王語笑

（廣州市自來水有限公司，廣東 廣州 510160）

自然界中由于氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)含量少，藻類的生長受到制約，不能大量生長。但是近年來由于人類大量排放含有豐富氮磷元素的生活污水和和工業(yè)廢水，未經(jīng)處理直接排入江河湖泊后，使水體的營養(yǎng)成分提高，導(dǎo)致地表水源的藻類過度生長。藻類的相對密度在1左右，由于接近水的密度，大多數(shù)藻類懸浮在水體表面，藻類的大量繁殖會給飲用水的處理帶來嚴重影響。除此之外，藻類和水體伴生微生物是淡水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在結(jié)構(gòu)和功能上均有不可替代的地位。藻類能夠為水生生物提供氧氣，微生物則能夠分解水中有機物，使得營養(yǎng)物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)中得以循環(huán)，從而維持生態(tài)平衡。基于藻類和微生物的密切關(guān)系，藻類大量繁殖時，微生物能夠通過改變周圍環(huán)境特征從而對藻類群落建立相互作用，因此，藻類繁殖能夠顯著改變微生物群落結(jié)構(gòu)的組成。

1.藻類對自來水生產(chǎn)的影響

自來水廠的凈水過程經(jīng)常遭受藻類問題的困擾，特別是混凝、沉淀、過濾、消毒四大組合的傳統(tǒng)常規(guī)凈水工藝。高藻類原水進入自來水廠后，對藥耗、生產(chǎn)工藝以及凈水構(gòu)筑物池壁都會產(chǎn)生不利的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 藥耗增加

在藻類的光合作用下，水中pH值升高，溶解氧增加，導(dǎo)致礬花密度降低，沉淀去除率降低，需要投加的混凝劑用量就會增加。此外，水中的藻類以及藻類產(chǎn)生的有機物，也會增加消毒劑和混凝劑的使用劑量。由于水中藻類帶負電難以混凝，藻類的代謝物糖酸會與混凝劑水解產(chǎn)物出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，其生成的絡(luò)合物會大量附著于絮體顆粒的表面，這會對顆粒的碰撞、絮凝產(chǎn)生影響，如果不增加混凝劑用量，就會影響自來水的質(zhì)量。同時，藻類產(chǎn)生的有機物會與水中的氯、氨氮發(fā)生反應(yīng)，在自來水的生產(chǎn)中，水管網(wǎng)中的游離氯必須要達到一定的標(biāo)準(zhǔn)，為了達到標(biāo)準(zhǔn)，就不得不增加次氯酸鈉用量，這不僅會增加了自來水的生產(chǎn)成本，也會導(dǎo)致水中的消毒副產(chǎn)物增加，影響了人們的用水安全。

1.2 堵塞濾池

地表水源中常見的藻類有硅藻、藍藻、綠藻等等，有的水源中還有金藻、裸藻、甲藻等，這些藻類的尺寸不一，會嚴重影響飲用水的凈水質(zhì)量。一些藻類的密度相對較小，即便采用了絮凝沉淀的方式也很難去除，經(jīng)過處理后，沒有被去除的藻類會大量聚集，覆蓋在濾池上方，特別是砂濾池上方更加常見，如果附著量太大，就會影響水流的正常通過，這會增加維護時間，還需額外的投入資金。在該種情況下，即便是增加反沖洗強度，效果也不甚理想。另外，藻類還會釋放出一些氣體，這類氣體會導(dǎo)致濾池出現(xiàn)阻塞，尤其是藻類光合作用會產(chǎn)生氧氣，對濾池的影響更大。在我國，曾經(jīng)有多個自來水廠出現(xiàn)了這樣的情況，如，武漢東湖水廠在未進行改造前，受到藻類水華的影響，濾池每隔2～3小時就需沖洗一次，而此前只需每隔12小時沖洗一次，反復(fù)沖洗大大增加了水量消耗，甚至達到了制水量的20%，給工作人員帶來了沉重壓力，也引發(fā)了供水緊張的問題?？傮w來看，有幾類藻類容易導(dǎo)致濾池堵塞，如硅藻門中的小環(huán)藻、星桿藻、直鏈藻；綠門藻中的盤星藻屬、水綿藻、小球藻等等。

