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《科学世界》：碧水之灾

2007年5月29日，太湖水面上漂起了一层厚厚的绿油油的泡沫，整个无锡市的城市供水系统也因为水源严重污染不得不暂时关闭。忽然之间，一种一直以来默默无闻的微生物—蓝藻，受到了社会各界的广泛关注。而蓝藻是如何形成“水华”的呢？

从一种古老的细菌开始

蓝藻，又叫“蓝绿藻”(blue-green algae)，它是古老的原核生物中的一大类，这类生物的细胞中都没有成型的细胞核，也没有叶绿体。然而，由于蓝藻在很多方面与细菌相似，微生物学家习惯把它们归为“细菌”，现在的大多数生物学家一般改称蓝藻为“蓝细菌”(cyanobacteria)。当然，蓝藻与真核藻类的区别还是很明显的，关键的区别是它们的细胞结构—真核藻类具有成型的细胞核，属真核生物，而蓝藻则不具有细胞核，属原核生物。从进化上来说，蓝藻比其他的真核藻类明显要古老得多。

除了没有细胞核，蓝藻细胞内也没有专门放置色素的色素体，它的色素被均匀地分散在细胞的原生质里。蓝藻仅含有一种形式的叶绿素—叶绿素a，它们都含有特征性的藻胆素(藻胆蛋白)，这是光合作用的辅助色素。藻胆素中的一类叫藻蓝蛋白，呈蓝色，与绿色的叶绿素a一起，使细胞呈现蓝绿色，这也是蓝绿藻得名的原因。然而，也有一些蓝藻含有藻红素，一种红色的藻胆素，因而它们的细胞呈现红色或棕色。藻胆蛋白是光合作用的辅助色素，叶绿素仅能吸收光谱中一部分波长的光，而藻胆蛋白则可以帮助生物捕获更多的光。

蓝藻跟真核藻类一样都是光合自养生物，它们能将光能转化为生物能，同时释放出氧气。在进化上，蓝藻远早于真核藻类，它们是地球上最早的产氧光养生物之一，据估计，在10亿年前地球生命萌芽的时期，地球的大气中充斥着甲烷之类的气体。当时的微生物适应了这种恶劣的环境，有部分如蓝藻般含有叶绿素的微生物开始产生氧气，经过漫长的地质岁月，地球大气中的氧含量逐步从0提高到21%—也就是今天的水平。蓝藻在大气层从无氧到有氧的转化过程中起了如此关键的作用，从一定意义上讲，今天我们所处的适宜的自然环境也可以说是拜蓝藻所赐了。

从蓝藻到人，经过了数十亿年。时至今日，自然环境演化这场大戏的主角终于变成了人类，人类在适应着自然，也在改变着自然，像蓝藻那个时候一样。不同于蓝藻当年的是：人类对环境的改变以破坏性居多。那些人类制造的工业废水、生活污水和农业养殖“肥水”等没有经过妥善地处理就排入了淡水湖泊，造成了湖泊中水体氮、磷含量过高，呈富营养化的状态。每年，春夏之交到夏秋交替时，富营养化水体中蓝藻大量繁殖，造成水体缺氧。蓝藻死亡后，在水面形成一层蓝绿色而有腥臭味的浮沫，称为蓝藻“水华”。蓝藻死亡后还会释放出毒素，污染水源，造成大量的水达不到饮用要求，从一定意义上，蓝藻在让人类品尝自己种下的苦果。

为什么会发生“水华”？

蓝藻水华发生时，蓝藻会上浮，这是为什么呢？

一些蓝藻的细胞中具有气囊，这些气囊中的气体主要来自于细胞的代谢废气。细胞自身通过对气囊的调节可以调整浮力，从而调节细胞体在水体中的垂直分布，以寻求更好的光照和营养条件。具有气囊可能是蓝藻通常能成为优势种的一个重要原因。气囊让一部分蓝藻有了“自身”调节浮力的机制，这种机制可以使它们向着更好的光源和营养运动。

营养因素，是蓝藻水华暴发的一个重要原因。国内外许多学者的研究都表明，充足的养分和氮磷营养物的比例会显著影响浮游植物种群的组成。早在1983年，著名学术期刊《科学》发表了一项通过对17个湖泊在生长旺季对水质进行分析的研究结果，结果显示当水中总氮和总磷的比例小于29时，可以形成水华的蓝藻会占优势。氮磷比例29，听上去是一个那么完美的结果，照这么看，只要控制这个无机盐的比例，至少足以略微抑制一下蓝藻暴发的强度了。但就在最近，中国科学院武汉水生生物研究所谢平对上面的结论进行了质疑：较低的氮磷比例不一定是蓝藻形成水华的条件，更有可能是水华产生的结果。这样，水华产生的营养条件又变成了一个谜。

