一種藻類對水質tn貢獻的估算方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及湖泊生態(tài)控制技術領域，更具體地涉及一種藻類對水質TN貢獻的估 算方法，為定量研究和解決湖泊水華生態(tài)災害提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。
【背景技術】
[0002] 健康湖泊生態(tài)系統(tǒng)中外源輸入的氮、磷在浮游藻類利用、沉積物沉降與吸附、水生 植物與微生物利用、以及進入大氣等物質循環(huán)間的比例是動態(tài)平衡的。由于浮游藻類對營 養(yǎng)鹽具有特殊敏感性和高度適應性，富營養(yǎng)化湖泊的優(yōu)勢藻類異常增殖，常形成"水華"，破 壞了水生生態(tài)系統(tǒng)物質能量交換的平衡，嚴重時可引發(fā)生態(tài)災變。對過量藻類水華的控制 和去除已日益成為富營養(yǎng)化湖泊污染控制的重要內容。
[0003] 水華爆發(fā)及形成機制的研究經(jīng)歷了氮磷營養(yǎng)鹽限制理論、非穩(wěn)態(tài)種間競爭理論、 藻類休眠復蘇理論等過程。這些理論從優(yōu)勢藻類對營養(yǎng)需求、外界干擾、自身生理優(yōu)勢等角 度闡述了藻類異常增殖的機理，并運用宏觀技術對水華規(guī)模開展了定性研究。這些研究有 助于了解藻類種群結構特征與相應水質的動態(tài)變化關系，但未能將藻類生物量與對水質的 貢獻建立定量聯(lián)系，難以確定湖泊水華生態(tài)災害的定量控制目標。針對這一問題，國家在水 體污染控制與治理科技重大專項"十一五"和"十二五"課題中，均把藻類對湖泊水質的貢 獻量和貢獻率的估算作為重點科學問題來開展深入研究。
[0004] 廣義上理解，湖泊藻類對水質貢獻的估算是一個開放的體系，即其計算應考慮藻 自身貢獻、藻代謝貢獻、被攝食與分解、入湖與出湖的量五部分的影響。事實上，由于牧食或 分解藻類的水生動物和微生物的生命周期不同，攝食分解量不同，物質的循環(huán)次數(shù)不同，使 這一計算過程變得異常復雜，誤差控制難度較大，難以得到藻對水質貢獻的準確值。
[0005] 目前通常采用試驗藻類對水質貢獻的方法來計算藻對湖泊營養(yǎng)水平的貢獻。本 發(fā)明估算方法是指在特定環(huán)境條件下，不考慮藻類被攝食、微生物攝取與分解、出入湖的藻 類的生物量與代謝量，僅將藻類凈增長過程中藻細胞自身和代謝物質（統(tǒng)稱藻類物質）， 在單位時間內的貢獻量。研究表明，藻類物質一般由胞內物質（Intracellular Organic Matter，Ι0Μ，如大分子蛋白質、碳水化合物、核酸、酶類、脂類和色素等為主）和胞外物質 (Extracellular Organic Matter，Ε0Μ，如酸性多糖類碳水化合物為主，并包括少量蛋白質 和脂類等）組成。藻細胞破裂釋放的溶解性有機質中包含有25%~50%的氨基酸和蛋白 質、40%的碳水化合物，以及藻毒素和異味物質等次生代謝物等親水或疏水物質。目前對藻 類物質化學結構和定量表征已成為藻類研究的熱點，但其作為整體對湖泊水質貢獻的定量 響應關系尚未建立。

【發(fā)明內容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種藻類對水質TN貢獻的估算方法。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種藻類對水質TN貢獻的估算方法，通過模擬 湖泊藻類生物量與水質指標間的定量響應關系來對所述藻類對水質TN貢獻進行估算。
[0008] 其中，所述藻類TN貢獻與湖泊藻密度D的定量擬合計算公式為：
[0009] A' TN= -3. 406+0. 21 ILn (D);
[0010] D為藻密度，單位為cell/L，藻密度D要求大于1.05X107cell/L。