Pakmer等研究了藻類對濾池過濾效果的影響，當(dāng)藻類數(shù)量小于50萬個/升時，不會引起濾池堵塞，當(dāng)藻類數(shù)量達到50萬～100萬個/升時，濾池稍有堵塞現(xiàn)象；當(dāng)藻類數(shù)量為100～200萬/升時，濾池有明顯堵塞現(xiàn)象；當(dāng)藻類數(shù)量大于200萬/升時，濾池會出現(xiàn)嚴重堵塞。我國水廠也有類似情況，如武漢東湖水廠在工藝改造前，在藻類影響下，濾池反沖洗周期由原來的12小時縮短為2～3小時，反沖洗水量最高可達制水量的20%。

1.3 附著凈水構(gòu)筑物池壁

藻類很容易附著在池壁、混凝土的表面，對水廠的正常生產(chǎn)、運行造成不利影響。藻類的物理與化學(xué)作用也會產(chǎn)生腐蝕，導(dǎo)致池壁老化，同樣，粗糙的構(gòu)筑物表面又給藻類寄生提供繁殖場所。另一方面，藻類長期附著生長，會形成生物粘泥，既影響凈水過程中的感官質(zhì)量，又增加了洗池的頻率和費用，以及工人的勞動強度。

1.4 藻類對水質(zhì)的影響

藻類產(chǎn)生的氣味中含有致臭物質(zhì)土臭素和2-甲基異冰片，雖然對健康無明顯危害，但是臭味非常嚴重，常使自來水用戶的用水體驗不愉快。藍、綠藻在一定的環(huán)境下會產(chǎn)生對健康有害的毒素，嚴重情況下，飲用含有藻毒素的自來水會引起腸道疾病，甚至可能會有致疾、致突變的危害。目前，我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中微囊藻毒素-LR的限制為0.001mg/L。常規(guī)凈水工藝對藻毒素的去除效率較低，需采用活性炭或臭氧處理。由于消毒劑投加的增加，產(chǎn)生的氯化消毒副產(chǎn)物也增加，導(dǎo)致飲用水中的致突變性增強。另外，藻類也會對管網(wǎng)與管網(wǎng)水質(zhì)產(chǎn)生影響，穿透濾池的藻類能夠與水中殘留生物結(jié)合，為微生物的生長、繁殖提供了基質(zhì)，讓細菌大量生長，甚至導(dǎo)致管網(wǎng)中滋生海綿動物、線蟲等，這類生物去除難度非常高，若情況嚴重，還會堵塞水龍頭與水表。藻類與細菌繁殖還會引發(fā)二次污染，讓管網(wǎng)水質(zhì)的色度上升、水變得渾濁、細菌總數(shù)增加，而水中無機離子也會與金屬氧化物之間發(fā)生反應(yīng)，讓各類無機顆粒結(jié)合，在沉積較厚的情況下，會引起垢下腐蝕、腐殖質(zhì)腐化，嚴重影響管網(wǎng)水質(zhì)，會直接縮短管網(wǎng)的服務(wù)年限。

2.藻類對微生物群落的影響

在水生生態(tài)系統(tǒng)中，藻類和微生物作為生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的重要調(diào)控者，兩者之間錯綜復(fù)雜的關(guān)系如互利共生、競爭抑制等，往往對水體藻華的形成具有關(guān)鍵調(diào)控作用。藻類和微生物之間的關(guān)系復(fù)雜且微妙，它們不僅能夠為對方提供生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)而建立互利關(guān)系，也會因為競爭生態(tài)位抑制對方生長從而形成拮抗關(guān)系。它們是亦敵亦友的關(guān)系，會隨著生長環(huán)境及自身生理狀況的不同發(fā)生動態(tài)變化。因此，通過長期調(diào)研微生物群落結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，以及與藻類之間的關(guān)系，從而發(fā)現(xiàn)微生物群落結(jié)構(gòu)與藻類的動態(tài)變化規(guī)律，對水體藻華進行預(yù)警。