当然，在太湖这样的浅水湖泊里面，很容易受到风力作用的推动，在表层形成一个混合层，一般认为，这个混合层里营养物质都是均匀的。此时营养就不再是它们生长的竞争目标，或者，光更容易成为它们的限制因素，所以它们要上浮可能是为了寻找更好的光源。

根据荷兰的某个研究团队开展的以竞争作为选择因子的研究，每种藻类都有一个临界光强，当有效光强低于这个临界值时，藻类便不能正常生长而被淘汰。若有效光强持续降低，临界光强最低的藻类通常能笑到最后，成为最后的幸存者。所以具有较低临界光强的藻类在光限制时，更有能力倾向于成为优势种。在他们用做研究对象的两种蓝藻(束丝藻和微囊藻)和一种绿藻(栅藻)中，微囊藻和束丝藻的临界光强都比栅藻的低，在与栅藻的混合培养中，它们分别都占优势。

蓝藻水华的暴发就是瞬间的事吗？中国科学院南京地理与湖泊研究所孔繁翔研究员认为，蓝藻水华的出现，从表观现象上看确实是瞬时的“暴发”，但是其本质上却存在一个逐渐发展与形成过程，是水体中藻类生物量的逐渐增加，是可以预测的过程，暴发的前提是水体中已经存在较大的藻类生物量。

关于蓝藻水华形成的机理如何呢？目前还没有能广泛认可的统一说法。但有一点已经达成了共识，那就是：水华是一个逐步发展的生态过程，因此必定存在生态系统水平上或者其他方面的一些指示因子，找到了这些因子就可以对水华进行预警，从而更好地避免水华的发生了。

如何防治“水华”？

如何避免“水华”的发生呢？降低水体中营养盐的含量是个好办法。要降低水中营养盐的含量其实很简单，环境专家们发现，水生植物水葫芦对氮、磷都有明显的去除效果，而另一种黄花水龙则对总氮的去除表现优良，但在总磷去除效果方面稍逊于水葫芦。水葫芦和黄花水龙都是生长在水面上的，所以适合制成水生植物浮床，通过水生植物生长过程中对氮、磷的吸收和立体网状根系将水中的悬浮性污染物和藻类进行过滤，达到生态净化的目的。但由于水葫芦是外来物种，容易失控造成严重后果，通常更推荐种植黄花水龙来防止水华的发生。

还有学者更赞成采用生物操纵的方法进行水华控制，例如，养殖可以通过食物链的途径降低蓝藻暴发的可能性，在放养鲢、鳙鱼后，武汉东湖在十几年来都没有发生过蓝藻水华的情况，这似乎证明了这种方法的可行性。然而，生物操纵方法也许要根据各地情况不同而有所取舍。国内外的研究经验表明，遏制水华的有效放养密度为46～50克/立方米水体，但在这次水危机中，无锡市仅梅梁湖面积就达1.3万公顷，需放养1.3万吨鱼种，在鱼种和经济上都无法解决。今年年初，太湖渔管会和无锡市滨湖区渔种管理站将约200万尾花、白鲢鱼种投放梅梁湖中，计划利用“生态效应”攻克蓝藻，其结果显然未能如愿。在蓝藻大暴发之后，人们也曾试图放养鳙鱼治理蓝藻，结果放下去不多日便翻着肚皮漂上来了。有研究认为，部分种属的蓝藻具有胶质膜，不适合作鱼类的饵料，其中有一些还是有毒的，所以应该也不受鲢、鳙鱼欢迎。解剖实验也证实了以上推断，浮游植物与浮游动物的重量在鲢鳙鱼肠中的比例，鲢为1:47.6，鳙为1:292.15。所以，生态修复还需要进行更多的研究以找到一条低成本高效率的解决之道。

富营养化水体治理无疑将是时间跨度比较长的工程，治理的过程中可能也会有发生蓝藻暴发的危险，所以做好科学的水质监控和危害预报是非常必要的。目前的水质监控方法主要是对影响湖泊营养状态的水质指标进行周期性采样和分析，选用各种方法模型进行评价。这个评价方法虽然能对水质参数做出精确的分析和评价，但费时、费力且不经济，而且采集和分析的水样有限，不足以反映湖泊富营养化的空间分布状况，因此，目前研究的热点逐渐转向应用遥感技术的监测和评价。

（来源：《科学世界》，上海供排水项目网陆僶睿编辑，2008年2月22日）