藻源性湖泛发生过程的季节差异

邵世光,薛联青,刘　成,申秋实,周麒麟,余居华,范成新*（.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 0098；.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京0008）

藻源性湖泛发生过程的季节差异

邵世光1,2,薛联青1,刘成2,申秋实2,周麒麟2,余居华2,范成新2*（1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098；2.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京210008）

藻源性湖泛在春季和夏季均有发生,但湖泛发生的完整过程在野外很难被追踪到.本文利用专利装置进行了春季与夏季藻源性湖泛的室内发生模拟,研究了湖泛发生过程中水体视觉和嗅觉两方面特征指标的变化过程.结果表明：湖泛在春季比夏季需要更长的酝酿时间方可发生,且持续时间较短；春季湖泛发生时水体真色度与悬浮固体含量均要高于夏季,且波动更显著；夏季湖泛致臭物质的变化较春季更明显,具有迅速、持久的特点；春季与夏季藻源性湖泛过程均具有嗅觉特征先于视觉效果显现的现象,即呈现先臭后黑的特点.

湖泛；季节差异；视觉特征；嗅觉特征；变化过程

湖泛是近20年来常见于我国浅水湖泊的一种极端水环境问题［1-4］,主要有草源性和藻源性 2种类型［3-4］.湖泛发生时水体变黑且伴有极度难闻的气味［5］,严重影响水生态系统及供水安全.湖泛现象并不仅仅发生在中国,在国外许多海湾及湖泊中都曾出现过这一现象,如德国的 Wadden sea［6］,意大利的Garda湖［7］,美国的Illinois湖［8］等.对于这一现象产生的原因,目前尚没有定论,但有研究［8-9］认为,金属硫化物是水体发黑的重要原因,而挥发性硫化物（VSCs）则是水体发臭的主要原因［10-11］.

藻源性湖泛与藻华有很大的区别,湖泛现象是藻华以后,藻类大量死亡降解同时有沉积物参与而引起的次生灾害,湖泛发生时水体呈现出黑色并伴有刺激性臭味.发生在我国浅水湖泊中的湖泛主要特征［12-13］：极低的溶解氧浓度,一般接近0mg/L,水体的pH值呈弱酸性,低氧化还原电位,高浓度的金属硫化物,高浓度的挥发性有机硫化物［VOSCs,如二甲基硫醚（DMS）,二甲基二硫醚（DMDS）,二甲基三硫醚（DMTS）,和甲硫醇（MTL）］.目前已有的报道认为表层沉积物及间隙水中Fe2+和 ΣH2S的累积是导致形成致黑物质的主要原因［12］,沉积物中的硫酸盐还原菌（SRB）在这一过程中起着重要的作用［14］；而致臭物质形成的主要原因则可能是由于藻类的大量死亡和降解过程中一系列的生化反应所产生的伴生物［15-16］.

湖泛在春季和夏季都曾发生过,但是湖泛发生后给人们的感觉差异较大,如持续时间、视觉效果和嗅觉效果都不尽相同.目前,还没有关于不同季节湖泛发生过程存在差异的相关报道,在湖泊中春季和夏季水体和沉积物的温度存在一定的差异,这会引起其他与温度相关的地球化学循环过程发生变化.湖泛最典型的感官现象就是视觉上的“黑”和嗅觉上的“臭”.在视觉上,由于湖泛发生过程中水体由正常颜色变成黑色所经历的时间较短,目前在野外没有完整的监测记录.在嗅觉上,对于湖泛发生过程中臭味物质的报道主要集中在发生湖泛后进行的臭味物质含量分析,缺少对湖泛发生过程中臭味物质变化过程的研究.

湖泛的相关研究基本处于室内实验室小体量的烧瓶实验,模拟原位水深和有原位沉积物参与的湖泛发生过程相对较少,且没有考虑春季和夏季湖泛之间存在的感官差异原因.本研究利用专利装置模拟的藻源性湖泛解决了室内烧瓶实验无法解决的技术难题：实验采用湖泛发生水域结构未被破坏的 0～20cm原位沉积物；实验水深为实际湖泊中1.85m的同等水深；模拟湖泊中盛行风速引起的波浪过程；实验室建在湖边可以实现实验室温度与湖泊自然温度同步变化.本文通过模拟实验对湖泛发生过程中水体的两类敏感指标变化过程进行研究,以探究春夏季藻源性湖泛发生过程存在的季节差异.

