形 成优势种群,因此能抵御浮游动物牧食的大群体蓝 藻大量生长形成水华 • 浮游动物对绿藻的捕食,遏制了绿藻的生长,促使蓝 藻快速生长形成优势种,这种现象在磷浓度很高时, 比较容出现 • 因为,磷浓度高,绿藻会在竞争中占优势,但是浮游 动物存在时,会遏制绿藻生长。
2 总氮、总磷比
• Redfield 认为 N 颐P 为16 时对藻类的生长 是适宜的 • 实验也证明了 N 颐P 为16 时出现束丝藻水 华 • Smith认为发生蓝藻水华时总氮总磷比不超 过29:1。 • 实验研究不断支持并补充这一假说 • 有人质疑低氮磷比是蓝藻水华暴发的结果, 而不是原因
3 水温