傳統(tǒng)的研究更多的是關(guān)注溫度、光照強度、pH等環(huán)境因素對藻類生長的影響，然而藻華形成過程微生物的動態(tài)變化也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前，學(xué)者對于地表淡水藻華形成機制的研究越來越多，藻華與真菌和細菌等微生物的關(guān)聯(lián)也逐漸得到研究者的重視。Sun等采用測序方法，研究鞭毛藻暴發(fā)期間，水體中真菌的群落結(jié)構(gòu)及其與藻類的關(guān)聯(lián)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在藻類暴發(fā)期間，水體中真菌門水平上主要以子囊菌門、壺菌門、黏菌門和擔(dān)子菌門為主，屬水平的真菌發(fā)生了顯著變化，爆發(fā)初期以Hysteropatella、Malassezia和Saitoella為主，爆發(fā)期間以及高峰期間Malassezia最為豐富，Saitoella和Lipomyces的數(shù)量在藻華衰退時期逐漸增多，約占序列的70%，末期Rozella的豐度迅速增加，最高可達50～60%。結(jié)果分析，Rozella和Saitoella對鞭毛藻的生長影響較強，共性真菌在藻華初期占主導(dǎo)，腐殖質(zhì)性真菌在暴發(fā)期占優(yōu)勢，而致病性真菌在衰退期迅速增長富集。Chen等采用分子生物技術(shù)研究了太湖微囊藻爆發(fā)對真核微生物群落結(jié)構(gòu)組成變化的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微囊藻爆發(fā)和衰亡期間，真核微生物會有短暫的變化，并且真菌會成為優(yōu)勢種群?？梢?，微囊藻生物量積累可以對真核微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響，真菌與微囊藻生物量的分解可能存在一種腐生關(guān)聯(lián)。綜上所述，藻類大量繁殖能夠顯著改變真核微生物群落結(jié)構(gòu)的組成。

Su等在2013年8月至2014年7月對太湖水體中細菌群落結(jié)構(gòu)組成與細菌群落結(jié)構(gòu)組成在受到藍藻華影響后的變化進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)細菌群落組成的總體變化受微囊藻影響，細菌群落生物多樣性指數(shù)與微囊藻的豐度以及細胞內(nèi)藻毒素濃度呈顯著的負相關(guān)，即微囊藻及相關(guān)藻毒素通過降低來細菌群落結(jié)構(gòu)的生物多樣性。Li等在太湖進行原位試驗，研究了不同生物量的微囊藻在積累和分解期間，細菌群落組成短期內(nèi)的動態(tài)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)微球菌和軍團菌的相對豐度與微囊藻生物量的分解之間具有顯著相關(guān)性，分析發(fā)現(xiàn)在微囊藻的積累和分解期間，自由生活和顆粒附著的細菌群落組成發(fā)生了明顯變化，主要是因為微囊藻分解引起產(chǎn)生的葉綠素a、溶解性有機碳、溶解氧等的變化對細菌群落的變化產(chǎn)生很大影響，微球菌和軍團菌與微囊藻分解之間可能存在腐生關(guān)聯(lián)。毛莉等以三峽庫區(qū)小江支流為研究對象，研究藍藻水華對細菌群落結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水華優(yōu)勢藍藻為魚腥藻，占總生物量的67%，水華中末期，細菌群落變化顯著，中期主要以玫瑰單胞菌等細菌為主，末期以芽孢桿菌等細菌為優(yōu)勢菌，且變形菌門及放線菌門細菌相對豐度明顯增加，暗示了細菌群落結(jié)構(gòu)組成與藍藻水華生消變化可能具有相關(guān)性。

基于藻類和微生物的大量研究，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)藻類與微生物群落結(jié)構(gòu)存在的相互作用，很可能與藻華發(fā)生及衰退過程存在相應(yīng)的關(guān)系。在藻類代謝過程中，能夠產(chǎn)生有利于微生物生長的溶解性有機物，同樣的，細菌也可利用有機物質(zhì)分解完成自身代謝活動，同時產(chǎn)生一些氮磷等營養(yǎng)元素以供藻類生長利用，以實現(xiàn)藻類同微生物的互利共生。藻類同微生物也存在對營養(yǎng)物質(zhì)的競爭或者抑制作用，這種作用是通過一種化學(xué)信息的交流方式來實現(xiàn)，當(dāng)誘導(dǎo)物質(zhì)濃度達到閾值時，微生物能夠通過群感效應(yīng)引發(fā)諸如產(chǎn)生有毒物質(zhì)等一系列的行為，來有效抑制藻類的生命代謝活動。目前，從自然環(huán)境中分離純化的具有殺藻活性的菌屬有很多，比如海單胞菌屬（Marinomonas）、海旋菌屬（Thalassospira）、副球菌屬（Paracoccus）、鹽單胞菌（Halomonas）等。通過對藻類繁殖演替過程中具有顯著相關(guān)性的微生物進行深入研究，能夠探索在藻類暴發(fā)及衰退過程中微生物起的關(guān)鍵作用。

