有害藻华

目前我国沿海、内陆湖泊的富营养化现象非常严重。沿海地区有害藻华频发，已经严重威胁当地经济的发展，以及人类的健康和生存环境；而内陆湖泊更为严重，90％以上都存在不同程度的藻华现象。尽管从理论上讲能够治理藻华的方法很多，但是符合无二次污染、成本低、有应用推广价值的很少，所以至今有害藻华治理是目前国际上的难题.

“有害藻华”是由海藻家族中的赤潮藻在特定环境条件下爆发性地增殖造成的。海藻是一个庞大的家族，除了一些大型海藻外，很多都是非常微小的植物，有的是单细胞植物。根据引发赤潮的生物种类和数量的不同，海水可呈现红、黄、绿等不同颜色。水面发生变色的情况甚多，厄水（海水变绿褐色）、苦潮（按即赤潮，海水变赤色）、青潮（海水变蓝色）及淡水中的水华，都是同样性质的现象。

构成有害藻华的浮游生物种类很多，但鞭毛虫类、硅藻类大多是优势种。当发生有害藻华时的浮游生物的密度一般是102—106细胞／毫升。在日本近海淡水流入的内湾，自春至秋均有发生。近年，随着城市和工业废水的增加而出现了富营养化，在东京湾、濑户内海、有明海等赤潮频繁发生。赤潮有时可使鱼类等水生动物遭受很大危害，这是由于赤潮浮游生物堵塞鱼鳃，引起机械障碍，和它们死后分解，迅速消耗氧气，水中氧气不足，以及分泌有害物质等造成的，〔尤其是裸甲藻属（Gymnodinium）和Olisthodiscus等为害甚大〕。一般以为是由于水不流动、富营养化、日照量增大和水温上升等因素综合作用的结果。

伴随着我国经济快速发展的同时，生态环境持续恶化。近年来我国水体中有害藻华（Harmful Algal Blooms，HABs）（包括海洋赤潮和淡水水华）持续高频次发生，已严重影响到居民的饮水安全、水产养殖、水体景观价值等方面，造成了巨大的经济损失。我国各级政府部门和科研机构对水体中浮游植物群落的动态变化进行快速监测、对淡水蓝藻水华和海洋硅藻/甲藻赤潮进行早期预警的需求越来越强烈。
目前我国浮游植物和有害藻华的监测主要采用显微计数、叶绿素含量测定、卫星遥感等技术。显微计数采集的样品需要经过鲁格氏液、甲醛等固定液固定，带回实验室沉淀浓缩后进行定性定量分析，需要花费的时间较长。此外，显微镜下藻类分类和计数需要非常专业的人员，且分析样品的效率较低（一般而言，对一个样品同时进行定性定量分析约需2 h）。叶绿素含量测定是一种相对较快速简单的测量技术，但传统的测量方法多为现场抽滤后带回实验室抽提，然后进行分光光度计分析、荧光分光光度计分析或高效液相色普（HPLC）分析，但这种技术最快也需要1－2天才能获得结果。这两种方法均不能立即反映出水体中的藻类信息，而是要经过一段分析时间，从而降低了生物监测的时效性，大大影响有害藻华的监测/预警。此外，叶绿素含量测定也可用原位传感器进行连续监测，但这种方法多采用若丹明法（化学法）校正数据，误差大，且传感器需要经常维护。卫星遥感具备监测范围广、数据多、不受地理位置和人为条件限制等优点，但其容易受天气条件影响，且往往需要藻类细胞累积到一定程度（可能已经发生藻华）才能监测到，往往达不到预警的效果，而且购买卫星遥感数据费用高，分析复杂，因此卫星遥感多在专业机构进行。

 

