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目前人們對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化水體中藻類的研究主要集中在溫度、光照、營(yíng)養(yǎng)鹽水平下的藻類生長(zhǎng)，并且找出了藻類生長(zhǎng)與溫度、光照、營(yíng)養(yǎng)鹽等之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但是水體中浮游生物的種群交替和生物量的變化，不僅與水體的溫度、光照周期、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及生物自身的生理狀態(tài)相關(guān)，還受到水體流動(dòng)的影響。有研究認(rèn)為，優(yōu)勢(shì)藻類與水體溫度層的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而溫度層的持續(xù)與穩(wěn)定又受到河流流速的影響，因此河流流速通過影響水體的溫度層結(jié)構(gòu)間接影響藻類的生長(zhǎng)。大量的研究表明，水動(dòng)力條件影響著藻類的生長(zhǎng)繁殖、優(yōu)勢(shì)藻種的演替、聚集，同時(shí)對(duì)各種營(yíng)養(yǎng)鹽、污染物質(zhì)、泥沙與沉積物的形態(tài)、傳輸和分布產(chǎn)生影響，從而對(duì)水華暴發(fā)起著重要的作用。張敏毅等認(rèn)為風(fēng)力導(dǎo)致的水動(dòng)力條件變化對(duì)藻類生長(zhǎng)及水華的發(fā)生有著重要影響。廖平安等認(rèn)為增加水體流速確實(shí)可以抑制藻類生長(zhǎng)，但目前關(guān)于水體的流動(dòng)對(duì)藻類影響的相關(guān)研究比較少。在大型湖泊中，浮游生物的數(shù)量與分布受到水動(dòng)力的影響十分明顯，并且水動(dòng)力對(duì)于潛水湖泊的影響比深水湖泊更大。

  國(guó)內(nèi)外同類型研究集中在環(huán)境因素一定的條件下觀察不同流速對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響，實(shí)驗(yàn)裝置采取水泵和水車循環(huán)、旋轉(zhuǎn)水槽、槳板推流水槽等。初步研究結(jié)果表明，存在某個(gè)臨界流速，在此流速條件下最有利于藻類生長(zhǎng)，但這種模擬實(shí)驗(yàn)和自然水體的流動(dòng)有一定的差距。由于天然水體中的流動(dòng)處于紊流狀態(tài)，僅用單一流速指標(biāo)不能反映水體紊動(dòng)情況，并且實(shí)驗(yàn)中使用了推流裝置，這些裝置本身就有曝氣和擠壓藻類的作用，影響了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。作者利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)理論設(shè)計(jì)了一個(gè)旋轉(zhuǎn)的環(huán)形水槽，不使用任何推流設(shè)備，可以模擬河道自然水體流速，考慮環(huán)境因素的同時(shí)，計(jì)算、測(cè)試具有不同紊動(dòng)動(dòng)能水體對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響，探究其影響機(jī)制。

1  材料與方法

1.1  實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1  實(shí)驗(yàn)裝置及工作原理

  實(shí)驗(yàn)采用自行研制的旋轉(zhuǎn)模擬裝置，如圖l所示。裝置主要由三部分組成：上部的光照系統(tǒng)由可控時(shí)日光燈組成，采用12 h間隔開關(guān)方式運(yùn)行，可模擬晝夜變化；中部水流的承載系統(tǒng)由環(huán)形水槽和固定擋板組成；下部由可調(diào)速的變頻電機(jī)組成。轉(zhuǎn)速電機(jī)采用變頻調(diào)速裝置，通過控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)水流流速。具體三維模型為一環(huán)形水槽，由外環(huán)直徑為600 mm，內(nèi)環(huán)直徑為400 mm，高度為120 mm的有機(jī)玻璃制成，內(nèi)外環(huán)為同心圓。在外環(huán)下部設(shè)有排水口。

  環(huán)形水槽在電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，為了防止水槽中水體相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨于靜止，在水槽中插入一個(gè)相對(duì)靜止環(huán)形的固定擋板。模型裝置經(jīng)過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬，在流速范圍0.10～1.50 m/s內(nèi)流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試30 d水槽中水體流速不變，因此該裝置能長(zhǎng)時(shí)間模擬無限長(zhǎng)河道流動(dòng)。裝置共制作4組，其中一個(gè)為靜態(tài)對(duì)比裝置，可同時(shí)模擬4種不同流速。

1.1.2  實(shí)驗(yàn)水樣

  銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所。用BG-ll培養(yǎng)基在光照強(qiáng)度3 000 lx、溫度25℃恒溫條件下在培養(yǎng)箱中擴(kuò)大培養(yǎng)。培養(yǎng)箱的光照和黑暗轉(zhuǎn)換規(guī)律與本地的自然光照同步，光暗比14 h:10 h。