從藻類爆發(fā)的具體原因來看，有幾個方面。一是日照與水溫：光的強度會影響藻類生長，在枯水季節(jié)，河水淺、水位低、透光性好，有利于藻類的光合作用，而陰雨天則不利于藻類的繁殖，一般情況下，在冬末春初，藻類更易爆發(fā)；二是水位與流速：如果水流遲緩，會形成與湖泊環(huán)境類似的水體，水中的營養(yǎng)物質(zhì)會在固定的區(qū)域中積累，給水藻的繁殖提供了良好條件；三是氮磷源：在藻類的生長、發(fā)育與繁殖中，氮、磷兩類營養(yǎng)物質(zhì)起著關(guān)鍵作用，在藻類細胞質(zhì)中，有H、O、C、P、N等元素，根據(jù)當(dāng)前水體富營養(yǎng)化的研究顯示，適當(dāng)?shù)牡妆仁菍?dǎo)致藻類爆發(fā)的重要原因。氮磷則主要源自于生活污水、工業(yè)廢水的排放，隨著水體污染的日益嚴重與污水量的增加，自來水藻類污染的問題也日益嚴重。

2.水源水藻類污染的去除方法

2.1 物理法

常用的物理法有：①微濾機除藻：微濾機多為孔眼在35μm的濾網(wǎng)，能夠去除50%～70%的藻類，97%～100%的懸浮物，但對濁度的改善效果不理想；②微電解除藻：微電解能夠殺死水中的細菌和藻類，可直接破壞藻類的葉綠體結(jié)構(gòu)，讓藻類完全喪失光合作用；③超聲波除藻：高強度的超聲波能夠?qū)υ孱惣毎诋a(chǎn)生破壞，還能夠分解藻毒素，有著迅速、高效、無二次污染的優(yōu)勢；④活性炭吸附：活性炭吸附也有很好的去除效果，但是該種處理方式成本相對較高。

2.2 化學(xué)法

化學(xué)法也是去除自來水中藻類的常用方法：①化學(xué)藥劑法：常用的化學(xué)藥劑有氯氣、高錳酸鉀、臭氧、硫酸銅等；②混凝劑強化除藻：混凝劑強化也是去除藻類的有效方式，可以去除藻細胞，但對胞外溶解性藻毒素去除效果不明顯，對此，可適當(dāng)調(diào)整pH值，研究顯示，在pH值在5.5左右時，對胞外藻毒素去除率可提升至60%～70%。

2.3 生物法

生物法是利用生物對藻類的吸附、降解和絮凝作用，將水與藻類分離，部分可被微生物降解、部分沉降，其中最為常見的就是生物接觸氧化法。早在1995年開始，清華大學(xué)就嘗試采用生物處理法，結(jié)果顯示，陶粒對于藻類的去除效果良好，藻類去除率能夠達到50%～80%，但對綠藻的去除效果不明顯。還有研究顯示，生物法對于水中的藻毒素也有一定的去除效果，之所以浮水、池底等自然水體中的藻濃度可維持在較低范圍，其原因就是因為其底部有大量可降解藻類毒素的微生物。目前，學(xué)界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)能夠降解藻類毒素的微生物，但是，生物處理技術(shù)還處在初級發(fā)展階段，在實際的應(yīng)用中，還存在連續(xù)式反應(yīng)器中微生物固定等一系列的問題，但可以預(yù)見的是，生物法可能是處理自來水中藻類最為實用、經(jīng)濟的辦法，在水廠中，可借助微生物來處理氨氮和藻毒素，還能夠用在水廠的沉淀、混凝以及反沖洗污泥的處理中。

3.討論

藻類繁殖過程中微生物群落結(jié)構(gòu)的演替能夠解析藻華發(fā)生全過程微生物所起的關(guān)鍵作用，因此，可通過對藻華發(fā)生過程關(guān)鍵微生物的監(jiān)測來實現(xiàn)對藻華發(fā)生的提前預(yù)警，這樣能夠從水源開始杜絕藻華發(fā)生對人來健康生活的危害。除此之外，也可通過對具有殺藻作用的微生物進行深入研究，引入較為環(huán)保的生物殺藻菌劑，為日后藻華的發(fā)生提供有效的可行的生物除藻方法。