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摘要： 向水体中添加不同浓度的含硅营养素以确定该营养素控制蓝藻水华的最优作用浓度，同时在不同温度及光照条件下按照最优作用浓度添加该营养素以确定该营养素的作用效果与环境变化的关系.结果表明，该营养素能抑制蓝藻水华，加入后蓝藻比例下降，硅藻和绿藻比例上升，水体中的氮含量增加，其最佳作用浓度为312.5 μL/L，其作用效果在不同的光照和温度条件下均具有有效性.该研究为蓝藻水华的治理提供有效的实践基础.
关键词： 含硅营养素； 水华； 蓝藻； 硅藻
中图分类号： Q 89 文献标志码： A 文章编号： 10005137（2017）02032606
Abstract： Specific siliconcontaining nutrientswith different concentrations were added to water in order to determine the optimal concentration of the nutrient for controlling cyanobacterial bloom.Then the nutrient with optimalconcentration was added in water samples under different temperatures and light intensity conditionsto explore the relationship between the effect of nutrient and environmental variation.The results showed that the nutrient couldplay a vital role incyanobacterial bloomcontrol，and the optimal concentration was 312.5 μL/L.By adding the nutrient，the proportion of blue algae abundance reduced while that of diatom and green algae showed an increasing trend.The effect wasvalidity under different temperatures and light intensities.This study provided a practice basis for cyanobacterial bloom control.
Key words： silicon nutrients； algal bloom； cyanobacteria； diatom
0 引 言
由于水體富营养化导致蓝藻大量增殖的现象称为“水华”[1].近年来，水体中水华频发，尤其是蓝藻水华频繁出现[2].蓝藻水华会导致水体缺氧，破坏水体中的食物链，并且产生毒素，造成严重的经济损失和社会问题[3-5].几乎全世界的水系，包括非洲的维多利亚湖、欧洲的波罗的海、北美的伊利湖等都出现过严重的蓝藻水华[6].中国的太湖、巢湖和滇池是蓝藻水华最为严重的湖泊.目前蓝藻水华的治理主要有物理法、化学法、生物法，物理法主要包括机械清除法[7]及曝气混合法[8]；化学法主要指采用有机物或无机物进行杀藻[9]，生物法主要包括生物操纵法及微生物杀藻技术[10].通过种植大型水生植物，不仅能够竞争性地吸收水体和沉积物中的营养盐[11-13]，起到遮光作用[14]，而且能分泌化感物质抑制浮游植物生长[12，15-16].
硅藻是一类细胞壁含有果胶质和大量硅质的真核藻类，是鱼虾贝类的主要饵料.硅元素是硅藻生长必不可少的元素.本研究向水体中添加不同浓度的含硅营养素，期望使硅藻成为水体中优势种，达到防治蓝藻水华的目的.对该营养素的最佳作用浓度及不同环境条件下水体中藻类的数量及分布进行了探究，为蓝藻水华的治理提供理论及实践基础.
1 材料与方法
1.1 实验材料与仪器
含硅营养素是由张家港青山绿水生物科技有限公司提供（以下简称营养素），该营养素成分以水合SiO2为主，另外含有Fe，Co，Mg，Mn，Ca等微量元素.
试验水体取自上海师范大学学思湖（试验时间选择在夏季，此时为水华爆发时期），为了排除浮游动物对藻类的捕食作用，本实验用25#浮游生物网（孔径为0.064 mm）过滤原水样后以备实验所用.
所用仪器主要有显微镜（南京江南永新光学有限公司）、TU1901双光束紫外-可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）、DRB200消解仪（美国Hach公司）、藻类培养箱（宁波江南仪器厂）.
1.2 试验方法
1.2.1 营养素最佳作用浓度的筛选
将采集的水样用浮游生物网过滤后分装到容量为1 L的烧杯中，分别添加12.5、62.5、312.5、625.0 μL 营养素，不添加营养素的样品作为对照组，放置于温度为25 ℃，光照强度为60 μmol·m-2·s-1的培养箱中培养，测定水体中藻类的群落结构和总氮浓度以确定最优的营养素作用浓度.