  研究流動(dòng)對(duì)自然水體藻類生長(zhǎng)影響的水樣取自太湖渤公島段湖水，水體中的優(yōu)勢(shì)藻類為銅綠微囊藻，用塑料桶帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

1.2  實(shí)驗(yàn)方法

  實(shí)驗(yàn)前將培養(yǎng)箱巾的藻液用BG-ll培養(yǎng)液稀釋，置于實(shí)驗(yàn)裝置中。實(shí)驗(yàn)室的溫度光照皆模擬培養(yǎng)箱環(huán)境。開啟實(shí)驗(yàn)裝置，通過調(diào)節(jié)環(huán)形水槽轉(zhuǎn)速得到實(shí)驗(yàn)所需的各個(gè)流速。每天14：00進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)暫停裝置進(jìn)行取樣及數(shù)據(jù)測(cè)量，結(jié)束后重新開啟裝置。實(shí)驗(yàn)周期為10 d。

  自然水體藻類生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法同上。

1.3  測(cè)定方法

  光強(qiáng)采用上海嘉定學(xué)聯(lián)儀表ZDS-lO水下照度計(jì)測(cè)定。

  流速的測(cè)定由HS-2便攜式流速測(cè)算儀測(cè)得。

  藻類計(jì)數(shù)使用BA210型號(hào)顯微鏡。每次實(shí)驗(yàn)取樣1mL稀釋至10 mL，吸人0.1 mL樣品注入0.1 mL計(jì)數(shù)框，在lOx40倍顯微鏡下計(jì)數(shù)，藻類計(jì)數(shù)100個(gè)視野。每個(gè)水樣平行計(jì)數(shù)2次，取其結(jié)果的平均值作為計(jì)數(shù)所得的藻體數(shù)。同一水樣2個(gè)平行計(jì)數(shù)結(jié)果與其平均值之差如大于平均值的±15%，則需進(jìn)行第3片計(jì)數(shù)。隨著藻類的生長(zhǎng)，稀釋的倍數(shù)也要逐漸加大，始終保持每個(gè)視野出現(xiàn)藻數(shù)在10個(gè)以內(nèi)，以保證讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

藻類比增殖速率（μ）的估算公式為：

  式中，比增殖速率（μ）是在某一時(shí)間間隔內(nèi)藻類生長(zhǎng)的速率，d-1；X1為某一時(shí)間間隔開始時(shí)的藻類現(xiàn)存量，L-1；X2為某一時(shí)間間隔結(jié)束時(shí)的藻類現(xiàn)存量，L-1；（t2-t1）為某一時(shí)間間隔，d。

  溶解氧采用哈希公司HQ30d便攜式溶解氧儀測(cè)定。測(cè)定時(shí)在水體上中下3次進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果取3次測(cè)量結(jié)果的平均值。

  pH值的測(cè)定使用PHS-3C型號(hào)PH計(jì)，使用前需預(yù)熱40 min左右。

  電導(dǎo)率的測(cè)定使用DDB-llA型便攜式電導(dǎo)率儀。

2  結(jié)果與討論

2.1  流動(dòng)對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響

2.1.1  流動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響

  為了探究流動(dòng)對(duì)于銅綠微囊藻生長(zhǎng)狀況的影響，將流速細(xì)分為O、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50 m/s 6個(gè)流速段。實(shí)驗(yàn)水樣的初始藻液濃度為4.87xl06 mL-1，初始pH值、溶解氧、電導(dǎo)率分別為8.76、7.49 mg/L、2.35 mS/cm。通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)流速>0.30 m/s時(shí)，藻類的增殖隨著流速的增大而減��；當(dāng)流速<0.30 m/s時(shí)或靜止時(shí)，藻類生長(zhǎng)隨著流速的增加而增大�？梢娏魉�0.30 m/s是關(guān)鍵流速。實(shí)驗(yàn)中該實(shí)驗(yàn)組水樣最先開始變綠，數(shù)量在4-6 d時(shí)達(dá)到最大值，藻類生長(zhǎng)狀況優(yōu)良，藻細(xì)胞個(gè)體飽滿，顏色呈藍(lán)綠色。各實(shí)驗(yàn)組的藻類的最大數(shù)量對(duì)比，見表1。

  為了更加直觀地對(duì)比各實(shí)驗(yàn)組藻類的生長(zhǎng)狀況，我們通過數(shù)據(jù)分析得出各實(shí)驗(yàn)組藻類的最大比增長(zhǎng)率（圖2），在流速0.30 m/s的條件下藻類的最大比增長(zhǎng)率最大，為0.27 d-1。

