水體紊動對銅綠微囊藻營養鹽和光利用的干預機制研究

《水體紊動對銅綠微囊藻營養鹽和光利用的干預機制研究》是依託同濟大學，由張海平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：水體紊動對銅綠微囊藻營養鹽和光利用的干預機制研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張海平
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

水體紊動對藻類生長存在重要影響，但其干預機制尚不清晰。本項目假設存在三種干預機制，在不同紊動強度下分別起決定性作用，並以銅綠微囊藻為主要對象，設計系統的模擬試驗，對其中的營養鹽和光利用干預機制展開重點研究。基於銅綠微囊藻的生長增殖、光合作用特性和PI曲線，試驗分析紊動對銅綠微囊藻的營養鹽吸收動力學特性及競爭利用特性，以及光、營養鹽梯度下紊動對銅綠微囊藻生長、競爭結果的影響。通過上述試驗研究，量化紊動對銅綠微囊藻生長的影響，闡明紊動對銅綠微囊藻營養鹽和光利用的干預機制；結合細胞外擴散層厚度分析，從藻細胞的營養鹽輸送效率、光合作用能力和機械損傷三個角度，釐清紊動對藻類生長的的干預機制；並通過人工控制紊動強度，在天然水體中進行實證試驗。本項目研究成果可為進一步明晰藻類在水體生態系統中複雜因素作用下生長變化機制、探尋藻類水華的爆發機理提供重要的理論支持。

結題摘要

本項目圍繞紊動對藻類生長的影響特徵和影響機制這一科學問題，設計帶有可調節角度的組合棒式攪拌格柵的環形玻璃水槽和基於計算機視覺的平行平板流動腔裝置，從巨觀和細胞尺度開展系統的室內試驗研究，並在青草沙水庫開展相關試驗觀測。結果表明，低紊動條件能促進藻類生長，高紊動條件抑制藻類生長，存在臨界紊流能量耗散速率值。不同藻種的臨界值不同，銅綠微囊藻的臨界值為1.70×10-4 m2/s3，四尾柵藻為3.29×10-4 m2/s3，小球藻為1.71×10-3 m2/s3。本項目從單個藻細胞試驗、水槽試驗以及天然水體三個尺度，分別驗證了水體紊動對藻類生長的影響存在臨界紊流能量耗散速率值，並且三者的數值基本吻合，證明了研究成果的可靠性。研究進一步發現紊動影響藻類生長的機制是控制藻細胞光合放氧速率、光系統II活性、多糖含量，在一定的強度範圍內，紊動可促進藻細胞的光合放氧速率、增加光系統II活性、促進多糖的產生和積累，從而有利於藻細胞生長。因此，合適的紊動強度可協助藻類應對不適光照或低營養鹽濃度等不利環境條件。在多藻種共存體系中，水體紊動改變不同藻種的競爭優勢。基於上述研究成果，以青草沙水庫為對象，構建了三維藻類生態動力學模型，較好重現了庫區的葉綠素濃度變化過程，確定了庫區的控藻臨界流速。通過本項目研究，掌握了紊動對藻類生長影響的特徵，闡明了紊動對藻類營養鹽和光利用的干預機制，進一步認識了藻類在水生態系統中複雜因素作用下的生長機制和藻華爆發機理。項目研究過程中與日本、南非等國家的科研院所開展合作，發表學術論文6篇，申請發明專利4項，授權2項，申請並授權計算機軟體著作權2項。研究成果直接服務於上海青草沙水庫調度管理，研發了青草沙水庫模型計算與信息展示系統平台，為水庫的運行管理提供技術支持。