科普上线｜你不了解的生物操纵技术

1.1 生物操纵原理

国外科学家较早把内陆水体研究重点从内陆水体生物生产力的开发转移到水环境保护。从20世纪50-60年代始，湖沼学家注意到环境中的低营养级生物对高营养级生物有上行作用，高营养级生物对低营养级生物也有控制作用。如Hrbacek、Brooks较早注意到鱼类通过食物链可以影响生态系统中较低级生物类群（如藻类），20世纪70年代开始出现有关高营养级生物对生态系统结构与功能影响的研究。Hurlbert等开始意识到鱼类也能成为调节湖泊生态系统中浮游生物群落和水质的重要驱动因子，Zaret和Paine的研究进一步证实了Hurlbert等的观点。1975年，Shapiro提出生物操纵概念，80年代后有更多报道发表。之后Shapiro等明确提出了生物操纵理论，此后这一理论得到发展和完善。

生物操纵的主要原理是通过调整鱼类群落结构，保护和发展大型牧食性浮游动物，从而控制藻类的过量繁殖，也可以理解为发挥浮游动物的生态功能控制藻类。

1.2 生物操纵的应用条件及分析

生物操纵的核心内容是利用浮游动物控制藻类。生物操纵的应用有成功的例子，但失败的例子也不少，国内外科学家对此有很多分析，对生物操纵的有效性持怀疑态度或否定态度的大多数学者都认为浮游动物无法有效而持久地控制大型藻类，特别是那些形成水华的丝状或群体蓝藻。刘建康等认为，浮游动物不能控制丝状藻类和形成群体的蓝藻水华。其次，在我国的大型浅水湖泊中浮游动物的数量一般并不多，浮游动物对浮游植物的摄食压力不大，因此在我国大型浅水湖泊并没有应用生物操纵成功的例子。既然浮游动物不能控制丝状藻类和蓝藻水华，那么从理论上说如果仅仅降低了除丝状藻类和蓝藻水华以外的浮游植物，会更有利于丝状藻类和蓝藻水华生长。谢平归纳了 Wetzel的分析，其中认为：大量研究表明，大型浮游动物的牧食暂时使藻类生物量下降，却常常导致超微藻和不能被浮游动物有效牧食的蓝藻水华数量急速增加。

氮、磷过量积累是导致湖泊富营养化的根本原因，而蓝藻暴发是富营养化湖泊的普遍现象，只有控制了氮磷排放或去除了水体中过量氮磷才是治理湖泊富营养化的关键，而浮游动物摄食的藻类并没有离开水体，在深水湖泊可以用图1来解释浮游动物摄食藻类后，最终可以沉积到湖底脱离物质循环。但是在浅水湖泊，由于水体经常上下搅拌，沉积于湖底的浮游动物尸体很快分解释放又进入物质循环，甚至在夏季多风条件下，浮游动物尸体还来不及沉积就分解再进入水体中。当浮游动物死亡后水体又变黑发臭，有时在局部水体还继续维持清水现象，但其它部分水质更差。通常我们会注意暂时出现的清水现象或还继续维持清水的那部分水体，而从整体看被浮游动物摄食的藻类中的N、P并没有离开这个系统，这相当于藻类中的N、P通过浮游动物这条管道从一端转移到另一端，水体中N、P几乎和原来一样。因此，从理论上说，浮游动物是不能去除治理大型浅水湖泊富营养化的。谢平归纳了Wetzel的分析认为:营养盐(特别是磷)只是从湖泊的一个营养库暂时转移到了另一个营养库。

▲ 图1 浮游动物摄食藻类后N、P去向

2.1 非经典生物操纵原理

我国科学家日趋重视水域生态系统恢复和重建问题。在湖泊生态系统恢复工作中有关鱼类和环境间的研究已有很多。刘建康等对武汉东湖蓝藻水华消失之谜进行了论述，谢平等提出了利用鲢、鳙鱼控制蓝藻技术，为了与Shapiro提出的生物操纵相区别，谢平把鲢、鳙鱼控藻技术叫做非经典生物操纵。非经典生物操纵认为鲢、鳙鱼能滤食10μm至数个毫米的浮游植物，而枝角类仅能滤食以40μm下的较小浮游植物。与枝角类相比，鲢、鳙鱼可有效地摄取形成水华的群体蓝藻，有效控制大型蓝藻，并提出了这样的结论：在东湖有效控制蓝藻水华的鲢、鳙生物量的临界阈值是50g/m³，即一吨水一两鱼。