[0011] 基于上述技術方案可知，本發(fā)明的估算方法具有以下有益效果：（1)定量表征藻 類對水質的貢獻是富營養(yǎng)湖泊水華控制技術的重要依據(jù)，本發(fā)明在模擬不同溫度和營養(yǎng)水 平下，通過對藻類貢獻的測定和模型擬合成了藻類內貢獻理論估算的方法體系，為計算藻 類物質對富營養(yǎng)化湖泊水質的實際貢獻提供理論依據(jù)和技術指導；本發(fā)明（2)本發(fā)明通過 模擬自然實際湖泊春季與夏季不同溫度與營養(yǎng)水平，開展室內藻類生長AGP實驗，通過膜 濾手段實現(xiàn)胞內物質與胞外物質的分離，利用P (COD)、P (TN)、P (TP)等總體定量表征指 標，建立了微觀藻類物質與宏觀水質指標的定量關系，并對藻類水華生態(tài)災變的治理實踐 提供技術支撐；（3)本發(fā)明藻類對水質TN貢獻估算方法填補了國內外估算藻類對水質貢獻 的空白，估算結果與實際湖泊水體藻類對水質貢獻結果偏差較小，可以準確地反映真實情 況，在湖泊水華控制中具有重大應用價值。
【附圖說明】
[0012] 圖1A-1D分別為模擬春季15°C 5種藻藻類ATP、ATN、ActdC A "3_貢獻的曲線圖；
[0013] 圖2為15°C時不同營養(yǎng)水平5種藻穩(wěn)定期藻密度變化的曲線圖；
[0014] 圖3A-3D分別為23°C時5種藻穩(wěn)定期藻類ATP、ATN、A ctdci^P A OTMn貢獻的曲線圖；
[0015] 圖4為23°C時不同營養(yǎng)水平藻類穩(wěn)定期藻密度變化的曲線圖；
[0016] 圖5為Atp與藻密度的回歸曲線圖；
[0017] 圖6為A' TN與藻密度的回歸曲線圖；
[0018] 圖7為Acmfr與藻密度的回歸曲線圖；
[0019] 圖8為Acmin與藻密度的回歸曲線圖。
【具體實施方式】
[0020] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0021] 本發(fā)明公開了一種藻類對水質TN貢獻的估算方法，通過模擬湖泊藻類生物量與 水質指標間的定量響應關系來對所述藻類對水質TN貢獻進行估算。
[0022] 其中，藻類TN貢獻與湖泊藻密度D的定量擬合計算公式為：
[0023] Atn= -3. 406+0. 2IlLn (D)；
[0024] D為藻密度，單位為cell/L，藻密度D要求大于1.05X107cell/L。
[0025] 其中，估算方法的模擬藻類生長溫度為模擬春季15°C和模擬夏季23°C。
[0026] 其中，模擬湖泊藻類生物量的步驟通過對藻類進行培養(yǎng)液培養(yǎng)來獲得所述湖泊藻 類生物量數(shù)值，藻類培養(yǎng)液的營養(yǎng)水平設置為貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)和富營養(yǎng)三種，培養(yǎng)液水質的 配置指標如下表所示：
[0027] CN 105184100 A 說明書 3/6 頁
[0028] 其中，不同營養(yǎng)水平的空白和藻類培養(yǎng)液均按上表配置。
[0029] 其中，進行模擬的所述湖泊藻類為銅綠微囊藻（Microystis aerufinosa)和水華 束絲藻（Aphanizomenon flos-aquae) 2 種藍藻，四尾概藻（Scenedesmus quadricauda)和 小球藻（Chlorella vulgaris)2種綠藻，放射舟形藻（Navicula radiosa)l種娃藻。
[0030] 其中，進行藻類TN貢獻測定與計算的公式為：
[0031 ] A TN= N「Nc，
[0032] Atn為藻類TN貢獻，Nb為穩(wěn)定期藻水混合液過濾前P (TN)，N。為與穩(wěn)定期的未加 藻的培養(yǎng)液空白P (TN)。
[0033] 為了進一步說明本發(fā)明的技術方案，下面結合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明 的技術效果進行闡述說明。
[0034] 夸試藻種
[0035] 本發(fā)明選擇了湖泊浮游植物主要代表物種藍藻、綠藻和硅藻中的5種典型優(yōu)勢藻 為受試物種，模擬自然湖泊藻類的組成。其中包括銅綠微囊藻(Microystis aerufinosa)和 水華束絲藻（Aphanizomenon flos-aquae) 2 種藍藻，四尾概藻（Scenedesmus quadricauda) 和小球藻（Chlorella vulgaris) 2種綠藻、放射舟形藻（Navicula radiosa)l種娃藻，5種 藻均由中國環(huán)境科學研究院藻種庫（CRAES-AP)提供。
[0036] 藻類的培養(yǎng)