有害藻华是一种复杂的生态异常现象，发生的原因也比较复杂。关于赤潮发生的机理虽然至今尚无定论，但是发生的首要条件是生物增殖要达到一定的密度，否则，尽管其他因子都适宜，也不会发生有害藻华，在正常的理化环境条件下，赤潮生物在浮游生物中所占的比重并不大，有些鞭毛虫类（或者假藻类）还是一些鱼虾的食物。但是由于特殊的环境条件，使某些赤潮生物过量繁殖，便形成有害藻华。大多数学者认为，有害藻华发生与下列环境因素密切相关。

一、海水富营养化是有害藻华发生的物质基础和首要条件

由于城市工业废水和生活污水大量排入海中，使营养物质在水体中副集，造成海域富营养化。此时，水域中氮、磷等营养盐类；铁、锰等微量元素以及有机化合物的含量大大增加，促进赤潮生物的大量繁殖。赤潮检测的结果表明，赤潮发生海域的水体均已遭到严重污染，富营养化。氮磷等营养盐物质大大超标。据研究表明，工业废水中含有某些金属可以刺激赤潮生物的增殖。在海水中加入小于3mg/dm3的铁螯合剂和小于2mg/dm3 的锰螯合剂，可使赤潮生物卵甲藻和真甲藻达到最高增殖率，相反，在没有铁、锰元素的海水中，即使在最适合的温度、盐度、PH和基本的营养条件下也不会增加种群的密度。 其次一些有机物质也会促使赤潮生物急剧增殖。如用无机营养盐培养简裸甲藻，生长不明显，但加入酵母提取液时，则生长显著，加入土壤浸出液和维生素B12时，光亮裸甲藻生长特别好。

二、水文气象和海水理化因子的变化是有害藻华发生的重要原因

海水的温度是有害藻华发生的重要环境因子，20—30℃ 是有害藻华发生的适宜温度范围。科学家发现一周内水温突然升高大于2℃ 是赤潮发生的先兆。海水的化学因子如盐度变化也是促使生物因子—赤潮生物大量繁殖的原因之一。盐度在26—37的范围内均有发生赤潮的可能，但是海水盐度在15—21.6时，容易形成温跃层和盐跃层。温、盐跃层的存在为赤潮生物的聚集提供了条件，易诱发赤潮。由于径流、涌升流、水团或海流的交汇作用，使海底层营养盐上升到水上层，造成沿海水域高度富营养化。营养盐类含量急剧上升，引起硅藻的大量繁殖。这些硅藻过盛，特别是骨条硅藻的密集常常引起赤潮。这些硅藻类又为夜光藻提供了丰富的饵料，促使夜光藻急剧增殖，从而又形成粉红色的夜光藻赤潮。据监测资料表明，在赤潮发生时，水域多为干旱少雨，天气闷热，水温偏高，风力较弱，或者潮流缓慢等水域环境。

三、海水养殖的自身污染亦是诱发有害藻华的因素之一

随着全国沿海养殖业的大发展，尤其是对虾养殖业的蓬勃发展。也产生了严重的自身污染问题。在对虾养殖中，人工投喂大量配合饲料和鲜活饵料。由于养殖技术陈旧和不完善，往往造成投饵量偏大，池内残存饵料增多，严重污染了养殖水质。另一方面，由于虾池每天需要排换水，所以每天都有大量污水排入海中，这些带有大量残饵、粪便的水中含有氨氮、尿素、尿酸及其它形式的含氮化合物物，加快了海水的富营养化，这样为赤潮生物提供了适宜的生物环境，使其增殖加快，特别是在高温、闷热、无风的条件下最易发生有害藻华。由此可见，海水养殖业的自身污染也使有害藻华发生的频率增加。

我国浮游生物和有害藻华的测定主要采取显微计数，叶绿素含量测定和卫星遥感技术等。但是它们都有其弊端。

显微计数：采集的方案需要经过鲁格式液，甲醛等固定液固定，带回实验室后进行定性定量分析，需要花费的时间较长。且显微镜下藻类的分类和计数需要很专业的人才，分析样本的效率也较低。

