球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)是一类有毒有害的浮游藻类, 以单细胞和囊体两种生活形态存在(Smith et al, 1991; Baumann et al, 1994)。球形棕囊藻囊体由几千乃至数万个单细胞所构成, 其粒径可以从几十微米到3.0cm不等(沈萍萍等, 2000)。球形棕囊藻单细胞与囊体在不同环境条件下能够相互转换, 藻华发生前多以单细胞形式存在, 藻华暴发时以囊体为主(覃仙玲等, 2016), 且会分泌大量粘液(van Rijssel et al, 2000), 进入消亡期后胶质囊破裂在海面形成白色泡沫(李波等, 2015)。自1997年在我国沿海首次发现球形棕囊藻藻华后, 该种藻华灾害频繁发生, 至2016年已有记录达到42次, 累计发生面积6950km², 给养殖业、旅游业等带来巨大危害(齐雨藻等, 2002; 黄海燕等, 2016), 更为严重的是, 巨大的胶质囊体会引发核电冷源取水口滤网堵塞, 从而对核电安全造成巨大隐患(覃仙玲等, 2016; 曹西华等, 2017)。

前期研究表明, 改性粘土法是最有发展前景的有害藻华防治方法之一(Anderson, 1997; Anderson et al, 2012), 不仅可以有效消除藻华生物, 而且可以降低富营养化程度、改善水质环境(Lu et al, 2015)。而改性粘土治理有害藻华的相关研究多集中在东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)、赤潮异弯藻(Heterosigma akashiwo)、中肋骨条藻(Skeletonema costatum)、米氏凯伦藻(Karenia mikimotoi)、抑食金球藻(Aureococcus anophagefferens)等微型藻类(Liu et al, 2016;邱丽霞等, 2017), 对于多以囊体形式存在的球形棕囊藻研究较少。同时, 改性粘土法已成功应用于2015—2018年广西防城港球形棕囊藻藻华治理, 并取得了理想效果(曹西华等, 2017), 而室内实验研究结果也表明改性粘土法对球形棕囊藻单细胞有较好的消除效果(邱丽霞等, 2017), 但未见到不同改性粘土消除囊型球形棕囊藻的比较研究。

本研究在深圳养殖场球形棕囊藻暴发水域取样进行实验, 比较了原土及不同改性粘土(MC Ⅰ、MC Ⅱ、MC Ⅲ)对囊型球形棕囊藻的消除效果, 并考察了添加改性粘土后水体pH、溶解无机磷(DIP)、溶解有机碳(DOC)变化情况, 为改性粘土应急处置球形棕囊藻有害藻华提供了参考。

1 材料与方法 1.1 实验材料

于2017年1月在深圳市大鹏新区南澳镇斜吓村海马养殖场取样进行实验, 实验用球形棕囊藻取自桡足类养殖池, 囊体直径约3—7mm, 其中5mm左右囊体居多, 初始囊体密度为(1455±15)ind./L, 对藻液进行显微镜检未发现其他浮游植物, 但含有少量桡足类浮游动物。

实验用的高岭土来自广西兖矿北海高岭土有限公司, 标示为Clay, 其粒径分布见图 1。粘土使用前经不同结构铝化合物的表面改性处理, 分别制备形成无机改性粘土PAC-MC (MC Ⅰ) (Yu et al, 1994)和AS-MC (MC Ⅱ) (Liu et al, 2016), 以及复合改性粘土KHSO₅/PAC-MC (MC Ⅲ) (刘扬, 2016)。

1.2 实验方法及实验指标测定 1.2.1 实验方法

将球形棕囊藻藻液平均分在2L烧杯中, 吸除破碎囊体, 加入一定量改性粘土悬浮液, 轻轻搅匀后静置, 分别于3、24h取中上部藻液进行相关参数测定, 其中取100mL进行囊体计数, 过滤200mL藻液留取GF/F膜样测定叶绿素a, 同时采集DOC、DIP样品, 并测定藻液pH。

1.2.2 生物量测定

实验囊体粒径存在较大个体差异, 且显微镜观察发现脱色囊体内已无存活藻细胞, 因此以囊体数量计算消除率存在一定误差; 另外, 球形棕囊藻叶绿素含量与藻细胞数量有较好的正相关性(黄天吾等, 2012), 因此本文以叶绿素a值为基础计算生物量(chl a)消除率(以下简称为消除率)。消除率的计算公式为:

