底栖蓝藻水华防控

我国北方地区水资源短缺问题比较突出，水库是区域重要水源地，其水质优劣直接影响受水地区水环境生态健康及饮水安全。目前关于水源地的蓝藻研究多集中于浮游蓝藻，而底栖蓝藻由于生长于水体底部，具有天然的隐蔽性，研究相对有限。然而，近年来，随着全球气候变暖和水环境变化，北方水库型水源地有害底栖蓝藻有过度繁殖的趋势，增加了水质安全的不确定性风险。围绕底栖蓝藻的监测、分布规律和水华的形成，系统综述课题组关于底栖蓝藻水华防控方面的研究。

底栖蓝藻水华防控的重要性

近年来，国家水生态文明建设和“十四五”规划强化水安全保障等都对水质安全提出了更高的要求。蓝藻水华防控属全球重大环境问题，也是我国水环境面临的巨大挑战。水库因围坝与底部基质表面粗糙等特点，为底栖蓝藻提供了适宜定植的环境。其大量繁殖释放的藻毒素和嗅味物质直接威胁水质安全。与浮游蓝藻相比，底栖蓝藻附着于基质、隐蔽性强、监测困难，相关研究明显不足，尤其是水源地底栖蓝藻分布及生长规律的缺少更是成为制约水源地蓝藻水华全方位防控的瓶颈。

水库型水源地底栖蓝藻分布规律和水华形成

课题组对山东境内某水源型水库长期的藻类监测中发现，大量底栖藻类附着生长在围坝，并形成底栖藻垫结构，通过镜检发现大量的底栖蓝藻种类（图1），如席藻、颤藻、湖泊伪鱼腥藻、鞘丝藻和细鞘丝藻等。

图1 某水库岸坡附着底栖藻类大量繁殖（a, b）和镜检底栖蓝藻种类(c)

考虑到饮用水处理厂通常从水库的中下层取水，对底栖蓝藻的研究需重点关注深层水体。虽然潜水采样、船载岩心采样等方法可实现深层监测，但这些技术对设备专业性、人员操作技能要求高，且实施成本昂贵，难以应用于常规监测。为克服上述技术限制，课题组自行设计并优化了一款底栖藻类采集装置（图2），以混凝土透水砖作为人工基质，其材质与水库围坝相近，可较好模拟围坝表面底栖藻类的附着生长情况；同时设置传统木块作为对照基质，以比较不同材质对藻类附着的影响。装置由连接绳和采样板组成，设有凹槽用于放置的人工基质。采样板底部装有四个万向轮，可使其在不同深度位置放置。

图2 水库底栖藻类原位采集装置（a）装置使用示意图，（b）装置主视图和采样板剖面图（c）装置实物图，（d）和（e）分别为混凝土砖块和木块的表面

（1）水库型水源地底栖蓝藻种群结构和时空分布特征

课题组利用以混凝土砖和木块为人工基质的底栖藻类采集装置对水库岸坡上层和底层的底栖藻类进行原位采集，同时对比了不同基质和不同深度底栖藻类生物量和群落结构时空分布规律（图3）。

混凝土砖块上以硅藻门和蓝藻门为主要优势门类，两者占比之和超过85%。绿藻占比约10%左右，裸藻、甲藻和金藻的占比较低，均低于5%。其中夏秋季节以蓝藻门为主，占总藻密度的50–85%。冬春季节底栖藻类密度较低，且以硅藻门为绝对优势门类，占总藻密度的比例达到70%以上。

木块附着的藻类各个季节均以硅藻为主，大部分月份硅藻占比70%以上。木块上的蓝藻密度在研究期间较低且明显低于混凝土砖块上着生的蓝藻密度。

图3 混凝土基质（a, b）和木块基质（c, d）表面着生的底栖藻类各门藻密度变化情况。a, c为水库上层，b, d为水库底层

底栖蓝藻以伪鱼腥藻、鞘丝藻、细鞘丝藻、席藻和颤藻等无异形胞的丝状蓝藻为主（图4）。夏秋季节微囊藻占底栖蓝藻的20%左右，其余优势属均为无异形胞的丝状蓝藻（占比70%以上）。冬春季节则均以伪鱼腥藻和细鞘丝藻这两种丝状蓝藻为优势属。常见的浮游蓝藻拉氏尖头藻和长孢藻等有异形胞的固氮丝状蓝藻极少在底栖基质上检出。

图4 底栖蓝藻物种组成和藻密度变化

（2）水库型水源地底栖蓝藻的关键水环境驱动因子

现有关于水库底栖蓝藻的研究多局限于短期观测和定性描述，缺乏系统性、长时序的定量监测，导致对水库生境中底栖蓝藻的环境驱动机制认知存在不足。基于长期监测明确环境因子（温度、光照、营养盐等）对底栖蓝藻的生长繁殖的关键调控作用，对其生态风险的有效预测与精准防控具有重要的作用。

