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蓝藻知识

文章来源:本站原创   发布时间:2017-08-08   浏览量:921

                                   ——江西调水人生态环境工程有限公司曾庆辉

  蓝藻是原核生物,又叫蓝绿藻 蓝细菌;大多数蓝藻的细胞壁外面有胶质衣,又叫粘藻。在藻类生物中,蓝藻是最简单、最原始的单细胞生物,所有的蓝藻都是单细胞生物,如念珠藻。它们没有细胞核,细胞中央有核物质,通常呈颗粒状或网状,色素均匀的分布在细胞质中。核物质没有核膜和核仁,具有核的功能,故称为原核(或拟核)。蓝藻中有环状DNA质粒,担当运载体的作用。

形态特征

蓝藻不具叶绿体线粒体高尔基体、中心体、内质网液泡细胞器,唯一的细胞器是核糖体。含叶绿素a,无叶绿素b,含数种叶黄素和胡萝卜素,还含有藻胆素(是藻红素藻蓝素别藻蓝素的总称)。一般说,凡含叶绿素a和藻蓝素量较大的,细胞大多呈蓝绿色。同样,也有少数种类含有较多

的藻红素,藻体多呈红色,如生于红海中的一种蓝藻,名叫红海束毛藻,由于它含的藻红素量多,藻体呈红色,而且繁殖的也快,故使海水也呈红色,红海便由此而得名。蓝藻虽无叶绿体,但在电镜下可见细胞质中有很多光合片层,叫类囊体,各种光合色素均附于其上,是含有色素的膜性结构,大大增加了细胞内的膜面积,该结构的主要功能是:进行光合作用。

蓝藻的细胞壁和细菌的细胞壁的化学组成类似,主要为聚糖(糖和多肽形成的一类化合物);贮藏的光合产物主要为蓝藻淀粉和蓝藻颗粒体等。细胞壁分内外两层,内层是纤维素的,少数人认为是果胶质和半纤维素的。外层是胶质衣鞘以果胶质为主,或有少量纤维素。内壁可继续向外分泌胶质增加到胶鞘中。有些种类的胶鞘很坚密拌可有层理,有些种类胶鞘很易水化,相邻细胞的胶鞘可互相溶和。胶鞘中可有棕、红、灰等非光合作用色素。蓝藻的藻体有单细胞体的、群体的和丝状体的。最简单的是单细胞体。有些单细胞体由于细胞分裂后子细胞包埋在胶化的母细胞壁内而成为群体,如若反复分裂,群体中的细胞可以很多,较大的群体可以破裂成数个较小的群体。有些单细胞体由于附着生活,有了基部和顶部的极性分化,丝状体是由于细胞分裂按同一个分裂面反复分裂、子细胞相接而形成的。有些丝状体上的细胞都一样,有些丝状体上有异形胞的分化;有的丝状体有伪枝或真分枝,有的丝状体的顶部细胞逐渐尖窄成为毛体,这也叫有极性的分化。丝状体也可以连成群体,包在公共的胶质衣鞘中,这是多细胞个体组成的群体。

分类

蓝藻(Cyanobacteria)包括蓝球藻Basketballalgae颤藻Oscillatoriasp念珠藻Nostoc发菜seaweed

蓝藻门分为两纲:色球藻纲和藻殖段纲。色球藻纲藻体为单细胞体或群体;藻殖段纲藻体为丝状体,有藻殖段。蓝藻在地球上大约出现在距今3533亿年前,已知蓝藻约2000种,中国已有记录的约900种。分布十分广泛,遍及世界各地,但大多数(约75%)淡水产,少数海产;有些蓝藻可生活在6085的温泉中;有些种类和菌、苔藓、蕨类和裸子植物共生;有些还可穿入钙质岩石或介壳中(如穿钙藻类)或土壤深层中(如土壤蓝藻)