囊体计数:取100mL水样, 分多次加入培养皿中对完整囊体进行计数, 同时进行囊体破碎程度、含色素情况观察。

1.2.3 水质参数测定

pH:添加原土或改性粘土3h后, 使用手持式pH计测定藻液pH。

DOC:经GF/F膜过滤后, 使用总有机碳分析仪(MultiNC2100, Elementar, 德国)进行测定。

DIP:用Skalar San⁺⁺营养盐自动分析仪测定。

2 结果与讨论 2.1 改性粘土种类与浓度对除藻效率的影响

对照组囊体呈棕黄色, 在水体中均匀分布, 几乎无破碎脱色情况, 但随静置时间增长, 部分囊体自然沉降; 而添加原土或改性粘土后, 粘土颗粒及小絮体附着在囊体表面, 囊体脱色、破碎及沉降至水体底层的现象。在显微镜下可观察到, 未处理囊体多糖外被较为坚硬厚实, 藻细胞较为均匀地分布在囊体内壁上; 处理组囊体多糖外被变薄, 粘土絮体附着在囊体外表面, 而囊体内藻细胞数量减少或无完整藻细胞。图 2为实验室内添加0.2g/L的MCⅢ后在藻液中挑选出的完整囊体, 囊体中未观察到藻细胞, 且囊体多糖外被变薄, 轻轻搅动后即可破碎。

实验囊体直径约3—7mm, 虽5mm左右囊体居多, 但囊体粒径大小不等, 且显微镜观察发现改性粘土处理后无色或白色囊体内已无存活藻细胞, 因此无法以囊体数量计算消除率, 因此本文消除率以叶绿素a值为基础计算。对照组藻液叶绿素a含量为11.5μg/L, 添加原土或改性粘土后部分藻细胞死亡分解, 叶绿素a含量有不同程度降低。叶绿素变化情况与改性粘土种类、使用浓度及消除作用时间有关, 当添加同种改性粘土时, 粘土使用浓度越高, 藻液中叶绿素a含量越低, 消除率越高; 粘土经表面处理后, 除藻能力得到大幅度提升, 且不同改性粘土除藻能力不同, 具体为: MCⅢ > MCⅡ > MCⅠ > Clay, 这与不同改性粘土对球形棕囊藻单细胞的消除结果类似(邱丽霞等, 2017); 另外, 作用时间越长, 消除率越高(图 3)。其中, Clay消除效果最差, 浓度为1.0g/L时消除率仅为52%, 而粘土经过表面改性处理后除藻能力均有不同程度提升。MCⅠ消除效率增幅最小, MCⅡ使用浓度为0.2g/L时3h消除率即可达到80%, MCⅢ消除效果最佳, 0.2g/L时消除率即可接近100%。当实验进行24h后, 此时消除率均高于3h消除率, 各处理组均有较好的除藻效果, Clay与MCⅠ消除率达到80%以上, 而MCⅡ与MCⅢ消除率则接近100%, 这也表明原土/改性粘土可持续对藻细胞产生消杀作用, 随作用时间增长, 残余藻细胞逐渐死亡。另外, 3h消除率高于80%的处理组(MCⅠ: 1.0g/L、MCⅡ: 0.2g/L) 24h消除率可达到95%以上。这与前期研究结果一致, 在现场应用中消除率达到70%—80%即可有效控制有害藻华(Yu et al, 2017), 室内研究也表明改性粘土可通过撞击、“遮荫效应”、活性氧积累、抑制光合作用等对残余藻细胞造成损伤, 因此残余藻细胞不会再次大量增殖(Liu et al, 2017)。

