有害藻華

藻華暴發是局部的藻類擴散，發生於藻類最佳的生長條件及來自捕食的壓力減輕的情況下。當特定的微藻類(特別是藍藻細菌)在暴發中達到很高的富集量時，這種暴發就會呈現出有害特徵。這些微藻類物種只占自然界很小的一部分．但是它們能夠產生造成各種不利影響的有害或有毒物質．包括食物鏈的破壞、動物死亡以及嚴重的人類健康危害．後者因食用受污染食物或者至少某種情況下與含有污染物的水或者氣溶膠直接接觸而產生(Caron等．2010)。此外．在海洋中．藻類生物質自身能夠產生嚴重的脫鹽問題，影響預處理系統並且迫使水處理廠停產。這種類型的藻類暴發被稱作有害藻華暴發(HABs)。

基本介紹

• 中文名：有害藻華
• 外文名：Harmful Algal Blooms
• 危害：危害海洋生態環境和人類健康
• 類型：一種海洋災害

簡介

有害藻華（Harmful Algal Blooms，HABs）（包括海洋赤潮和淡水水華）是威脅、危害海洋生態環境和人類健康的一種海洋災害。

“有害藻華”是由海藻家族中的赤潮藻在特定環境條件下爆發性地增殖造成的。 藻是一個龐大的家族，除了一些大型海藻外，很多都是非常微小的植物，有的是單細胞植物。根據引發赤潮的生物種類和數量的不同，海水可呈現紅、黃、綠等不同顏色。水面發生變色的情況甚多，厄水（海水變綠褐色）、苦潮（按即赤潮，海水變赤色）、青潮（海水變藍色）及淡水中的水華，都是同樣性質的現象。

有害藻華

構成有害藻華的浮游生物種類很多，但鞭毛蟲類、硅藻類大多是優勢種。當發生有害藻華時的浮游生物的密度一般是102—106細胞/毫升。在日本近海淡水流入的內灣，自春至秋均有發生。近年，隨著城市和工業廢水的增加而出現了富營養化，在東京灣、瀨戶內海、有明海等赤潮頻繁發生。赤潮有時可使魚類等水生動物遭受很大危害，這是由於赤潮浮游生物堵塞魚鰓，引起機械障礙，和它們死後分解，迅速消耗氧氣，水中氧氣不足，以及分泌有害物質等造成的，〔尤其是裸甲藻屬（Gymnodinium）和Olisthodiscus等為害甚大〕。一般以為是由於水不流動、富營養化、日照量增大和水溫上升等因素綜合作用的結果。

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背景

伴隨著我國經濟快速發展的同時，生態環境持續惡化。近年來我國水體中有害藻華（Harmful Algal Blooms，HABs）（包括海洋赤潮和淡水水華）持續高頻次發生，已嚴重影響到居民的飲水安全、水產養殖、水體景觀價值等方面，造成了巨大的經濟損失。我國各級政府部門和科研機構對水體中浮游植物群落的動態變化進行快速監測、對淡水藍藻水華和海洋硅藻/甲藻赤潮進行早期預警的需求越來越強烈。

目前我國浮游植物和有害藻華的監測主要採用顯微計數、葉綠素含量測定、衛星遙感等技術。顯微計數採集的樣品需要經過魯格氏液、甲醛等固定液固定，帶回實驗室沉澱濃縮後進行定性定量分析，需要花費的時間較長。此外，顯微鏡下藻類分類和計數需要非常專業的人員，且分析樣品的效率較低（一般而言，對一個樣品同時進行定性定量分析約需2 h）。葉綠素含量測定是一種相對較快速簡單的測量技術，但傳統的測量方法多為現場抽濾後帶回實驗室抽提，然後進行分光光度計分析、螢光分光光度計分析或高效液相色普（HPLC）分析，但這種技術最快也需要1－2天才能獲得結果。這兩種方法均不能立即反映出水體中的藻類信息，而是要經過一段分析時間，從而降低了生物監測的時效性，大大影響有害藻華的監測/預警。此外，葉綠素含量測定也可用原位感測器進行連續監測，但這種方法多採用若丹明法（化學法）校正數據，誤差大，且感測器需要經常維護。衛星遙感具備監測範圍廣、數據多、不受地理位置和人為條件限制等優點，但其容易受天氣條件影響，且往往需要藻類細胞累積到一定程度（可能已經發生藻華）才能監測到，往往達不到預警的效果，而且購買衛星遙感數據費用高，分析複雜，因此衛星遙感多在專業機構進行。