1.2.2 不同温度及光照条件下营养素对控制蓝藻水华的作用实验
将营养素按最优作用浓度添加入水样中，样品在容积为1 L的烧杯中培养，培养的烧杯分别放置于3种环境条件下：1）光照强度30 μmol·m-2·s-1，昼夜交替10 h∶14 h，温度5 ℃（模拟冬季）；2）光照强度100 μmol·m-2·s-1，昼夜交替12 h∶12 h，温度15 ℃（模拟春秋）；3）光照强度200 μmol·m-2·s-1，昼夜交替14 h∶10 h，温度25 ℃（模拟夏季），进行藻类群落结构和总氮浓度的检测. 1.2.3 藻类计数方法
藻类计数：在计数前将样品上下晃动，待充分摇匀后，使用DragonMed可调式移液枪在样品的中部吸取0.1 mL注入浮游植物计数框内（计数区面积为20 mm×20 mm），在10×40倍的光镜下采用视野法计数，计数时确保藻类个体总数大于300.每个标本根据浮游植物数量重复计数3次，取其平均值，用于计算各门藻类的数量数量生物量的百分比，同时使用显微镜进行藻类照片拍摄.
1.2.4 总氮（TN）质量浓度的测定
总氮质量浓度的测定使用钼酸铵分光光度法.
2 结果与分析
2.1 营养素最佳作用浓度的筛选
2.1.1 不同浓度营养素对水体中藻类群落结构的影响
温度为25 ℃，光照强度为60 μmol·m-2·s-1的水体中添加不同浓度营养素后藻类群落结构变化情况如图1所示.由图1可知，添加营养素之前，硅藻门、绿藻门、蓝藻门的数量生物量分数分别为 12.0%，24.8%，63.2%，加入质量浓度为12.5 μL/L的营养素7 d后，硅藻门、绿藻门、蓝藻门的生物量分数分别为20.9%，30.8%，48.3%；加入质量浓度为62.5 μL/L 营养素7 d后，各藻门所占数量生物量分数分别为22.4%，33.9%，43.7%；加入质量浓度为312.5 μL/L 营养素 7 d后，各藻门所占生物量分数分别为46.0%，44.7%，9.3%；加入质量浓度为625.0 μL/L 营养素7 d后，各藻门所占数量生物量分数分别为25.8%，56.0%，18.2%；7 d后，对照组各藻门所占数量生物量分数分别为19.6%，26.3%，54.2%.
由此可知，加入不同浓度的营养素后蓝藻的数量生物量分数均下降，尤其当加入营养素质量浓度为312.5 μL/L时，水体中硅藻门数量生物量分数上升最多，为34%，蓝藻门数量生物量分数下降最多，为53.9%.
2.1.2 加入不同浓度营养素后水体中蓝藻群落的形态变化
不添加营养素的对照組水样与添加营养素的水样中蓝藻形态的显微照片如图2所示，通过显微镜观察，在相同视野面积下添加营养素的水样，蓝藻群落大幅度减少，且从密集变得离散，呈现小型化趋势.
2.1.3 加入不同浓度营养素后水体中总氮的变化
添加不同浓度营养素的水体中总氮变化情况如图3所示.由图3可知，未添加营养素前，水体中总氮质量浓度为1.8 mg/L，分别添加12.5，62.5，312.5，625.0 μL 营养素 7 d后，总氮质量浓度分别为2.6，2.3，1.3，1.1 mg/L，比对照组2.8 mg/L，分别降低了7.1%，17.9%，35.7%，60.7%.由此可见，加入该营养素后水体中的氮含量下降，根据加入营养素浓度的不同其下降的程度有所差异.