在进行东海原甲藻、赤潮异弯藻等传统微藻去除时, 微藻细胞死亡即可达到治理目的, 而对于球形棕囊藻, 即使囊体内藻细胞死亡, 藻华消亡期多糖外被会形成灰白色泡沫, 仍会对环境造成不良影响(李波等, 2015), 因此, 添加改性粘土后囊体数量变化及破碎程度也需重点关注。表 1为添加不同改性粘土后藻液中球形棕囊藻囊体数量及形态变化。添加改性粘土后, 藻液中囊体数量降低, 其中MCⅢ效果最佳, 在使用浓度为0.2g/L时藻液中上层已无完整囊体, 只有少量脱色碎片漂浮。对照组囊体几乎无破碎、脱色情况; 而添加改性粘土后, 多数囊体出现脱色、破碎现象, 其中添加MCⅢ后脱色、破碎程度最为严重, 因此囊体沉降也较为完全, 水体中上层几乎无囊体碎片存在。本文球形棕囊藻囊体直径多为5mm左右, 破碎后碎片大小也约在0.5—3.0mm, 而Clay、MCⅠ、MCⅡ、MCⅢ中值粒径分别为(19.03±0.54)、(22.92±0.69)、(26.28±0.60)、(22.93±1.28)μm(邱丽霞等, 2017), 粘土颗粒大小与囊体或囊体碎片悬殊, 碰撞效率低(Han et al, 2001), 即使粘土颗粒附着在囊体表面也难以使其完全沉降, 因此在囊体未破碎或破碎程度较低的情况下, 藻细胞已经死亡, 但水体中上层仍有少量囊体或囊体碎片漂浮。

2.2 改性粘土对水体参数影响 2.2.1 改性粘土对水体pH影响

未处理球形棕囊藻藻液pH为8.1(图 4中虚线所示), 向其中添加原土3h后, 藻液pH无变化, 而添加不同种类不同含量改性粘土, 藻液pH有不同程度降低(图 4), 其中添加MCⅡ后藻液pH降低程度相对较大。同时, 3h消除率达到80%时各改性粘土处理组(MCⅠ: 1.0g/L、MCⅡ: 0.2 g/L、MCⅢ: 0.2 g/L)水体pH均高于7.0。综合考虑各种改性粘土对球形棕囊藻的消除效果及对藻液酸碱扰动程度, 本文中最适改性粘土为MCⅢ, 使用浓度为0.2g/L即可在短时间内达到100%消除球形棕囊藻细胞、破碎其囊体的效果, 且此时pH变化程度小。

2.2.2 改性粘土对水体DOC影响

初始藻液DOC含量为(2.362±0.505)mg/L, 而在3h和24h藻液DOC含量有所升高, 分别为(2.903±0.005)、(3.577 ±0.081)mg/L, 这可能是由于少量囊体破碎, 囊体内有机质释放至水体所致。而添加原土或改性粘土后, 各处理组DOC含量均有一定变化(图 5)。经3h处理后各处理组DOC含量范围为2.095—3.661mg/L, 无明显变化规律, 但大致表现为改性粘土组DOC含量高于原土组; 而经24h处理后, 各处理组DOC含量范围为2.158—3.010mg/L, 均低于对照组水平, 对水体DOC含量有一定降低作用。添加原土或改性粘土后, 一方面会导致微藻细胞死亡、细胞器流出, 以及囊体破碎、囊体内部藻细胞或藻细胞碎片流出, 会导致水体DOC含量升高; 另一方面, 原土或改性粘土颗粒会吸附水体中及球形棕囊藻释放的有机质并在沉降过程中将有机质带至底层, 同时促进有机质分解, 会使得DOC含量降低, 因此, 处理组DOC含量无明显变化规律。结果显示:在较短时间内囊体有机质释放水平相对较高, 而有机质吸附、分解过程发生较慢, 因此部分处理组DOC含量有明显升高; 在相对较长时间内, 藻细胞逐渐死亡、沉降, 有机质释放水平较低, 而粘土颗粒对有机质的持续吸附、分解作用明显, 因此各处理组DOC含量低于对照组。

2.2.3 改性粘土对水体DIP影响

对照组球形棕囊藻藻液3、24h的DIP值分别为0.53、0.32μmol/L, 向藻液中添加不同改性粘土后, DIP含量均低于对照组水平(图 6)。为这与Lu等(2015)的研究结果一致, 改性粘土对无机磷具有一定的埋存保护作用, 通过吸附絮凝、螯合等作用使其脱离水体系统, 降低水体富营养化程度, 对抑制有害藻华的二次暴发有一定作用。

3 结论

(1) 改性粘土能够有效消除球形棕囊藻细胞, 对囊体亦有一定破碎作用, 且改性粘土浓度越高, 其除藻破囊效果越好;

(2) 粘土经表面改性后对球形棕囊藻消除能力明显提高, 其中MCⅢ效果最佳, 使用浓度为0.2g/L时生物量(chl a)消除率为99.57%, 囊体破碎率达100%;

(3) 添加改性粘土后水体中DIP有一定程度降低, 改性粘土法治理有害藻华能够有效降低水体富营养化程度。