叶绿素含量测定：是一种相对较快速的方法，但是传统的测定方式多为现场抽滤后带回实验室抽提，然后进行分光光度计分析，荧光分光光度计分析或高效液相色谱分析。但是这种技术最快也要一两天才能得到结果。

卫星遥感：具备监测范围广，不受地理条件和人为因素等影响，但是其容易受天气影响，且需要藻类细胞到达一定程度后才可监测到。此外，购买卫星遥感数据费用较高，分析复杂，故多用于专业机构。

监测功能
1） 利用浮游植物荧光仪PHYTO-PAM现场测量蓝藻、绿藻、硅/甲藻的叶绿素a含量和总叶绿素a含量，以及它们的光合活性（“生长潜能”）
2） 利用便携式浮游植物流式细胞仪CytoSense或水下浮游植物流式细胞仪CytoSub对浮游植物细胞数进行快速计数，并获知主要类群的细胞浓度、细胞大小、细胞形态学信息；获知微囊藻、棕囊藻等的群体（囊）动力学变化情况；对于链状藻类，可以测量每条链的细胞数；对于硅藻、甲藻等形状特殊的藻类，可根据浮游植物专家库鉴定到种
3） 利用在线监测型浮游植物流式细胞仪CytoBuoy对水体中的浮游植物进行长期连续监测

1） 根据叶绿素a含量和细胞数变化趋势进行预警
2） 浮游植物的光合活性（“生长潜能”）预示着未来的生长潜力，光合活性高、耐强光的浮游植物在环境条件（营养盐、光照、温度）适合时更容易发生藻华，
3） 微囊藻、棕囊藻等带囊的藻类，不形成囊不发生藻华，而利用CytoSense等可长期监测水体中微囊藻、棕囊藻等“囊”的变化，进行早期预警

1） 浮游植物荧光仪PHYTO-PAM
现场快速对水样中的蓝藻、绿藻、硅/甲藻自动定性（分类）定量（测叶绿素a）
现场快速测量蓝藻、绿藻、硅/甲藻的光合活性（“生长潜能”）
2） CytoBuoy系列浮游植物流式细胞仪（CytoSense、CytoBuoy、CytoSub）
现场快速计数水体中浮游植物细胞总数
现场快速获取浮游植物细胞类群信息（浓度、大小、类群、定种）
现场快速测量微囊藻、棕囊藻等细胞数以及“囊”的比例

浮游植物荧光仪PHYTO-PAM和CytoBuoy系列浮游植物流式细胞仪在有害藻华的监测/预警方面具有非常大的应用潜力，前者重在自动分类的基础上同时了解生物量和光合活性（“生长潜能”），后者重在专门针对浮游植物的细胞计数，且可直接测量微囊藻，对形状特殊的藻可鉴定到种。两种技术都是目前国际上最前沿的技术，且仪器都是为野外应用而设计，充分考虑到了现场监测的困难。两种技术可分别用于有害藻华的监测/预警，如果结合使用，对于监测/预警的效果会更好。相信两种技术对于我们淡水与海洋环境的有害藻华监测/预警都会发挥极大的助力作用。

目前我国沿海、内陆湖泊的富营养化现象非常严重。沿海地区有害藻华频发，已经严重威胁当地经济的发展，以及人类的健康和生存环境；而内陆湖泊更为严重，90％以上都存在不同程度的藻华现象。尽管从理论上讲能够治理藻华的方法很多，但是符合无二次污染、成本低、有应用推广价值的很少，所以至今有害藻华治理是目前国际上的难题。
实践表明，该成果具有无二次污染、成本低、使用方便等优点，既可应用于海水赤潮的治理，又可应用于淡水藻华的消除，同时又可改善水质、对生态环境不产生负面影响。所以，具有很大的推广应用范围。如：养殖水域有害藻华的治理，保护养殖生物的安全；重要水域的有害藻华治理，确保一些重大活动的进行；敏感性水域的藻华治理，改善水域的生态环境以及周边居民环境，等等。除此之外，该方法还能够改善水质、降低藻毒素、对藻华的产生有预防作用，可应用的范围非常广泛。
为使该方法更快和更广泛地应用起来，应对该方法进行更为广泛的宣传，建立一些示范区，通过一系列现场实践，使该方法能够得到更广泛的推广。