  由上述分析可知，流速0.30 m/s可能是影響藻類生長(zhǎng)的臨界值。臨界流速的研究對(duì)于水體富營(yíng)養(yǎng)化的防治和水華現(xiàn)象的控制都有著重要意義。為了進(jìn)一步確定藻類適合的流速范圍，我們將流速范圍進(jìn)一步細(xì)分，進(jìn)行了0、0.25、0.30、0.35 m/s的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。各實(shí)驗(yàn)組的藻類數(shù)量變化情況如圖3所示。各實(shí)驗(yàn)組的最大比增長(zhǎng)率分別為0.26、0.30、0.33、0.29 d-1�？梢娫诒敬螌�(shí)驗(yàn)室所設(shè)定的條件下，適合藻類生長(zhǎng)的最佳流速條件為0.30 m/s。可能存在的最佳流速范圍為0.25-0.30 m/s。

2.1.2  流動(dòng)對(duì)太湖藻生長(zhǎng)的影響

  通過對(duì)上述實(shí)驗(yàn)的總結(jié)，可見流速0.30 m/s是一個(gè)關(guān)鍵流速。為了探究自然水體中的藻類是否也有同樣趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)室取用太湖渤公島段的湖水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．首先進(jìn)行流速為0、0.20、0.30、0.40 m/s的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在25℃條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從圖4的曲線趨勢(shì)來看，對(duì)于太湖渤公島段湖水中的藍(lán)藻而言0.30 m/s仍舊是一個(gè)優(yōu)勢(shì)流速。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期藻類迅速生長(zhǎng)，之后趨于平緩。實(shí)驗(yàn)中0.30 m/s流速下的最大比增長(zhǎng)率為0.27 d-1。為了研究太湖渤公島段的藻類是否與實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的銅綠微囊藻有相同的優(yōu)勢(shì)流速范圍，我們進(jìn)行了第二部分實(shí)驗(yàn)，如圖5實(shí)驗(yàn)流速為0、()．25、0.30、0.35 m/s，通過數(shù)據(jù)分析得出相應(yīng)對(duì)數(shù)期的最大比增長(zhǎng)率分為0.29、0.30．0.33、0.31 d-1。由此可見，渤公島湖水中銅綠微囊藻可能的最佳流速范圍為0.30-0.35m/s�？偨Y(jié)來看，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，太湖渤公島段的藍(lán)藻受流動(dòng)的影響與實(shí)驗(yàn)室藻類較為接近。

2.2  討論

  藻類的生長(zhǎng)周期可劃分為4個(gè)階段：(1)遲緩期；(2)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期；(3)穩(wěn)定期；(4)衰亡期。每個(gè)實(shí)驗(yàn)組都經(jīng)歷了上述的4個(gè)階段。實(shí)驗(yàn)初期，藻類需要適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，生長(zhǎng)遲緩，生物量增長(zhǎng)緩慢。在實(shí)驗(yàn)的第2-3天，各實(shí)驗(yàn)組水樣顏色開始變綠，水體逐漸渾濁。使用顯微鏡觀察藻細(xì)胞的生長(zhǎng)狀態(tài)，可見其呈藍(lán)綠色，個(gè)體飽滿。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第7-8天時(shí)，水樣顏色呈深綠色，并且變化不明顯，水體渾濁，實(shí)驗(yàn)裝置下部有絮塊狀沉淀物，可見已經(jīng)有藻類死亡。通過顯微鏡觀察藻細(xì)胞形態(tài)，發(fā)現(xiàn)藻細(xì)胞干癟且顏色偏黃綠色。由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗和代謝產(chǎn)物的不斷累積，最終各實(shí)驗(yàn)組的生物量都降到了相近的水平。