研究发现底栖蓝藻密度与水温、总氮和水体叶绿素a呈显著正相关（p < 0.05），与水深呈显著负相关（p < 0.05）（图5）。由于水体透明度较高，水库底部大部分月份能够有阳光照射，满足了底栖蓝藻的光照需求，透明度未成为影响底栖蓝藻生长的主要环境因子。但当真光层深度明显低于水深的月份，会出现底栖蓝藻密度剧烈下降的现象。研究表明在中营养水库中，当水温超过25℃并同时伴随水库水位下降与总氮浓度升高时，真光层内的底栖蓝藻可能迅速增殖，进而引发底栖蓝藻水华。

图5 某水库底栖藻类优势门类与环境因子的相关性分析(a)和东湖水库底栖蓝藻密度与水环境因子温度(b)、水深(c)、透明度(d)和真光层深度/水深(e)同步变化规律

（3）底栖藻垫微生物群落特征

宏基因组揭示了水库底栖蓝藻水华期间藻垫中门水平的物种组成（图6a），可以看出变形菌门、蓝藻门、拟杆菌门和浮霉菌门为底栖蓝藻垫的前四大优势门类，丰度总计占所有微生物的60%以上。在水华初期蓝藻门占所有微生物的比值为11.8%，水华期间相对丰度明显升高，成为丰度最高的门类；而在水华后期，其相对丰度下降。

共现网络图表明（图6b），蓝藻门中丰度最高的鞘丝藻属与泽鞘丝藻属之间呈显著的正相关，表明两种藻属在生理生长状态仍有很多相似性。共线性网络图中一个明显的现象是腐生螺旋菌科的某菌（unclassified-Saprospiraceae）与许多蓝藻（包括颤藻、细鞘丝藻、席藻、微囊藻和几种未分类蓝藻）均呈显著的负相关（p < 0.05）。

图6 某水库底栖藻垫微生物相对丰度分布柱状图(红色框内为原核生物)(a)，底栖藻垫属水平优势微生物共线性网络图(b)

（4）底栖蓝藻藻垫形成的微观细胞机制

   课题组从东湖水库底栖藻垫中分离的一株丝状蓝藻为研究对象，对比该底栖蓝藻、浮游蓝藻（拉氏尖头藻）及浮游底栖均存在的蓝藻（铜绿微囊藻）的藻垫形成能力、EPS（胞外聚合物）组成及细胞表面特性，从细胞表面特征的微观角度揭示底栖蓝藻藻垫形成的机理。

对比该底栖藻种、浮游拉氏尖头藻及底栖浮游均有分布的铜绿微囊藻，表明三种生境蓝藻的细胞表面特性差异明显（图7，表1）：分离纯化的典型底栖蓝藻席藻由于表面具有很强的疏水性以及负粘附自由能，使藻丝趋向于团聚和粘附，容易在水-固界面定植，团聚的藻细胞在适宜条件下大量生长繁殖、藻丝通过运动向四周延伸，并在分泌的大量EPS的包裹下，在基质表面形成了较为稳定的垫状结构。浮游蓝藻则呈亲水性，粘附自由能为正值，倾向于自由悬浮在水体中。

图7 席藻、拉氏尖头藻和铜绿微囊藻不同培养时期胞外多糖，胞外蛋白含量和傅里叶红外光谱图

表1 不同培养天数下席藻、拉氏尖头藻和铜绿微囊藻的疏水性和内聚自由能

研究展望

本研究自主研发的底栖藻类采样装置具有操作简便、成本低廉等优势，为水库底栖蓝藻的有效监测提供了实用工具。未来研究中可开展更长周期的连续定量监测，特别是在底栖蓝藻迅速增殖的夏秋季节增加采样频次，以期更全面、更深入地解析底栖蓝藻群落的演替动态及其关键环境驱动因子。此外，随着原位自动监测技术的普及，在现有装置基础上集成水下高清摄像头及高灵敏度自动传感器（如藻蓝蛋白传感器等），构建实时、原位、可视化的监测体系，从而实现对底栖蓝藻定植状况的动态感知与及时预警。该装置弥补了我国人工水库中下层围坝底栖蓝藻定量监测的空白；突破了传统以浮游蓝藻为核心的单维度防控范式，通过对底栖藻类群落结构及演替规律的长期系统监测，有望在底栖蓝藻生态学及防控中贡献新的解决方案。

内容来源

裴海燕, 庞一鸣, 徐杭州, 韦洁琳, 江珊. 一种以混凝土砖为人工基质的水库围坝着生藻类采集装置，ZL202421590316.6（实用新型专利）.

庞一鸣. 水库型水源地底栖蓝藻时空分布规律及水华机制[D]. 山东大学, 2025.

田晓萌, 裴海燕, 徐杭州, 等. 淡水有害底栖蓝藻研究进展[J]. 生态学杂志, 2020, 39(06): 2070-2085.

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52170005）的支持