中国科学院海洋研究所俞志明课题组，在国家杰出青年基金和赤潮973等项目的支持下，针对黏土絮凝方法治理有害藻华所存在的问题，从理论研究入手，开展了利用改性黏土技术治理有害藻华的研究，提出了旨在提高粘土絮凝效率的粘土表面改性理论，解决了有害藻华治理技术上的重大难题，研究成果得到国内外同行的一致认可。利用该研究成果制备的改性黏土对赤潮生物的去除效率提高几十至几百倍，获国家发明专利授权，被美国、韩国、香港等国家和地区所采用，先后获得国家海洋局创新成果奖、青岛市自然科学奖等。2005年成功应用于第十届全国运动会水上项目比赛场地南京玄武湖藻华治理，充分表明了改性黏土技术对淡水藻华控制的可行性和有效性，被誉为我国淡水藻华治理技术的重大突破，为国内外有害藻华治理提供了一个行之有效的途径。

有害藻华亦称水华，是一种由于水体中微型藻类急剧增殖而导致水生态系统破坏、水质恶化的异常生态现象，可发生在淡水和海水中（在海水中又称之为赤潮）。有害藻华发生时可导致大量水生生物死亡，破坏正常的水生态系统结构，产生有毒物质危及人类健康，严重影响周边景观、生活环境和经济发展。近年来，随着人类活动的增加、水环境富营养化现象加重，有害藻华几乎遍及世界所有国家沿海和内陆湖泊，是一种全球性的生态环境问题，在我国尤为严重。

藻华治理是一个国际性的难题。早在二十世纪五十年代日本、美国等国家就曾探索过藻华的治理方法，但是由于藻华治理要求对生态环境友好、成本低和现场可操作性，很多方法只能局限于实验室研究，难以大规模推广应用。上世纪七十年代，日本开展了黏土法治理海水赤潮的现场研究，该方法成本低、无污染，引起了国际上的重视。但去除效率低、用土量大是该方法的重要缺陷。针对该缺陷，上世纪九十年代中国科学院海洋研究所俞志明研究员提出了利用黏土表面改性提高去除效率的粘土表面改性理论。在此理论指导下，制备出了改性黏土，大大提高了去除藻华生物的效率。

黏土去除藻华技术，源于絮凝原理。传统的黏土除藻技术则以吸附作用为主要学术观点，认为三层结构的粘土??蒙脱土应有较好的絮凝作用，因此许多黏土改性技术也是根据此观点发展的。采用黏土治理方法，国际上最好的结果也需投几克/升的黏土才能取得一定的实效。面对大面积藻华，要向天然水体系投放数百至数千吨的“外来”黏土，无论从生态安全或是操作成本上都存在一定的难度。

俞志明课题组面向国家需求，从理论研究入手，经过长期的探索和实践，提出了利用黏土表面改性提高去除效率的表面改性理论，形成了一套系统的治理有害藻华的理论体系和技术方法，解决了黏土治理理论与技术上的重大难题。他们首次发现多水高岭土絮凝有害藻华生物效率高于蒙脱土这一新的实验现象，纠正了国际上有关蒙脱土絮凝有害藻华生物效率最高的观点；并运用絮凝作用理论，从机制上解释了该实验结果，建立了黏土颗粒与典型藻华生物细胞相互作用模型，阐明了黏土颗粒絮凝有害藻华生物效率的关键控制因子，为解决如何提高黏土絮凝效率这一难题奠定了理论基础。