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形成原因

有害藻華是一種複雜的生態異常現象，發生的原因也比較複雜。關於赤潮發生的機理雖然至今尚無定論，但是發生的首要條件是生物增殖要達到一定的密度，否則，儘管其他因子都適宜，也不會發生有害藻華，在正常的理化環境條件下，赤潮生物在浮游生物中所占的比重並不大，有些鞭毛蟲類（或者假藻類）還是一些魚蝦的食物。但是由於特殊的環境條件，使某些赤潮生物過量繁殖，便形成有害藻華。大多數學者認為，有害藻華發生與下列環境因素密切相關。

海水富營養化是發生的物質基礎和首要條件

由於城市工業廢水和生活污水大量排入海中，使營養物質在水體中副集，造成海域富營養化。此時，水域中氮、磷等營養鹽類；鐵、錳等微量元素以及有機化合物的含量大大增加，促進赤潮生物的大量繁殖。赤潮檢測的結果表明，赤潮發生海域的水體均已遭到嚴重污染，富營養化。氮磷等營養鹽物質大大超標。據研究表明，工業廢水中含有某些金屬可以刺激赤潮生物的增殖。在海水中加入小於3mg/dm3的鐵螯合劑和小於2mg/dm3 的錳螯合劑，可使赤潮生物卵甲藻和真甲藻達到最高增殖率，相反，在沒有鐵、錳元素的海水中，即使在最適合的溫度、鹽度、PH和基本的營養條件下也不會增加種群的密度。 其次一些有機物質也會促使赤潮生物急劇增殖。如用無機營養鹽培養簡裸甲藻，生長不明顯，但加入酵母提取液時，則生長顯著，加入土壤浸出液和維生素B12時，光亮裸甲藻生長特別好。

水文氣象和海水理化因子的變化是有害的原因

海水的溫度是有害藻華發生的重要環境因子，20—30℃ 是有害藻華發生的 適宜溫度範圍。科學家發現一周內水溫突然升高大於2℃ 是赤潮發生的先兆。海水的化學因子如鹽度變化也是促使生物因子—赤潮生物大量繁殖的原因之一。鹽度在26—37的範圍內均有發生赤潮的可能，但是海水鹽度在15—21.6時，容易形成溫躍層和鹽躍層。溫、鹽躍層的存在為赤潮生物的聚集提供了條件，易誘發赤潮。由於徑流、涌升流、水團或海流的交匯作用，使海底層營養鹽上升到水上層，造成沿海水域高度富營養化。營養鹽類含量急劇上升，引起硅藻的大量繁殖。這些硅藻過盛，特別是骨條硅藻的密集常常引起赤潮。這些硅藻類又為夜光藻提供了豐富的餌料，促使夜光藻急劇增殖，從而又形成粉紅色的夜光藻赤潮。據監測資料表明，在赤潮發生時，水域多為乾旱少雨，天氣悶熱，水溫偏高，風力較弱，或者潮流緩慢等水域環境。 .

有害藻華

海水養殖的污染亦是誘發有害藻華的因素之一

隨著全國沿海養殖業的大發展，尤其是對蝦養殖業的蓬勃發展。也產生了嚴重的自身污染問題。在對蝦養殖中，人工投餵大量配合飼料和鮮活餌料。由於養殖技術陳舊和不完善，往往造成投餌量偏大，池內殘存餌料增多，嚴重污染了養殖水質。另一方面，由於蝦池每天需要排換水，所以每天都有大量污水排入海中，這些帶有大量殘餌、糞便的水中含有氨氮、尿素、尿酸及其它形式的含氮化合物物，加快了海水的富營養化，這樣為赤潮生物提供了適宜的生物環境，使其增殖加快，特別是在高溫、悶熱、無風的條件下最易發生有害藻華。由此可見，海水養殖業的自身污染也使有害藻華發生的頻率增加。