繁殖

蓝藻的繁殖方式有两类,一为营养繁殖,包括细胞直接分裂(即裂殖)、群体破裂和丝状体产生藻殖段等几种方法,另一种为某些蓝藻可产生内生孢子或外生孢子等,以进行无性生殖。孢子无鞭毛。目前尚未发现蓝藻有真正的有性生殖

价值

蓝藻是最早的光合放氧生物,对地球表面从无氧的大气环境变为有氧环境起了巨大的作用。有不少蓝藻(如鱼腥藻)可以直接固定大气中的氮(原因:含有固氮酶,可直接进行生物固氮),以提高土壤肥力,使作物增产。还有的蓝藻为人们的食品,如著名的发菜和普通念珠藻(地木耳)、螺旋藻等。

据物理学家组织网报道,美国加州大学戴维斯分校的化学家通过基因工程对蓝藻进行了改造,使其能生产出丁二醇,这是一种用于制造燃料和塑料的前化学品,也是生产生物化工原料以替代化石燃料的第一步。相关论文发表在201317日的美国《国家科学院学报》上。论文领导作者、加州大学戴维斯分校化学副教授渥美翔太(音译)说:大部分化学原材料都是来自石油和天然气,我们需要其他资源。美国能源部已经定下目标,到2025年要有1/4的工业化学品由生物过程产生。

生物反应都会形成碳碳键,以二氧化碳为原料,利用阳光供给能量来反应,这就是光合作用。蓝藻以这种方式在地球上已经生存了30多亿年。用蓝藻来生产化学品有很多好处,比如不与人类争夺粮食,克服了用玉米生产乙醇的缺点。但要用蓝藻作为化学原料也面临一个难题,就是产量太低不易转化。

研究小组利用网上数据库发现了几种酶,恰好能执行他们正在寻找的化学反应。他们将能合成这些酶的DNA(脱氧核糖核酸)引入了蓝藻细胞,随后逐步地构建出了一条三步骤的反应路径,能使蓝藻将二氧化碳转化为2,3丁二醇,这是一种用于制造涂料、溶剂、塑料和燃料的化学品。

渥美翔太说,由于这些酶在不同生物体内可能有不同的工作方式。在实验测试之前,无法预测化学路径的运行情况。经过3个星期的生长后,每升这种蓝藻的培养介质能产出2.42,3丁二醇——这是迄今将蓝藻用于化学生产所达到的最高产量,对商业开发而言也很有潜力。

渥美翔太的实验室正在与日本化学制造商旭化成公司合作,希望能继续优化系统,进一步提高产量,并对其他产品进行实验,同时探索该技术的放大途径。

危害

绿潮

在一些营养丰富的水体中,有些蓝藻常于夏季大量繁殖,并在水面形成一层蓝绿色

而有腥臭味的浮沫,称为水华,大规模的蓝藻爆发,被称为绿潮(和海洋发生的赤潮对应 。绿潮引起水质恶化,严重时耗尽水中氧气而造成鱼类的死亡。更为严重的是,蓝藻中有些种类(如微囊藻)还会产生微囊藻毒素(microcystins,简称MCs),大约50%的绿潮中含有大量MCsMCs除了直接对鱼类、人畜产生毒害之外,也是肝癌的重要诱因 MCs耐热,不易被沸水分解,但可被活性碳吸收,所以可以用活性碳净水器对被污染水源进行净化。

蓝藻等藻类是的食物,可以通过投放它们来治理藻类,防止蓝藻爆发(非经典的生物操纵)

蓝藻大量出现时,附近水体一般呈蓝色或绿色,水面被厚厚的蓝绿色湖靛所覆盖,被风吹到岸边堆积,不但会发出恶臭味,且含毒素的蓝藻细胞在水体中漂游,当与某些悬浮物络合沉淀,或被养殖对象捕食后随其排泄物沉淀,在鱼池池底富集,对无公害水产品生产会带来巨大的负面影响。