在理论研究的基础上，课题组提出了旨在提高黏土絮凝有害藻华生物效率的黏土表面改性理论；通过吸附和插入技术制备出高效改性黏土，该改性黏土絮凝有害藻华生物的效率较改性前提高几十到几百倍，是目前国内外文献报道絮凝效率最高的黏土体系，成为当今国际上有害藻华治理的主要推荐方法之一，具有自主知识产权，填补了国内该研究领域的空白，在国际上产生了广泛的影响。

围绕改性黏土治理有害藻华的技术与方法，俞志明研究员带领科技人员分别研究了其絮凝动力学特征和改性黏土对藻毒素（DA）、生态环境、养殖生物等方面的影响，建立了絮凝动力学模型，证明了表面改性对黏土提高絮凝有害藻华生物的效率和速率的双重作用；综合评价了改性黏土对水质、主要养殖生物的影响，证明了该方法对环境的友好性，为该方法的推广与应用提供了科学保障。

由我国该领域著名专家苏纪兰、雷霁霖院士，齐雨藻、刘志礼、于志刚教授，刘永定、朱明远研究员等组成的鉴定委员会对该成果进行了鉴定，一致认为该研究面向国家需求，从理论入手，解决了黏土治理技术上的重大难题，具有重要的理论意义和应用价值，是目前该研究领域最为系统和深入、理论与应用融为一体的科研成果，居国际领先水平。

由于自然和人为因素的影响，排入海洋和湖库的氮、磷等营养物质不断增加，致使水体富营养化状况加剧，进而导致各地水体藻华的频繁暴发。严重的藻华会覆盖水面，阻止水体中的光合作用及其与大气的交换，使水中的溶解氧浓度迅速降低，不仅造成水生动植物的死亡以及生态和周边环境的破坏，而且对周边城市的经济发展(如投资业、水产业、旅游业)造成严重破坏。同时，藻华常使水体中的藻毒素含量严重超标，这些藻毒素也是肝脏肿瘤的强诱发剂，严重威胁着饮用水安全和人体健康。

如何有效地治理藻华，国内外相关专家进行了大量的探索，研究了多种方法，如化学法、机械法、生物法、生态法和絮凝法等等，黏土除藻技术是其中的主要方法之一。如前所述，由于传统的粘土方法去除效率低、用土量大等缺陷，使之难以广泛推广和应用于藻华的治理。

在国家杰出青年基金、国家基金重大项目以及赤潮973等项目的支持下，俞志明课题组针对黏土治理藻华存在的严重缺陷，历时十多年，潜心致力于改性黏土治理技术的研究，提出并形成了系统的改性黏土治理有害藻华的理论体系和技术方法，突破了长期以来黏土技术方法制约藻华治理的瓶颈，制备出了高效改性黏土，将絮凝有害藻华生物的效率提高了几十到几百倍。黏土表面改性是在充分利用黏土的高比表面、表面电负性和离子可交换性等性质的基础上，采用物理、化学甚至生物的方法对黏土颗粒进行表面处理，有目的地改变其表面物理化学性质的过程。所谓改性黏土是对黏土进行改性处理，使黏土的各种理化性质会得到不同程度的改良，从而使它具有更高的应用价值。改性黏土治理有害藻华的理论体系和技术方法的系统性、理论性和创新性解决了黏土治理技术上的重大难题，不仅可以广泛应用于赤潮的治理，而且可以广泛应用于淡水藻华的治理，在国内外产生了很大的影响，得到了国内外同行的一致认可。最近，该方法被指定为2008年奥运会青岛帆船比赛水域赤潮应急处置方法，成功完成了2006年“好运北京—2006青岛国际帆船赛”的赤潮防治任务。