監測預警

目前

我國浮游生物和有害藻華的測定主要採取顯微計數，葉綠素含量測定和衛星遙感技術等。但是它們都有其弊端。

顯微計數

採集的方案需要經過魯格式液，甲醛等固定液固定，帶回實驗室後進行定性定量分析，需要花費的時間較長。且顯微鏡下藻類的分類和計數需要很專業的人才，分析樣本的效率也較低。葉綠素含量測定：是一種相對較快速的方法，但是傳統的測定方式多為現場抽濾後帶回實驗室抽提，然後進行分光光度計分析，螢光分光光度計分析或高效液相色譜分析。但是這種技術最快也要一兩天才能得到結果。

衛星遙感

具備監測範圍廣，不受地理條件和人為因素等影響，但是其容易受天氣影響，且需要藻類細胞到達一定程度後才可監測到。此外，購買衛星遙感數據費用較高，分析複雜，故多用於專業機構。

新方案

監測功能

1） 利用浮游植物螢光儀PHYTO-PAM現場測量藍藻、綠藻、矽/甲藻的葉綠素a含量和總葉綠素a含量，以及它們的光合活性（“生長潛能”）

2） 利用攜帶型浮游植物流式細胞儀CytoSense或水下浮游植物流式細胞儀CytoSub對浮游植物細胞數進行快速計數，並獲知主要類群的細胞濃度、細胞大小、細胞形態學信息；獲知微囊藻、棕囊藻等的群體（囊）動力學變化情況；對於鏈狀藻類，可以測量每條鏈的細胞數；對於硅藻、甲藻等形狀特殊的藻類，可根據浮游植物專家庫鑑定到種

3） 利用線上監測型浮游植物流式細胞儀CytoBuoy對水體中的浮游植物進行長期連續監測

預警功能

1） 根據葉綠素a含量和細胞數變化趨勢進行預警

2） 浮游植物的光合活性（“生長潛能”）預示著未來的生長潛力，光合活性高、耐強光的浮游植物在環境條件（營養鹽、光照、溫度）適合時更容易發生藻華，

3） 微囊藻、棕囊藻等帶囊的藻類，不形成囊不發生藻華，而利用CytoSense等可長期監測水體中微囊藻、棕囊藻等“囊”的變化，進行早期預警

所需設備及用途

1） 浮游植物螢光儀PHYTO-PAM

現場快速對水樣中的藍藻、綠藻、矽/甲藻自動定性（分類）定量（測葉綠素a）

現場快速測量藍藻、綠藻、矽/甲藻的光合活性（“生長潛能”）

2） CytoBuoy系列浮游植物流式細胞儀（CytoSense、CytoBuoy、CytoSub） 　現場快速計數水體中浮游植物細胞總數

現場快速獲取浮游植物細胞類群信息（濃度、大小、類群、定種）

現場快速測量微囊藻、棕囊藻等細胞數以及“囊”的比例

預警展望

浮游植物螢光儀PHYTO-PAM和CytoBuoy系列浮游植物流式細胞儀在有害藻華的監測/預警方面具有非常大的套用潛力，前者重在自動分類的基礎上同時了解生物量和光合活性（“生長潛能”），後者重在專門針對浮游植物的細胞計數，且可直接測量微囊藻，對形狀特殊的藻可鑑定到種。兩種技術都是目前國際上最前沿的技術，且儀器都是為野外套用而設計，充分考慮到了現場監測的困難。兩種技術可分別用於有害藻華的監測/預警，如果結合使用，對於監測/預警的效果會更好。相信兩種技術對於我們淡水與海洋環境的有害藻華監測/預警都會發揮極大的助力作用。

方法

目前我國沿海、內陸湖泊的富營養化現象非常嚴重。沿海地區有害藻華頻發，已經嚴重威脅當地經濟的發展，以及人類的健康和生存環境；而內陸湖泊更為嚴重，90%以上都存在不同程度的藻華現象。儘管從理論上講能夠治理藻華的方法很多，但是符合無二次污染、成本低、有套用推廣價值的很少，所以至今有害藻華治理是目前國際上的難題。