蓝藻中的项圈藻可快速产生致死因子,破坏养殖对象的鳃组织,干扰其新陈代谢的正常进行,麻痹神经,使其死亡。蓝藻中个别种不但活体带毒,而且死亡个体分解会产生生物毒素——蓝藻毒素(如微囊藻毒素)。蓝藻毒素量多时可直接造成养殖对象中毒死亡;或者即使数量少,也可通过食物链积累效应危害养殖对象,直至危害人体。

处理

 

1.物理方法:

物理除藻方法大体可分为工程除藻和直接物理除藻。

⑴工程除藻

主要是采用引水换水、底泥疏浚、围隔拦截等工程。

①引水换水  用“以清释污”方法对污染水体进行稀释,可以使水体富营养化关键性水质指标总磷和有机物污染指标、高锰酸盐指数浓度等有所下降。但对于蓄水量较大的水域,补水量太小起不到净化效果,而提高补水量又造成水资源的大量浪费,费用高昂。所以“引水释污”只是起到一个“治标不治本”暂缓效果,对于富营养化严重的湖泊,采用“引水释污”不是一个长久之计。

②底泥疏浚  “清淤挖泥”可减少积存湖内的大量有机碳、氮、磷等营养物质,增大湖的蓄水量,是减少内源性污染的有效途径和措施。但是大规模清淤,可能会破坏湖泊原有的生物种群结构和生境,削弱其自净功能,对生态修复带来负面影响。

③围隔拦截  只能限制蓝藻繁殖面积扩大,达不到治理蓝藻的效果。

⑵直接物理除藻

直接物理法除藻主要指机械清除、吸附、曝气和气浮、磁聚除藻、超声波和电磁波除藻、遮光、过滤、人工打捞等多种方法。

①人工打捞  人工打捞收获藻类是控制蓝藻总量最直接的方式,能有效减轻局部水华灾害,在收获藻类的同时起到输出营养物的作用,减轻藻体死亡分解引起的藻毒素污染。由于人工打捞收集手段落后,时间有限,导致效率低、费用高。

②机械除藻  机械除藻是将藻类从湖泊中移出的一种机械方式,一般应用在蓝藻富集区(借助风向、风力等将蓝藻围栏集中在某一区域),采用固定式除藻设施和除藻船对区域内湖水进行循环处理,有效清除浮藻层,为化学或生物除藻等措施的实施创造条件,可以作为辅助措施,可操用性较低,费用较高而不易实行。

③其他方法  目前的其他物理除藻方法也都存在效率低、成本高、不能大规模除藻等弊端,离实际应用还存在差距。例如用活性炭吸附,对藻类、藻毒素的去除效果很好,但水中的有机物会影响活性炭的吸附活性,在大面积范围内使用很难回收再生,处理成本就很高。深水曝气虽然能使湖底层水体中NH3TP 浓度下降, 溶解氧(DO)浓度上升, 但叶绿素a含量却没有明显变化。磁聚除藻、超声波和电磁波除藻只适合水厂中小规模除藻,推广困难,不能解决湖泊的富营养和藻类污染问题。

2.化学方法:

目前,常用的杀藻剂主要有硫酸铜、高锰酸盐、硫酸铝、高铁酸盐复合药剂、液氯、ClO2O3 H2O2 等。利用化学杀藻剂除藻无疑是一种见效快的有效途径,但这仅仅也是一种治标方法,而且反弹快,必须慎重使用。一是用化学杀藻剂除藻后的蓝藻尸体仍留在水体中,并不断释放藻毒素;二是化学杀藻剂本身往往都存在毒副作用,造成二次污染,对水体生物影响很大,使用化学药剂后的河道不利于生物恢复;三是使用化学杀藻剂仅能在短时间内对水体中藻类有控制作用,由于不能彻底杀灭,时隔不久又死灰复燃,有时甚至变本加厉,对水体将是一种恶性循环。可以说,运用化学方法治理河道是“饮鸩止渴”。国家已经限制化学方法在河道治理中的使用。