2.2 营养素在不同温度及光照条件下的作用效果
2.2.1 不同环境条件下的藻类群落结构变化
水体加入最优体积分数的营养素（312.5 μL/L）后在不同温度及光照条件下藻类的群落结构变化如图4所示.由图4可知，冬季环境条件下（温度、光照条件如1.2.2节所述），未添加营养素前，水体中硅藻门、绿藻门、蓝藻门的数量生物量分数分别为20.3%，44.4%，35.3%.7 d后，对照组中三藻门数量生物量分数分别为23.1%，46.5%，30.4%，实验组中三藻门数量生物量分数分别为36.7%，46.2%，17.1%.春秋环境条件下，未添加营养素前，水体中硅藻门、绿藻门、蓝藻门的数量生物量分数分别为20.3%，44.4%，35.3%，7天后，对照组中三藻门数量生物量分数分别为23.9%，45.6%，30.6%，实验组中三藻门数量生物量分数分别为36.8%，46.5%，16.7%.夏季环境条件下，未添加营养素前，水体中硅藻门、绿藻门、蓝藻门的数量生物量分数分别为19.8%，46.3%，33.9%，7天后，对照组中三藻门数量生物量分数分别为15.8%，50.9%，33.2%，实验组中三藻门数量生物量分数分别为33.4%，46.8%，19.8%.由此可知，不同的环境条件下，加入营养素后蓝藻生物量分数均下降，硅藻的数量生物量分数均上升，营养素均能发挥预想的作用.
2.2.2 不同环境条件下总氮质量浓度的变化
水体加入最优体积分数的营养素（312.5 μL/L）后在不同温度及光照条件下总氮的变化情况如图5所示.由图5可知，冬季、春秋季、夏季3种不同环境条件下，培养7 d后，实验组中的水体总氮质量浓度均低于对照组，分别降低了49.7%，50.0%，25.0%.说明各种环境下，加入该营养素后都能显著降低水体中含氮量.
3 讨 论
3.1 硅藻复合营养素对控制蓝藻水华的有效性分析
3.1.1 营养素对水体总氮浓度的影响
经显微镜观察，水华藻类的主要优势种为铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）.由于造成蓝藻水华的根源是水体中堆积了过多的氮磷[2]，不同浓度的含硅营养素加入到实验水体后，硅藻、绿藻所占的比例均增加，蓝藻比例均减少，说明该营养素对抑制水体中蓝藻的比例具有显著的作用.该营养素中除了含有Fe，Co，Mg，Mn，Ca等微量元素外，主要含有SiO2，可以促进硅藻的数量增加.在同一水体中，由于营养竞争硅藻大量增加后吸收水体中的营养成分，迅速成为优势种，从而减少了蓝藻在水体中的比例.增加的硅藻可以作为水体中鱼虾贝类的饵料，随着人们对鱼虾贝类的捕捞，水体中的氮磷营养元素被移出，因此并不会由于营养的堆积形成硅藻水华.同时硅藻的增加也增加了水中的溶解氧，有利于鱼虾贝类的生长，从而形成一种良性循环的水生态系统.
3.1.2 营养素对藻体形态的影响 加入硅藻复合素后蓝藻（主要是微囊藻）的群落变小，并且其个体向小型化发展，这种变化趋势有利于浮游动物对蓝藻的捕食，帮助减少蓝藻数量.
3.2 不同的温度及光照对硅藻复合营养素控制蓝藻水华作用的影响
Robarts 和Zohary认为蓝藻水华的发生主要是由于水温升高[17]，藻类群落结构发生变化，温度、光照对蓝藻水华有促生作用[18].为了探明该营养素对水华治理的有效性是否受到环境条件的限制，将最优浓度的营养素加入水体中，以3种不同的光照及温度条件模拟四季环境（上海地区的四季变化），结果发现：3种环境条件下蓝藻所占比例均下降，硅藻和绿藻比例均增加，这说明3种不同的光照及温度条件下该营养素对控制蓝藻水华均有效.