1　材料与方法

1.1采样地点及方法

本实验采样点选择在太湖月亮湾湖泛易发区域.月亮湾位于太湖北部梅梁湾与竺山湾之间,北靠马山,南面为太湖开阔区域,面积约10.51km2（图 1）.由于月亮湾的地理位置特殊,再加上水文和气象因素,使得月亮湾对太湖水质有较大影响.月亮湾是无锡太湖水域最早出现过湖泛的区域,而且发生面积、频次比其它水域严重得多［17］.

2013年春季和夏季,利用柱状重力采样器（Rigo Co.φ110×500）在月亮湾水域采集若干0～30cm的沉积物样品（图 1）,用橡胶塞将柱状样塞紧保存,另用25L聚乙烯塑料桶在采样点采集湖水作为实验过程中沉积物的上覆水,同时用浮游生物网采集采样点附近的新鲜藻体.所有沉积物样、水样及藻体用保温箱保存并当天运往实验室低温下保存.实验开始前 1h内藻体用1000r/min低速离心,去除大量水分.

图1　采样点位示意Fig.1　Locations of the sampling sites

1.2实验装置

湖泛模拟实验在Y-型沉积物再悬浮发生装置［18］（简称Y-装置）,Y-装置具有多个由Y-型聚乙烯管（高2.55m,最大实验水深可达1.9m）、下部旋桨、上部旋桨和调速控制器等组件组成.底部旋桨以水平成约45°角推动水体对采集的原状沉积物产生如表层平流效果的切应力,当推力调至足够大时将使得沉积物发生再悬浮,并可控制水柱悬浮量；上部旋浆则推动水流产生旋转,减小悬浮颗粒物与管壁的碰撞几率、增大其在水柱中运动的自由程,并产生一定程度的纵向混合,控制着悬浮物垂向分布.调节上、下部旋浆转速,可模拟不同风情下的水动力对沉积物界面产生的再悬浮效果.侧壁布有 11个不等距采样口,可用于实验状态下垂向取样.

图2　湖泛模拟装置纵剖面示意Fig.2　Black bloom simulation apparatus

1.3实验方法

把所采集的沉积物样品采用上顶法在无扰动的情况下装入 Y-型沉积物再悬浮装置中；然后把采集的湖水用虹吸法从Y-型装置的侧部小管中缓缓注入直至柱子中水深与实际湖水深度相等为止（1.85m左右）.静置24h后开动旋浆搅动,完成一个风速运转周期（6h）后再静置24h,然后开始加入离心后的新鲜藻体细胞.添加藻细胞的量为5000g/m2.春季实验在5月进行,夏季实验在7月进行,实验过程全部在3组平行Y-装置中同时进行.

根据国内外学者［19-22］的相关研究,本实验选择代表性风情为中等风浪（风速 3～4m/s）扰动.藻体添加后每天 10：00～16：00进行风浪扰动模拟,实验室温度为自然室温,光照采用室内自然光.每天9：00进行样品的采集与分析测定,并记录装置中水体的变化情况.

1.4分析方法

每天9：00用色度仪（昕瑞）测定经0.45μm滤膜过滤后的水体真色度,用便携悬浮固体仪（Partech）测定装置中部水体中的悬浮固体,记录水体的感官特征.并在水柱中部距沉积物界面90cm处采集20mL水样,装入50mL棕色顶空瓶,所采集的水样连续编号,放入-20℃冰箱中冷冻保存,至实验结束时一并测定所需项目.

臭味物质浓度用气相色谱仪（Agilent 7890A, USA）测定，使用50/30μm DVB/carboxen-PDMS萃取头（Supelo, No.57348-U, USA）在 65℃、150r/min下萃取 30min.随后将萃取头插入气象色谱仪的FPD进样口，使用GAS-PRO色谱柱（60m×0.32mm； Agilent Technologies, USA）对VOSCs进行分离,柱箱程序是：50℃保持 5min，以25℃/min速度升温至250℃,随后在250℃保持10min.使用纯度98%以上的标准样品（Sigma-Aldrich）绘制标准曲线.VOSCs最低检测限为2.2～4.0ng/L.

2　结果与讨论

2.1视觉效果变化

将藻体加入再悬浮装置后,旋浆作用下可以使得藻细胞在水体中分布均匀,整个水体在开始与正常湖水一致.在扰动停止后,由于藻体的生物学特性,很快就会聚集到水体的表面,致使氧气不能有效的融入水体.在较高的温度下,藻体及水体微生物的新陈代谢活动和水-沉积物界面处沉积物中部分有机质的矿化分解都需要消耗大量氧气,使得聚集的藻细胞很快就出现衰亡现象.具体表现为加入藻细胞1～2d后各水柱开始变黄,水体的颜色逐步变暗,然后在沉积物-水界面处开始出现灰色,整个水柱从下至上全部变黑,最后整个水柱呈现出湖泛时的深黑色.