3.生物方法:

生物方法治理蓝藻原理:

利用酶制剂来快速抑制蓝藻的生长繁殖。它是从自然环境里筛选出来的对蓝藻生长有抑制效果的微生物经过驯化培养而成。极易溶解在水中,能快速扩散到蓝藻细胞表面,并渗透到细胞内部破坏细胞功能性蛋白基团,使细胞蛋白质合成受到抑制,细胞正常代谢终止,最终控制蓝藻生长。

特点1——高效抑制

抑制蓝藻生长能力很强,针对已经暴发蓝藻水华的水体,该生物制剂对蓝藻具有90%以上的抑制效果。

特点2——施工简便,原位治理

调水人生态环境采用生物法治理河道过程中使用的设备简单,不需要大量人力进行打捞蓝藻,即无需将蓝藻转移出水体,即可在水体内通过生化反应消解蓝藻及藻毒素。所以施工方便,操作简单,并且不会产生噪音,不影响周围居民的正常生活。

特点3——产品绿色、环保、无公害

①生物产品不燃、不挥发、绿色、安全、无毒,无二次污染。

②配伍性好,该抑制剂由于无毒副作用,因此,可与其它生物制剂配合使用,具有协同增效作用。

③生物降解性极佳,该抑制剂在水体中抑制蓝藻生长以后,不会有残留。

4.生物-生态修复技术

生态—生物方法是近年来发展起来的一种新型环境生物技术。这类技术主要是利用微生物、植物等生物的生命活动,对水中污染物进行转移、转化及降解作用,从而使水体得到净化,创造适宜多种生物生息繁衍的环境,重建并恢复水生生态系统。由于这类技术具有处理效果好、工程造价相对较低、不需耗能或低耗能、运行成本低廉等优点。同时不向水体投放药剂,不会形成二次污染,还可以与绿化环境及景观改善相结合,创造人与自然相融合的优美环境,因此已成为水体污染及富营养化治理的主要发展方向。

生态—生物修复技术包括:微生态系统修复技术、人工湿地技术、浮岛技术、植物操控技术,生态护堤技术,生态复氧技术、生态清淤技术、水生动物恢复和重建技术等。在实际工程应用中,可按照水体污染程度,水环境现状及水体功能等考虑选用不同的技术组合,以呈现生态效益和经济效益双赢。

 

 

原因

受其它藻种的生长制约,蓝藻并不可能在常温条件下大规模暴发,水温25—35时,蓝藻的生长速度才会比其他藻类快,故温度是蓝藻暴发的主要因素之一。养殖水体中富营养化,蓝藻比较容易生长,所以不经常换水的池塘往往更容易暴发蓝藻。有机磷是蓝藻生长的必须因素,治理蓝藻最直接最根本的办法就是除去有机磷。蓝藻暴发的成因为富营养化。过量的养分主要来自于以下这些源头:

1. 化肥流失,化肥是很多富营养化区域的主要养分来源,例如在密西西比河流域,67%的氮流入水体,随之流入墨西哥湾,波罗的海和太湖中超过50%的氮也来自化肥的流失。

2. 生活污水,包括人类的生活废水和含磷清洁剂

3. 畜禽养殖,畜禽的粪便含有大量营养废物如氮和磷,这些元素都能导致富营养化。

4工业污染,包括化肥厂和废水排放

5. 燃烧矿物燃料,在波罗的海中约30%的氮,在密西西比河中约13%的氮来源于此。

6.蓝藻使水体缺氧,使动物死亡,分解者分解是又消耗氧气,造成恶性循环

 

 

 