4 结 论
含硅营养素通过改变水体中的藻类群落结构达到降低蓝藻含量的目的，通过实验发现，含硅营养素在一定浓度下可以有效地抑制蓝藻水华爆发，并可以改善水体内藻类群落结构，增加硅藻和绿藻的数量及分布.研究还表明，不同光照和温度条件下该营养素均能发挥作用.本研究为蓝藻水华的治理提供了新思路，含硅营养素具有较大工业化生產及实际应用价值.
参考文献：
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（责任编辑：顾浩然）
关键词： 含硅营养素； 水华； 蓝藻； 硅藻
中图分类号： Q 89 文献标志码： A 文章编号： 10005137（2017）02032606
Abstract： Specific siliconcontaining nutrientswith different concentrations were added to water in order to determine the optimal concentration of the nutrient for controlling cyanobacterial bloom.Then the nutrient with optimalconcentration was added in water samples under different temperatures and light intensity conditionsto explore the relationship between the effect of nutrient and environmental variation.The results showed that the nutrient couldplay a vital role incyanobacterial bloomcontrol，and the optimal concentration was 312.5 μL/L.By adding the nutrient，the proportion of blue algae abundance reduced while that of diatom and green algae showed an increasing trend.The effect wasvalidity under different temperatures and light intensities.This study provided a practice basis for cyanobacterial bloom control.
Key words： silicon nutrients； algal bloom； cyanobacteria； diatom
0 引 言
由于水體富营养化导致蓝藻大量增殖的现象称为“水华”[1].近年来，水体中水华频发，尤其是蓝藻水华频繁出现[2].蓝藻水华会导致水体缺氧，破坏水体中的食物链，并且产生毒素，造成严重的经济损失和社会问题[3-5].几乎全世界的水系，包括非洲的维多利亚湖、欧洲的波罗的海、北美的伊利湖等都出现过严重的蓝藻水华[6].中国的太湖、巢湖和滇池是蓝藻水华最为严重的湖泊.目前蓝藻水华的治理主要有物理法、化学法、生物法，物理法主要包括机械清除法[7]及曝气混合法[8]；化学法主要指采用有机物或无机物进行杀藻[9]，生物法主要包括生物操纵法及微生物杀藻技术[10].通过种植大型水生植物，不仅能够竞争性地吸收水体和沉积物中的营养盐[11-13]，起到遮光作用[14]，而且能分泌化感物质抑制浮游植物生长[12，15-16].
硅藻是一类细胞壁含有果胶质和大量硅质的真核藻类，是鱼虾贝类的主要饵料.硅元素是硅藻生长必不可少的元素.本研究向水体中添加不同浓度的含硅营养素，期望使硅藻成为水体中优势种，达到防治蓝藻水华的目的.对该营养素的最佳作用浓度及不同环境条件下水体中藻类的数量及分布进行了探究，为蓝藻水华的治理提供理论及实践基础.
1 材料与方法
1.1 实验材料与仪器
含硅营养素是由张家港青山绿水生物科技有限公司提供（以下简称营养素），该营养素成分以水合SiO2为主，另外含有Fe，Co，Mg，Mn，Ca等微量元素.
试验水体取自上海师范大学学思湖（试验时间选择在夏季，此时为水华爆发时期），为了排除浮游动物对藻类的捕食作用，本实验用25#浮游生物网（孔径为0.064 mm）过滤原水样后以备实验所用.
所用仪器主要有显微镜（南京江南永新光学有限公司）、TU1901双光束紫外-可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）、DRB200消解仪（美国Hach公司）、藻类培养箱（宁波江南仪器厂）.
1.2 试验方法
1.2.1 营养素最佳作用浓度的筛选
将采集的水样用浮游生物网过滤后分装到容量为1 L的烧杯中，分别添加12.5、62.5、312.5、625.0 μL 营养素，不添加营养素的样品作为对照组，放置于温度为25 ℃，光照强度为60 μmol·m-2·s-1的培养箱中培养，测定水体中藻类的群落结构和总氮浓度以确定最优的营养素作用浓度.