實踐表明，該成果具有無二次污染、成本低、使用方便等優點，既可套用于海水赤潮的治理，又可套用於淡水藻華的消除，同時又可改善水質、對生態環境不產生負面影響。所以，具有很大的推廣套用範圍。如：養殖水域有害藻華的治理，保護養殖生物的安全；重要水域的有害藻華治理，確保一些重大活動的進行；敏感性水域的藻華治理，改善水域的生態環境以及周邊居民環境，等等。除此之外，該方法還能夠改善水質、降低藻毒素、對藻華的產生有預防作用，可套用的範圍非常廣泛。

套用

為使該方法更快和更廣泛地套用起來，應對該方法進行更為廣泛的宣傳，建立一些示範區，通過一系列現場實踐，使該方法能夠得到更廣泛的推廣。

我國改性黏土治理有害藻華的重大突破

中國科學院海洋研究所俞志明課題組，在國家傑出青年基金和赤潮973等項目的支持下，針對黏土絮凝方法治理有害藻華所存在的問題，從理論研究入手，開展了利用改性黏土技術治理有害藻華的研究，提出了旨在提高粘土絮凝效率的粘土表面改性理論，解決了有害藻華治理技術上的重大難題，研究成果得到國內外同行的一致認可。利用該研究成果製備的改性黏土對赤潮生物的去除效率提高几十至幾百倍，獲國家發明專利授權，被美國、韓國、香港等國家和地區所採用，先後獲得國家海洋局創新成果獎、青島市自然科學獎等。2005年成功套用於第十屆全國運動會水上項目比賽場地南京玄武湖藻華治理，充分表明了改性黏土技術對淡水藻華控制的可行性和有效性，被譽為我國淡水藻華治理技術的重大突破，為國內外有害藻華治理提供了一個行之有效的途徑。

有害藻華亦稱水華，是一種由於水體中微型藻類急劇增殖而導致水生態系統破壞、

水質惡化的異常生態現象，可發生在淡水和海水中（在海水中又稱之為赤潮）。有害藻華發生時可導致大量水生生物死亡，破壞正常的水生態系統結構，產生有毒物質危及人類健康，嚴重影響周邊景觀、生活環境和經濟發展。近年來，隨著人類活動的增加、水環境富營養化現象加重，有害藻華幾乎遍及世界所有國家沿海和內陸湖泊，是一種全球性的生態環境問題，在我國尤為嚴重。

有害藻華

藻華治理是一個國際性的難題。早在二十世紀五十年代日本、美國等國家就曾探索過藻華的治理方法，但是由於藻華治理要求對生態環境友好、成本低和現場可操作性，很多方法只能局限於實驗室研究，難以大規模推廣套用。上世紀七十年代，日本開展了黏土法治理海水赤潮的現場研究，該方法成本低、無污染，引起了國際上的重視。但去除效率低、用土量大是該方法的重要缺陷。針對該缺陷，上世紀九十年代中國科學院海洋研究所俞志明研究員提出了利用黏土表面改性提高去除效率的粘土表面改性理論。在此理論指導下，製備出了改性黏土，大大提高了去除藻華生物的效率。

提高絮凝效率理論填補國內研究空白

黏土去除藻華技術，源於絮凝原理。傳統的黏土除藻技術則以吸附作用為主要學術觀點，認為三層結構的粘土¾¾蒙脫土應有較好的絮凝作用，因此許多黏土改性技術也是根據此觀點發展的。採用黏土治理方法，國際上最好的結果也需投幾克/升的黏土才能取得一定的實效。面對大面積藻華，要向天然水體系投放數百至數千噸的“外來”黏土，無論從生態安全或是操作成本上都存在一定的難度。

俞志明課題組面向國家需求，從理論研究入手，經過長期的探索和實踐，提出了利用黏土表面改性提高去除效率的表面改性理論，形成了一套系統的治理有害藻華的理論體系和技術方法，解決了黏土治理理論與技術上的重大難題。他們首次發現多水高嶺土絮凝有害藻華生物效率高於蒙脫土這一新的實驗現象，糾正了國際上有關蒙脫土絮凝有害藻華生物效率最高的觀點；並運用絮凝作用理論，從機制上解釋了該實驗結果，建立了黏土顆粒與典型藻華生物細胞相互作用模型，闡明了黏土顆粒絮凝有害藻華生物效率的關鍵控制因子，為解決如何提高黏土絮凝效率這一難題奠定了理論基礎。