毒素

蓝藻爆发


蓝细菌是蓝藻的学名,在部分蓝藻内部的特定区域存有藻毒素,蓝藻毒素内分为很多种,通过其危害方式可分为肝毒素和神经毒素,它们是已知的会侵袭肝脏和神经的毒素,另一类毒素对皮肤有刺激作用,当蓝藻细胞破裂或死亡时,毒素就会被释放到水中,当暴露在含有蓝藻毒素的湖水中,虽然一部分人会生病,但是饮用含有受污染藻类的水却未必会导致死亡。长期地暴露在含有蓝藻肝毒素的水中,即使含量较低,也有可能对人体产生长期的或慢性的不利影响,如果你不断的摄入含有蓝藻的水,鱼或者其他水产品,就可能会产生头痛,发烧,腹泻,腹痛,反胃或者呕吐。如果你在受污染的水中游泳,也有可能会产生皮肤发痒或者眼睛、皮肤受到刺激,如果你怀疑直接接触到了污染水源并且身体发生了不良反应,用干净水冲洗身体并立即联系医生,煮沸的水不会去除蓝藻中的毒素,因为你不可能凭借水的外表,气味或者味道去检测毒素的存在,只有化学测试才可以,如果条件允许,不要使用受污染水洗衣服和餐具,如果实在没有其他水源,做家务要用水时必须戴上橡胶手套,使用受污染水洗澡应该避免,因为皮肤直接接触水会造成皮肤刺激和皮疹)

藻毒素具有水溶性和耐热性。易溶于水,甲醇或丙酮,不挥发,抗PH变化。MC-LR的分子式为C49H74N10O12分子量995.2(计算时往往按1000)

其在水中的溶解性大于1g/L化学性质相当稳定。在水中藻毒素自然降解过程是十分缓慢的,当水中的含量为5ug/L时,三天后,仅10%被水体中微粒吸收,7%随沙沉淀。藻毒素有很高的耐热性,加热煮沸都不能将毒素破坏,也不能将其去除;自来水处理工艺的混凝沉淀、过滤、加氯也不能将其去除。有调查试验研究表明在某湖周围3个自来水厂的出厂水中检出低浓度的藻毒素(1281400ng/L),结果提示采用常规的饮水消毒处理不能完全消除水体中的藻毒素。

它是一种肝毒素,这种毒素是肝癌的强烈促癌剂。

家畜及野生动物饮用了含藻毒素的水后,会出现腹泻、乏力、厌食、呕吐、嗜睡、口眼分泌物增多等症状,甚至死亡。病理病变有肝脏肿大、充血或坏死,肠炎出血、肺水肿等。

对于人类健康,微囊藻毒素也具有很大危害性。其中MC-LR的半致死剂量(LD50)约为50~100 ug/kg。人们在洗澡、游泳及其他水上休闲和运动时,皮肤接触含藻毒素水体可引起敏感部位(如眼睛)和皮肤过敏;少量喝入可引起急性肠胃炎;长期饮用则可能引发肝癌。流行病学研究显示,慢性MC染毒引起了巢湖渔民实质性的肝损伤[5]  。医学部门已发现饮水中微量微囊藻毒素与人群中原发性肝癌的发病率有很大相关性。1996年在巴西造成100多名急性肝功能故障,7个月内至少50人死于藻毒素产生的急性效应,引起举世瞩目的关注。淡水水体中的蓝藻毒素已成为全球性的环境问题,世界各地经常发生蓝藻毒素中毒事件。

UVB(紫外线B波段,波长275320nm,又称为中波红斑效应紫外线 。中等穿透力,日光中含有的中波紫外线大部分被臭氧层所吸收,只有不足2%能到达地球表面,在夏天和午后会特别强烈。)可以破坏蓝细菌的运动性趋光性,可以影响许多其他的生理和生化过程,这将导致生产力的降低,发芽和分化的破坏。光合色素会被UVB漂白,光捕获复合体的结构受到影响,这些都会损坏光合作用。