1.2.2 不同温度及光照条件下营养素对控制蓝藻水华的作用实验
将营养素按最优作用浓度添加入水样中，样品在容积为1 L的烧杯中培养，培养的烧杯分别放置于3种环境条件下：1）光照强度30 μmol·m-2·s-1，昼夜交替10 h∶14 h，温度5 ℃（模拟冬季）；2）光照强度100 μmol·m-2·s-1，昼夜交替12 h∶12 h，温度15 ℃（模拟春秋）；3）光照强度200 μmol·m-2·s-1，昼夜交替14 h∶10 h，温度25 ℃（模拟夏季），进行藻类群落结构和总氮浓度的检测. 1.2.3 藻类计数方法
藻类计数：在计数前将样品上下晃动，待充分摇匀后，使用DragonMed可调式移液枪在样品的中部吸取0.1 mL注入浮游植物计数框内（计数区面积为20 mm×20 mm），在10×40倍的光镜下采用视野法计数，计数时确保藻类个体总数大于300.每个标本根据浮游植物数量重复计数3次，取其平均值，用于计算各门藻类的数量数量生物量的百分比，同时使用显微镜进行藻类照片拍摄.
1.2.4 总氮（TN）质量浓度的测定
总氮质量浓度的测定使用钼酸铵分光光度法.
2 结果与分析
2.1 营养素最佳作用浓度的筛选
2.1.1 不同浓度营养素对水体中藻类群落结构的影响
温度为25 ℃，光照强度为60 μmol·m-2·s-1的水体中添加不同浓度营养素后藻类群落结构变化情况如图1所示.由图1可知，添加营养素之前，硅藻门、绿藻门、蓝藻门的数量生物量分数分别为 12.0%，24.8%，63.2%，加入质量浓度为12.5 μL/L的营养素7 d后，硅藻门、绿藻门、蓝藻门的生物量分数分别为20.9%，30.8%，48.3%；加入质量浓度为62.5 μL/L 营养素7 d后，各藻门所占数量生物量分数分别为22.4%，33.9%，43.7%；加入质量浓度为312.5 μL/L 营养素 7 d后，各藻门所占生物量分数分别为46.0%，44.7%，9.3%；加入质量浓度为625.0 μL/L 营养素7 d后，各藻门所占数量生物量分数分别为25.8%，56.0%，18.2%；7 d后，对照组各藻门所占数量生物量分数分别为19.6%，26.3%，54.2%.
由此可知，加入不同浓度的营养素后蓝藻的数量生物量分数均下降，尤其当加入营养素质量浓度为312.5 μL/L时，水体中硅藻门数量生物量分数上升最多，为34%，蓝藻门数量生物量分数下降最多，为53.9%.
2.1.2 加入不同浓度营养素后水体中蓝藻群落的形态变化
不添加营养素的对照組水样与添加营养素的水样中蓝藻形态的显微照片如图2所示，通过显微镜观察，在相同视野面积下添加营养素的水样，蓝藻群落大幅度减少，且从密集变得离散，呈现小型化趋势.
2.1.3 加入不同浓度营养素后水体中总氮的变化
添加不同浓度营养素的水体中总氮变化情况如图3所示.由图3可知，未添加营养素前，水体中总氮质量浓度为1.8 mg/L，分别添加12.5，62.5，312.5，625.0 μL 营养素 7 d后，总氮质量浓度分别为2.6，2.3，1.3，1.1 mg/L，比对照组2.8 mg/L，分别降低了7.1%，17.9%，35.7%，60.7%.由此可见，加入该营养素后水体中的氮含量下降，根据加入营养素浓度的不同其下降的程度有所差异.