在理論研究的基礎上，課題組提出了旨在提高黏土絮凝有害藻華生物效率的黏土表面改性理論；通過吸附和插入技術製備出高效改性黏土，該改性黏土絮凝有害藻華生物的效率較改性前提高几十到幾百倍，是目前國內外文獻報導絮凝效率最高的黏土體系，成為當今國際上有害藻華治理的主要推薦方法之一，具有自主智慧財產權，填補了國內該研究領域的空白，在國際上產生了廣泛的影響。

圍繞改性黏土治理有害藻華的技術與方法，俞志明研究員帶領科技人員分別研究了其絮凝動力學特徵和改性黏土對藻毒素（DA）、生態環境、養殖生物等方面的影響，建立了絮凝動力學模型，證明了表面改性對黏土提高絮凝有害藻華生物的效率和速率的雙重作用；綜合評價了改性黏土對水質、主要養殖生物的影響，證明了該方法對環境的友好性，為該方法的推廣與套用提供了科學保障。

由我國該領域著名專家蘇紀蘭、雷霽霖院士，齊雨藻、劉志禮、於志剛教授，劉永定、朱明遠研究員等組成的鑑定委員會對該成果進行了鑑定，一致認為該研究面向國家需求，從理論入手，解決了黏土治理技術上的重大難題，具有重要的理論意義和套用價值，是目前該研究領域最為系統和深入、理論與套用融為一體的科研成果，居國際領先水平。

突破藻華治理關鍵技術的瓶頸

由於自然和人為因素的影響，排入海洋和湖庫的氮、磷等營養物質不斷增加，致使水體富營養化狀況加劇，進而導致各地水體藻華的頻繁暴發。嚴重的藻華會覆蓋水面，阻止水體中的光合作用及其與大氣的交換，使水中的溶解氧濃度迅速降低，不僅造成水生動植物的死亡以及生態和周邊環境的破壞，而且對周邊城市的經濟發展(如投資業、水產業、旅遊業)造成嚴重破壞。同時，藻華常使水體中的藻毒素含量嚴重超標，這些藻毒素也是肝臟腫瘤的強誘發劑，嚴重威脅著飲用水安全和人體健康。

如何有效地治理藻華，國內外相關專家進行了大量的探索，研究了多種方法，如化學法、機械法、生物法、生態法和絮凝法等等，黏土除藻技術是其中的主要方法之一。如前所述，由於傳統的粘土方法去除效率低、用土量大等缺陷，使之難以廣泛推廣和套用於藻華的治理。

在國家傑出青年基金、國家基金重大項目以及赤潮973等項目的支持下，

俞志明課題組針對黏土治理藻華存在的嚴重缺陷，歷時十多年，潛心致力於改性黏土治理技術的研究，提出並形成了系統的改性黏土治理有害藻華的理論體系和技術方法，突破了長期以來黏土技術方法制約藻華治理的瓶頸，製備出了高效改性黏土，將絮凝有害藻華生物的效率提高了幾十到幾百倍。黏土表面改性是在充分利用黏土的高比表面、表面電負性和離子可交換性等性質的基礎上，採用物理、化學甚至生物的方法對黏土顆粒進行表面處理，有目的地改變其表面物理化學性質的過程。所謂改性黏土是對黏土進行改性處理，使黏土的各種理化性質會得到不同程度的改良，從而使它具有更高的套用價值。改性黏土治理有害藻華的理論體系和技術方法的系統性、理論性和創新性解決了黏土治理技術上的重大難題，不僅可以廣泛套用於赤潮的治理，而且可以廣泛套用於淡水藻華的治理，在國內外產生了很大的影響，得到了國內外同行的一致認可。最近，該方法被指定為2008年奧運會青島帆船比賽水域赤潮應急處置方法，成功完成了2008年“好運北京—2008青島國際帆船賽”的赤潮防治任務。