DNA和蛋白质的主要作用位点、氮代谢中


酶对于UVB表现出不同的敏感性。UV对固氮酶和谷氨酰氨合成酶的活性产生抑制,但会提高硝酸还原酶的活性(当暴露在认为的UVB下)。UVB也会影响基本的光合作用的反应和二氧化碳的吸收。Synechococlus通过快速改变光合系统中酶的形式来抵抗UV。这种分子的可塑性在种群水平上来的抵抗UVB是非常重要的,这使得光合系统对UVB的敏感性每天都在改变。然而,光合作用可以被UVA合蓝光所激活。

蓝细菌已经发展了对于UVB的影响的对策。这包括:a、产生象MAAs类的光保护物质 b、通过迁移到避光的地带来逃避UV c、产生猝灭物质如类胡萝卜素和超氧化物 d、修复机制象光活化和光独立的DNA修复e、激活抗氧化酶。UVB在许多蓝细菌中诱导了MAAs的产生。在Anabaenasp中显示只有在290nm的光可以诱导MAAs。除了光保护作用外,MAAs还具有调节渗透压和抗冻作用。其他的UVA激活物质也被发现。在蓝细菌和藻类中的光保护物质已经建立了数据库。

南极的蓝细菌形成大的蒲状菌落UVB对于Leptolyngbya的菌落具有很强的光化学抑制作用,但是不如对Phormidium的抑制作用大。后者包括了比前者多25倍的MAAs2倍的类胡萝卜素。Rai 和同事研究了UVB重金属污染之间的关系对于氮固定的作用,并发现二者具有协同性

 

大事件

2007528日起,无锡太湖区域蓝藻大面积爆发,引发无锡市自来水严重污染,市区纯净水被哄抢,政府虽及时采取措施,但已经对人民的生活产生很大的影响。

20101129日,云南昆明滇池蓝藻大量繁殖,在昆明滇池海埂一线的岸边,湖水如绿油漆一般。 绿浪翻滚的湖水涌向岸边,带来一阵阵腥臭气味。滇池是云南九大高原湖泊中污染最严重的一个,每当气温上升,加之富营养化严重,均要引起蓝藻爆发,造成严重污染。

2011821日,受持续高温影响,安徽巢湖局部湖面蓝藻又开始抬头,出现较大面积蓝藻集聚。巢湖市高度关注城市集中式饮用水水源地水质状况,开展蓝藻拦截、打捞和自来水深度处理措施。

2008年开始,南昌市城区范围内水域面积较大的景观湖泊青山湖连续6年遭遇蓝藻侵袭,尤其是2014年,蓝藻已经爆发数十次。20141027日,尽管已经进入深秋,气温较低,但青山湖湖面依旧爆发蓝藻,数百亩湖面如同被泼洒绿漆,腥臭味随风袭来,不少人掩鼻而过。据悉,这6年来,南昌市都会投放生石灰、生物再生杀菌剂等以净化湖水、消杀蓝藻,但收效甚微。

2016717日,美国犹他州中毒控制中心接收了100多名中毒者,他们伴有呕吐、腹泻、高烧以及皮肤或眼部刺激、过敏等症状。经研究发现,该现象或与犹他湖中蓝藻细胞的爆发式增长有关。

犹他湖中蓝藻面积达湖面总面积的90%,尽管面积正在缩小,事实上却更危险。各级政府对此采取了相应措施。政府人员称,现在还无法证实蓝藻爆发与这些症状之间的直接关系,但该症状与蓝藻细胞中毒的症状相符。

世界卫生组织和犹他州卫生署条例规定,蓝藻细胞数量的中度危险标准为10万。而714日湖水抽样发现,大部分样本都超出了这一标准的3倍,其中一份样本甚至包含了超过70万的蓝藻细胞。蓝藻细胞在死亡时会向水中释放更多的有毒物质,使得水中的毒细胞尽管数量减少,但却更为致命。

 

江西调水人生态环境工程有限公司曾庆辉

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