2.2 营养素在不同温度及光照条件下的作用效果
2.2.1 不同环境条件下的藻类群落结构变化
水体加入最优体积分数的营养素（312.5 μL/L）后在不同温度及光照条件下藻类的群落结构变化如图4所示.由图4可知，冬季环境条件下（温度、光照条件如1.2.2节所述），未添加营养素前，水体中硅藻门、绿藻门、蓝藻门的数量生物量分数分别为20.3%，44.4%，35.3%.7 d后，对照组中三藻门数量生物量分数分别为23.1%，46.5%，30.4%，实验组中三藻门数量生物量分数分别为36.7%，46.2%，17.1%.春秋环境条件下，未添加营养素前，水体中硅藻门、绿藻门、蓝藻门的数量生物量分数分别为20.3%，44.4%，35.3%，7天后，对照组中三藻门数量生物量分数分别为23.9%，45.6%，30.6%，实验组中三藻门数量生物量分数分别为36.8%，46.5%，16.7%.夏季环境条件下，未添加营养素前，水体中硅藻门、绿藻门、蓝藻门的数量生物量分数分别为19.8%，46.3%，33.9%，7天后，对照组中三藻门数量生物量分数分别为15.8%，50.9%，33.2%，实验组中三藻门数量生物量分数分别为33.4%，46.8%，19.8%.由此可知，不同的环境条件下，加入营养素后蓝藻生物量分数均下降，硅藻的数量生物量分数均上升，营养素均能发挥预想的作用.
2.2.2 不同环境条件下总氮质量浓度的变化
水体加入最优体积分数的营养素（312.5 μL/L）后在不同温度及光照条件下总氮的变化情况如图5所示.由图5可知，冬季、春秋季、夏季3种不同环境条件下，培养7 d后，实验组中的水体总氮质量浓度均低于对照组，分别降低了49.7%，50.0%，25.0%.说明各种环境下，加入该营养素后都能显著降低水体中含氮量.
3 讨 论
3.1 硅藻复合营养素对控制蓝藻水华的有效性分析
3.1.1 营养素对水体总氮浓度的影响
经显微镜观察，水华藻类的主要优势种为铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）.由于造成蓝藻水华的根源是水体中堆积了过多的氮磷[2]，不同浓度的含硅营养素加入到实验水体后，硅藻、绿藻所占的比例均增加，蓝藻比例均减少，说明该营养素对抑制水体中蓝藻的比例具有显著的作用.该营养素中除了含有Fe，Co，Mg，Mn，Ca等微量元素外，主要含有SiO2，可以促进硅藻的数量增加.在同一水体中，由于营养竞争硅藻大量增加后吸收水体中的营养成分，迅速成为优势种，从而减少了蓝藻在水体中的比例.增加的硅藻可以作为水体中鱼虾贝类的饵料，随着人们对鱼虾贝类的捕捞，水体中的氮磷营养元素被移出，因此并不会由于营养的堆积形成硅藻水华.同时硅藻的增加也增加了水中的溶解氧，有利于鱼虾贝类的生长，从而形成一种良性循环的水生态系统.
3.1.2 营养素对藻体形态的影响 加入硅藻复合素后蓝藻（主要是微囊藻）的群落变小，并且其个体向小型化发展，这种变化趋势有利于浮游动物对蓝藻的捕食，帮助减少蓝藻数量.
3.2 不同的温度及光照对硅藻复合营养素控制蓝藻水华作用的影响
Robarts 和Zohary认为蓝藻水华的发生主要是由于水温升高[17]，藻类群落结构发生变化，温度、光照对蓝藻水华有促生作用[18].为了探明该营养素对水华治理的有效性是否受到环境条件的限制，将最优浓度的营养素加入水体中，以3种不同的光照及温度条件模拟四季环境（上海地区的四季变化），结果发现：3种环境条件下蓝藻所占比例均下降，硅藻和绿藻比例均增加，这说明3种不同的光照及温度条件下该营养素对控制蓝藻水华均有效.
4 结 论
含硅营养素通过改变水体中的藻类群落结构达到降低蓝藻含量的目的，通过实验发现，含硅营养素在一定浓度下可以有效地抑制蓝藻水华爆发，并可以改善水体内藻类群落结构，增加硅藻和绿藻的数量及分布.研究还表明，不同光照和温度条件下该营养素均能发挥作用.本研究为蓝藻水华的治理提供了新思路，含硅营养素具有较大工业化生產及实际应用价值.
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（责任编辑：顾浩然）