[0037] 設定春季模擬溫度為15°C，夏季23°C，將藻類培養(yǎng)液分別配制成模擬貧營養(yǎng)、中 營養(yǎng)、富營養(yǎng)3個不同營養(yǎng)水平的藻類培養(yǎng)液，考察不同營養(yǎng)水平湖泊藻對水質的貢獻，包 括藻胞內與胞外藻類物質對水質的貢獻。藻類培養(yǎng)液配置水質見表1。
[0038] 表1藻類培養(yǎng)液配置水質
[0040] *不同營養(yǎng)水平的空白和藻類培養(yǎng)液均按上表配置。
[0041] 在500mL的培養(yǎng)瓶中加入200mL配置的培養(yǎng)液，將銅綠微囊藻、四尾柵藻分別接 入3個營養(yǎng)級的培養(yǎng)液，接種濃度為8 X 105cel 1/L。將放射舟形藻接入3個營養(yǎng)級的培養(yǎng) 液，接種濃度為8X105cell/L。每組均設3個重復。光強40001UX，光照周期為12h : 12h， 每三小時隨機調換培養(yǎng)瓶位置。模擬春季的溫度設為（15±1)°C，模擬夏季的溫度設為 (23±1)。。。
[0042] 測宙方法
[0043] 藻密度采用OLYMPUS CX41(日本奧林巴斯公司）3目顯微鏡和血球計數(shù)法測定。 在藻類穩(wěn)定增長期采用〇. 45 μπι、3 μπι和30 μπι玻璃纖維膜分別測定藻類培養(yǎng)液過膜前后 的P (COD)、P (TN)、P (TP)數(shù)值，作為藻類對水質的貢獻與藻密度關系擬合的基礎數(shù)據(jù)。 P (COD)測定采用重鉻酸鉀法（C0D&)和酸性高錳酸鉀法（C0DMn)，P (TN)的測定采用堿性 過硫酸鉀氧化紫外分光光度計法、P (TP)的測定采用過硫酸鉀氧化分光光度計法進行。
[0044] 計筧方法
[0045] 本發(fā)明中藻類對水質貢獻的的計算公式為：
[0046] Aip=Pb-Pc
[0047] Atn=N1j-Nc
[0048] Acon=Cb-Cc
[0049] Atp為藻類對水質TP貢獻，mg/L，P b為穩(wěn)定期藻水混合液過濾前P (TP)，mg/L，P c為與穩(wěn)定期未加藻的培養(yǎng)液空白P (TP)，mg/L ;ATN為藻TN貢獻，mg/L，Nb為穩(wěn)定期藻水混 合液過濾前P (TN)，mg/L，N。為與穩(wěn)定期的未加藻的培養(yǎng)液空白P 〇^'〇，11^/14(；。[)為藻(1? 貢獻，mg/L，Cr法測的為AraD&，Mn法測的為A_n，Cb為穩(wěn)定期藻水混合液過濾前P (COD)， mg/L，C。為與穩(wěn)定期未加藻的培養(yǎng)液空白P (COD)，mg/L，Cr法為C el，Mn法為Cc2。
[0050] 對藻密度及水質指標數(shù)據(jù)結果采用Excel 2007軟件分析，所有指標組內、組間及 指標間相關性與回歸模型采用SPSS 22. 0軟件擬合。
[0051 ] 1、模擬春季藻貢獻計算
[0052] 模擬春季15°C時，5種藻在不同營養(yǎng)條件下穩(wěn)定增長期ATP、Atn和A era貢獻如圖 1A-1D所不。在貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)和富營養(yǎng)水平下，5種藻Atp平均值分別為0. 044、0. 044與 0. 133mg/L，無顯著差異（P > 0. 05) ;3個營養(yǎng)水平下5種藻平均Atp占過膜前藻水混合培養(yǎng) 液P (TP)的比例分別為63%、29%和32%，表現(xiàn)出隨營養(yǎng)水平升高而降低的趨勢；3個營 養(yǎng)水平下均為水華束絲藻Atp值較小，四尾柵藻、銅綠微囊藻、小球藻A TP值較大；貧營養(yǎng)A TP最大與最小間相差31倍，富營養(yǎng)時相差24倍。
[0053] 3個營養(yǎng)水平間Atn差異極顯著（Ρ < 0. 01)。貧營養(yǎng)下5種藻A ΤΝ差異顯著，中營 養(yǎng)和富營養(yǎng)下差異不顯著；不同營養(yǎng)水下Atn均為負值，即加藻后培養(yǎng)液中P (TN)低于空 白對照，并隨營養(yǎng)水平升高負值增大；貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)和富營養(yǎng)條件下Atn最大與最小值分 別相差7、5和3倍；Atn的減少量分別占穩(wěn)定期過膜前藻水混合液