  流動(dòng)對(duì)于藻類的生長(zhǎng)有較大影響且影響是多方面疊加起來的結(jié)果。大多數(shù)的學(xué)者研究認(rèn)為，自然水體流速對(duì)藻類生長(zhǎng)過程的客觀影響普遍存在以下特點(diǎn)：當(dāng)流速逐漸變小，接近0時(shí)，流速對(duì)藻類生長(zhǎng)影響F(u)達(dá)到最大值；而當(dāng)流速逐漸變大，F(xiàn)(u)值將逐漸變小。然而，流動(dòng)對(duì)于藻類生長(zhǎng)的影響并非如此簡(jiǎn)單。流動(dòng)不僅使水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能夠更充分的被藻類吸收，也使得懸浮物質(zhì)中的一些氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素釋放到水中，更利于藻類生長(zhǎng)。但是水體流速過大或過小都會(huì)影響藻類生長(zhǎng)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的銅綠微囊藻和太湖渤公島段的藻類的實(shí)驗(yàn)分析，可見0.30 m/s是藻類生長(zhǎng)的臨界流速。當(dāng)流速>0.30 m/s時(shí)，藻類的增殖隨著流速的增大而減小，這可能是由于流速過大時(shí)，水體的沖刷作用較大，導(dǎo)致藻類難以聚集繁殖，生長(zhǎng)環(huán)境遭到破壞；當(dāng)流速<0.30 m/s時(shí)，藻類生長(zhǎng)隨著流速的增加而增大，流速<0.30 m/s時(shí)或靜止時(shí)，有利于改變?cè)孱惸z質(zhì)群體的大小和微生態(tài)體系，使得藻類更易于吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)，輕微擾動(dòng)有利于藻類對(duì)光的吸收利用。但是流速<0.30 m/s時(shí)或靜止時(shí)，實(shí)驗(yàn)藻類大多沉積在實(shí)驗(yàn)裝置底部，所以流速過小也不利于藻類的漂浮和聚集，不利于藻類的生長(zhǎng)。但此實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅是對(duì)單一藻類生長(zhǎng)的研究，對(duì)于多種優(yōu)勢(shì)藻類共存的水體還需要進(jìn)一步研究。

  在自然狀態(tài)下銅綠微囊藻主要以群體形態(tài)生存，但在本次實(shí)驗(yàn)中，室內(nèi)培養(yǎng)的銅綠微囊藻生長(zhǎng)狀態(tài)最好的實(shí)驗(yàn)組最多也僅形成十幾個(gè)藻細(xì)胞的小群體，并在水體中分布均勻。取自太湖的水樣中銅綠微囊藻大多堆積在水體表面，并且多數(shù)都是細(xì)胞數(shù)數(shù)百的大群體。由此我們分析可能是由于太湖水相對(duì)濁度較高，透明度較低，光照強(qiáng)度變化大，而實(shí)驗(yàn)室內(nèi)光照強(qiáng)度適宜且均勻，少數(shù)藻細(xì)胞或者單細(xì)胞能更有利的利用光照，所以在實(shí)驗(yàn)室條件培養(yǎng)下的銅綠微囊藻很難形成大群體。

3  結(jié)論

  本實(shí)驗(yàn)是在同一營(yíng)養(yǎng)鹽、溫度及光照條件下，探究流動(dòng)對(duì)藻類生長(zhǎng)狀況的影響。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，流動(dòng)對(duì)藻類的生長(zhǎng)存在一個(gè)臨界值。流動(dòng)過大或過小時(shí)都不利于藻類生長(zhǎng)。在本次模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件下，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的銅綠微囊藻和太湖渤公島段的藻類的實(shí)驗(yàn)分析，可以得到如下結(jié)論。

  (1)光照強(qiáng)度3 000 lx、溫度25℃條件下，銅綠微囊藻在0.30 m/s的流速下，生長(zhǎng)狀況最佳，較為優(yōu)勢(shì)的流速范圍為0.25-0.30 m/s。

  (2)太湖渤公島段湖水中的藍(lán)藻，在流速為0.30m/s的流速下，生長(zhǎng)狀況優(yōu)于其他流速，較為優(yōu)勢(shì)的流速范圍為0.30-0.35 m/s。

  (3)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的銅綠微囊藻與太湖渤公島段藍(lán)藻最適流速范圍略有差異，可能由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境較為優(yōu)越，使得其與自然水體的藻類相比，抗干擾能力有所減弱。

在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的藻類實(shí)驗(yàn)，其特性與生長(zhǎng)情況與自然環(huán)境中生長(zhǎng)的藻類差異較大，在實(shí)驗(yàn)室條件下所得結(jié)論是否能用于指導(dǎo)工程實(shí)踐還有待進(jìn)一步討論。

4摘  要：研制了穩(wěn)定運(yùn)行的環(huán)形旋轉(zhuǎn)水槽，模擬天然河道流動(dòng)。通過該實(shí)驗(yàn)裝置研究了不同流速條件對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明：在溫度為25℃、照度為3 000 lx、光暗比為14 h:10 h的條件下，流速在0-0.50 m/s范圍內(nèi)，適合藻類生長(zhǎng)的最佳流速條件為0.30

m/s，流速過大或過小都不同程度的影響藻類的生長(zhǎng)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的銅綠微囊藻而言，較為優(yōu)勢(shì)的流速范圍為0.25-0.30 m/s;而太湖藻的相對(duì)優(yōu)勢(shì)流速范圍為0.30-0.35 m/s。