湖泛显现出来视觉上最明显特征就是水体呈黑色,主要原因可能来自于以下方面：沉积物表层大量的底栖生物在厌氧环境下相继死亡,残体在厌氧及兼氧细菌的作用下分解,在分解过程中产生大量的黑色物质［14］；在厌氧环境,金属元素被还原到较低价态与水体中的被还原低价态的阴离子如S2-结合产生大量黑色的颗粒物［4］；水体中悬浮大量絮状的藻类残体,这些残体降低了水体对光的反射,吸收了绝大部分射入水体的光线,使得视觉效果呈现出黑色的景象［23］.

为了更好的描述视觉效果,根据目视比色法将视觉效果的变化过程分为 5个等级,即：Ⅰ级：无色,水体清澈视觉上与正常湖水一致；Ⅱ级：浅黄,水体略浑浊略显土黄色；Ⅲ级：灰色,水体比较浑浊呈灰色透光性很差；Ⅳ级：浅黑,水体非常浑浊略显黑色；Ⅴ级：水体呈深黑色且基本不透光［24］.

表1　湖泛模拟过程的视觉效果Table 1　Visual effects of black bloom simulation

从表1可以发现,春季水体发生湖泛所需时间较夏季多2～3d,春季水体在前3个状态持续的时间较长,这主要是由于春季水体温度较低,微生物活性较低,藻体降解较慢导致.夏季湖泛过程明显快于春季,只需 3d水体便出现黑色.夏季湖泛在视觉效果上的变化过程要比春季更加明显.

2.2色度变化

水体真色度即水体的真实颜色,是仅由溶解物质产生的颜色,用经过 0.45μm滤膜过滤的水样测定.色度的标准单位是°,即在每升溶液中含有2mg六水合氯化钴（Ⅳ）和1mg铂（以六氯铂（Ⅳ）酸的形式）时产生的颜色为1°.

由图3可见,在湖泛发生前,春季和夏季色度均出现迅速增加的趋势,但夏季增幅速度要快于春季,夏季在第5d即达到最大值,春季在第8d达到最大值,是前初始色度的 8～10倍,但春季色度最大值要高于夏季.这可能由于温度和微生物的共同作用使得有色物质在水体中存在的时间更长导致的.色度值达到最大时对应于视觉效果的第Ⅴ等级,说明了湖泛发生时水体真实的颜色在视觉上的黑色中有重要的比重,并不是全部归因于水中黑色的悬浮物对光线的吸收以及散射的减小.在湖泛发生后春季与夏季色度均出现减小的现象,并没有出现色度持续增加的过程,这可能是因为湖泛发生后,整个水体环境已经不同于湖泛发生之前,进入了更为复杂的生化过程阶段,或者是水体环境中生化反应所需的物质逐渐减少,不能进行持久的反应.

图3　湖泛模拟实验真色度变化过程Fig.3　True chromaticity change process of black bloom simulation

2.3悬浮物（SS）变化

实验开始后加入新鲜藻体,经过1d后鲜活的藻体基本漂浮于水体表面,死亡的藻体则下沉到沉积物表层附近水体中,形成鲜明的对比.同时春季也是藻体复苏活跃的季节,沉在湖底沉积物表层中的活藻细胞逐渐上浮,藻细胞有大量繁殖的可能性［25］,这可能导致了春季水体的 SS波动较大,呈现随时间迅速增加的趋势,最大的24h的变化量可达夏季的2倍多.相反夏季的SS波动较小,只在实验开始的前2d呈现随时间迅速增加的趋势,从第 3d开始便呈现出缓慢降低的趋势.整个模拟实验过程中春季最大的SS出现在5～6d的时段内,夏季出现在 3～4d时段内,达到实验开始前湖水的2～3倍.此时的水体极度恶臭,但是却没有严重发黑,处于Ⅲ级浅黄到Ⅳ级灰色阶段,这可能是水体中悬浮固体所吸附的物质没有充分反应释放到水体中而导致的现象.在水体黑臭均达到最大值后,悬浮固体含量逐步降低.