1997年“自然”杂志介绍和引用该技术，2002年联合国教科文组织和APEC联合出版的“Monitoring and Management Strategies for Harmful Algal Blooms in Coastal Waters”一书收录该技术，并作为国际上海水赤潮治理的主要方法之一予以推荐，使黏土除藻技术一举成为当今国际上有害藻华治理的主要推荐方法之一，被美国、韩国、香港等多个国家和地区所采用。

我国是淡水资源短缺的国家，富营养化状况加剧，导致湖泊水体藻华的频繁暴发，在我国对淡水藻华的应急治理没有成功经验借鉴的前提下，如何将治理赤潮的有效方法应用于淡水藻华的治理，俞志明课题组进行了大胆尝试和探索，并成功运用于南京玄武湖藻华治理，取得了显著成效。

2005年9－10月间，“全国第十届运动会”和“中国首届绿色博览会”在玄武湖举行，但入夏以来爆发的大量蓝藻犹如厚厚的绿油漆覆盖在水面上，散发着恶臭的气味，不仅对玄武湖水质、景观和周围居民的生活造成严重影响，而且对即将举行的全国“绿博会”和“十运会”水上项目的顺利举行构成了严重威胁。

玄武湖藻华治理，引起了江苏省领导及社会各界的广泛关注和高度重视。俞志明课题组和上海一家专门公司在激烈的竞争中脱颖而出。俞志明课题组负责玄武湖北湖的治理，上海某公司负责西南湖的治理。“十运会”水上项目比赛场地东南湖，则根据两家单位治理效果确定。藻华治理擂台在玄武湖摆开。

淡水藻华治理对于俞志明课题组来说还是首次。面对严峻的挑战，俞志明课题组9月20日开始根据淡水藻华特点、前期工作和调研，将改性黏土技术应用于玄武湖北湖藻华治理，并不断调整治理方案。不到10天，即消除了北湖藻华，改性黏土技术治理藻华初获成功。而上海某公司则由于治理效果不明显，主动退出了竞争。

改性黏土治理藻华技术取得的成功赢得了南京市政府和社会各界的认可。西南湖和东南湖治理的任务也全部落到了俞志明课题组肩上。在时间紧、任务重、环境压力大的情况下，课题组调整治理频次和密度，采用岸边与湖面相结合的治理方法，仅用1周左右的时间，就完全控制了西南湖藻华全湖性蔓延和泛滥的趋势，绿色藻华逐渐消亡、生物量大幅度下降。并在“十运会”开幕前，全面消除了东南湖上的藻华，湖水恢复了原有的清澈，为“十运会”水上项目提供一个水质优良的比赛环境。

2005年11月24日，南京市政府对利用改性黏土技术治理藻华项目进行了验收。验收专家组对玄武湖藻华治理工程给予了高度评价，一致认为，内陆湖泊淡水藻华治理是一个国际性的难题，在国内没有成功经验借鉴的情况下，中国科学院海洋研究所成功地运用改性黏土技术在玄武湖藻华治理中取得了显著成效。成功地消除了玄武湖水面大规模藻华，有效改善了湖水水质，综合污染指数、富营养化程度均有不同程度的降低，水体透明度升高，保障了“中国首届绿化博览会”和“第十届全国运动会”水上项目的顺利进行。

改性黏土治理有害藻华的理论体系和技术方法，其系统性、理论性和创新性，解决了黏土治理技术上的重大难题。玄武湖藻华治理的成功实践，是改性粘土技术首次应用于我国淡水湖泊的藻华治理的成功范例。根据一年来的监测结果表明，该技术不仅能够短期内迅速消除淡水藻华，而且可以有效的改善水质、降低富营养化、恢复正常的水生态系统。实践证明，粘土表面改性理论和技术方法不仅可以广泛应用于赤潮的治理，而且可以广泛应用于淡水藻华的治理，标志着我国在淡水湖泊藻华治理技术上的重大突破，为治理目前国内外普遍存在的藻华问题提供了一个新的、行之有效的途径和手段。