有害藻華

1997年“自然”雜誌介紹和引用該技術，2002年聯合國教科文組織和APEC聯合出版的“Monitoring and Management Strategies for Harmful Algal Blooms in Coastal Waters”一書收錄該技術，並作為國際上海水赤潮治理的主要方法之一予以推薦，使黏土除藻技術一舉成為當今國際上有害藻華治理的主要推薦方法之一，被美國、韓國、香港等多個國家和地區所採用。

淡水藻華治理的成功範例

我國是淡水資源短缺的國家，富營養化狀況加劇，導致湖泊水體藻華的頻繁暴發，在我國對淡水藻華的應急治理沒有成功經驗借鑑的前提下，如何將治理赤潮的有效方法套用於淡水藻華的治理，俞志明課題組進行了大膽嘗試和探索，並成功運用於南京玄武湖藻華治理，取得了顯著成效。

2005年9－10月間，“全國第十屆運動會”和“中國首屆綠色博覽會”在玄武湖舉行，但入夏以來爆發的大量藍藻猶如厚厚的綠油漆覆蓋在水面上，散發著惡臭的氣味，不僅對玄武湖水質、景觀和周圍居民的生活造成嚴重影響，而且對即將舉行的全國“綠博會”和“十運會”水上項目的順利舉行構成了嚴重威脅。

玄武湖藻華治理，引起了江蘇省領導及社會各界的廣泛關注和高度重視。俞志明課題組和上海一家專門公司在激烈的競爭中脫穎而出。俞志明課題組負責玄武湖北湖的治理，上海某公司負責西南湖的治理。“十運會”水上項目比賽場地東南湖，則根據兩家單位治理效果確定。藻華治理擂台在玄武湖擺開。

淡水藻華治理對於俞志明課題組來說還是首次。面對嚴峻的挑戰，俞志明課題組9月20日開始根據淡水藻華特點、前期工作和調研，將改性黏土技術套用於玄武湖北湖藻華治理，並不斷調整治理方案。不到10天，即消除了北湖藻華，改性黏土技術治理藻華初獲成功。而上海某公司則由於治理效果不明顯，主動退出了競爭。

改性黏土治理藻華技術取得的成功贏得了南京市政府和社會各界的認可。西南湖和東南湖治理的任務也全部落到了俞志明課題組肩上。在時間緊、任務重、環境壓力大的情況下，課題組調整治理頻次和密度，採用岸邊與湖面相結合的治理方法，僅用1周左右的時間，就完全控制了西南湖藻華全湖性蔓延和泛濫的趨勢，綠色藻華逐漸消亡、生物量大幅度下降。並在“十運會”開幕前，全面消除了東南湖上的藻華，湖水恢復了原有的清澈，為“十運會”水上項目提供一個水質優良的比賽環境。

2005年11月24日，南京市政府對利用改性黏土技術治理藻華項目進行了驗收。驗收專家組對玄武湖藻華治理工程給予了高度評價，一致認為，內陸湖泊淡水藻華治理是一個國際性的難題，在國內沒有成功經驗借鑑的情況下，中國科學院海洋研究所成功地運用改性黏土技術在玄武湖藻華治理中取得了顯著成效。成功地消除了玄武湖水面大規模藻華，有效改善了湖水水質，綜合污染指數、富營養化程度均有不同程度的降低，水體透明度升高，保障了“中國首屆綠化博覽會”和“第十屆全國運動會”水上項目的順利進行。

改性黏土治理有害藻華的理論體系和技術方法，其系統性、理論性和創新性，解決了黏土治理技術上的重大難題。玄武湖藻華治理的成功實踐，是改性粘土技術首次套用於我國淡水湖泊的藻華治理的成功範例。根據一年來的監測結果表明，該技術不僅能夠短期內迅速消除淡水藻華，而且可以有效的改善水質、降低富營養化、恢復正常的水生態系統。實踐證明，粘土表面改性理論和技術方法不僅可以廣泛套用於赤潮的治理，而且可以廣泛套用於淡水藻華的治理，標誌著我國在淡水湖泊藻華治理技術上的重大突破，為治理目前國內外普遍存在的藻華問題提供了一個新的、行之有效的途徑和手段。