图4　湖泛模拟实验悬浮固体变化过程Fig.4　Suspended solids change process of black bloom simulation

2.4臭味物质变化

湖泛发生前后水体散发出的恶臭气体主要为挥发性有机硫化物（VOSCs）.图5可见,在整个湖泛过程中所检测的致臭物质始终存在,初期臭味物质浓度较低,嗅觉上不易察觉,到藻类降解一定程度后臭味物质含量迅速增加,到湖泛发生前臭味物质浓度达到最大值,然后臭味物质浓度逐渐降低,直至嗅觉上很难被察觉.从具体的VOSCs上看各个臭味物质均出现了浓度先随时间增加,达到最大之后均迅速减小,然后小幅波动的趋势.春季与夏季湖泛发生过程中臭味物质浓度最高的均为DMDS,最低的均为DMTS.

春季湖泛与夏季湖泛发生过程中致臭物质在浓度、组成和时间分布上均有较大差异.臭味物质浓度变化过程最大的差别在于,春季VOSCs整体上要低于夏季,春季内各臭味物质之间浓度差异显著,DMTS浓度远低于其他VOSCs,DMS 与DMDS浓度基本高于MTL.夏季湖泛过程中各臭味物质之间浓度差异较小,MTL浓度在湖泛发生前高于 DMDS,湖泛发生后基本低于其他VOSCs.春季与夏季湖泛过程中 VOSCs随时间的分布也存在较大差异,春季的VOSCs在5～7d处于较高的浓度水平,而夏季的高浓度VOSCs是在2～5d.春季与夏季湖泛嗅觉效果的差异是夏季湖泛更快速、更持久,春季则较缓慢而且气味没有那么强烈.春季湖泛水体变黑后VOSCs降低较缓慢,且各个组份之间相对的浓度格局基本不变, 即DMTS＜ MTL ＜ DMS ＜ DMDS.夏季湖泛水体变黑后VOSCs迅速降低,但各个组份之间浓度格局变化较大.夏季臭味物质的暴发过程较春季整体提前 2～3d,且变化幅度超过春季,这可能是由于夏季湖泊内微生物活性较春季活跃导致的［14］.

图5　春季与夏季湖泛模拟实验中挥发性有机硫化（VOSCs）的变化过程Fig.5　Volatile organic sulfur compounds （VOSCs） change process of black bloom simulation in spring and summer

3　结论

3.1春季藻源性湖泛发生所需时间要比夏季长,大约多2～3d,且夏季发生的藻源性湖泛过程较春季明显,主要体现在水体视觉效果更黑,嗅觉效果更臭.

3.2春季的温度变化较夏季剧烈,春季藻源性湖泛发生时色度与悬浮固体含量均高于夏季,且波动较夏季强烈.

3.3嗅觉效果上夏季藻源性湖泛更快速、更持久,春季则较缓慢而且气味没有夏季强烈,但春季与夏季湖泛爆发后嗅味物质浓度均呈减小的趋势.

3.4实验结果显示春季与夏季藻源性湖泛过程均表现出黑与臭并不同步出现,嗅觉效果先于视觉效果显现,即先臭后黑的特点.

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Seasonal differences in the process of algae-induced black bloom.

SHAO Shi-guang1,2, XUE Lian-qing1, LIU Cheng2, SHEN Qiu-shi2, ZHOU Qi-lin2, YU Ju-hua2, FAN Cheng-xin2*（1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China；2.State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China）.

China Environmental Science, 2015,35（8）：2511～2516

Algae-induce black bloom has occurred in the spring and summer, but the whole process of black bloom occurring was difficult to tracked in the wild. The study used a patented device simulation that the occurred process of algae-induce black bloom in spring and summer, and studied the change process of characteristics indicators of visual and olfactory when the black bloom occurred. The results showed that： spring black bloom occurred takes longer than in summer, and the short duration. True chromaticity and suspended solids of the black water in spring higher than in summer, and more intense volatile. The change process of the odor substances in summer black bloom more obvious than in spring, at the same time, the black bloom of summer was more quickly, more obvious, and more durable than spring. The algae-induced black bloom processes of spring and summer have shown black and odor appear not synchronized, olfactory effect manifested earlier than visual effects, that is olfactory effect appeared earlier than the visual effect.

black bloom；seasonal differences；visual characteristics；olfactory characteristics；change process

X144

A

1000-6923（2015）08-2511-06

2015-01-12

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX 07101-010）；江苏省太湖水环境综合治理科研项目（TH2013214）

* 责任作者, 研究员, cxfan@niglas.ac.cn

邵世光（1984-）,男,吉林通榆人,博士,主要从事湖泊水环境污染与治理及沉积物污染与治理研究.