2.2 非经典生物操纵的应用条件及分析

大量实践证明如果鲢、鳙鱼达到阈值密度，控制蓝藻是完全可以做到的（在不同的水域这个阈值密度是不同的）。唐汇娟和谢平在武昌东湖的围隔实验结果发现，当鲢鱼密度低于217g/㎡时，水体中浮游植物的量随鱼类密度增加而增加，当鲢鱼密度高于217g/㎡时，浮游植物的量才开始降低，这说明并不是只要放养鲢、鳙鱼就可以控制蓝藻，如果达不到阈值密度会导致蓝藻增加，因此，谢平先生提出的有效控制蓝藻水华的鲢、鳙生物量的临界阈值是非常重要的。董双林研究表明，鲢鱼可以直接滤取大型浮游植物或微小浮游植物群体，而对非群体的微小浮游植物直接影响较小。通过调整鲢、鳙鱼密度达到控制蓝藻水华在一定条件下是可以做到的。

按照图的分析发现，“1水中N、P”被蓝藻大量吸收后,转移为“2 蓝藻N、P”此时人为放养食蓝藻鱼类后“2 蓝藻N、P”有两个转移方向: “4未被鱼类摄食蓝藻N、P”和“5被鱼类摄食蓝藻N、P”，而“5被鱼类摄食蓝藻N、P”也有两个去向，“6利用蓝藻形成鱼类产品中N、P”和“7粪便形式蓝藻N、P”。“6利用蓝藻形成鱼类产品中N、P” 是很少的，这部分大约是“2蓝藻N、P的3%-5%”, 从整体水生态系统看, “5被鱼类摄食蓝藻N、P” 其主要部分“7粪便形式蓝藻N、P”，又回到水中。因此利用鱼类控制蓝藻是可以做到的，但利用鱼类控制所有藻类和降低治理湖泊富营养化是很难做到的。

▲ 图2  鲢鳙鱼摄食蓝藻后N、P的去向

3.1 生物操纵、非经典生物操纵的技术应用局限性

根据以上分析，经典的生物操纵并不完全适用于我国的大型浅水湖泊。在浅水湖泊，浮游动物摄食藻类后很快分解释放又进入物质循环。在我国的大型浅水湖泊浮游动物的数量一般并不多，浮游动物对浮游植物摄食压力不大。浮游动物也不能有效控制丝状藻类和形成群体的蓝藻水华。此外，浮游动物是浮游植物和鱼类等经济水生动物之间重要的营养通道。如果不利用浮游动物，浮游植物的能量就不会被非浮游植物食性水生动物利用。因此在我国的浅水湖泊不应过分追求完全保护浮游动物。

非经典生物操纵控制蓝藻是可以做到的，但控制所有藻类和降低N、P治理湖泊富营养化是很难做到的.并且在大型湖泊进行鱼类控藻还存在以下技术问题。一是难以在大型湖泊实施，以巢湖为例，巢湖的水量达到25×108   m³，如果按照50g/m³的鱼类密度标准，至少需要12×104-15×104t鲢鳙鱼才能达到控藻效果，实际操作难度大；二是大型富营养化湖泊蓝藻的分布是不均匀的，在蓝藻严重堆积区域，因氧气等条件的恶化并不适合鱼类生存。那么可能会产生这样的情况，蓝藻需要控制的区域鱼类可能较少，起不到控制效果；三是不同的鱼类密度会对浮游植物产生相反的影响，并非放养鲢、鳙鱼就可以控制蓝藻，如果达不到阈值密度可能会导致蓝藻增加；四是鱼类可以控制蓝藻却不能控制所有藻类也不能削减N、P治理富营养化，更不能形成稳定良性生态系统。

3.2 对策展望

众所周知水生植被恢复是湖泊生态修复的重要内容之一。水生植被恢复受水体藻类浓度和透明度等因素密切相关，把鱼类控藻、水生植被恢复和局部水域生态系统重建和生态浮岛等辅助净化措施相结合，在局部水域建立一个水质生物调控单元，从而实现整体水质的逐步改善。可以根据湖泊中蓝藻分布情况，在局部水体进行鱼类控藻，收集团块状鱼类藻粪转移上岸，上岸蓝藻经发酵成为蓝藻液体肥料，在鱼类控藻过程中形成了鱼类产品，并形成低藻浓度区域为水生植被恢复创造了条件。通过恢复水生植被又可以吸收N、P改善局部水域的生态条件在局部水域重建生态系统，实现水生态的恢复和整体水质的改善。我司在综合运用生物操纵技术、水生植被恢复技术和水体微生物调控技术进行受损水体生态修复和水污染治理方面积累了大量成功的工程经验。

4.1 鸟巢奥运龙形水系生态修复工程

奥林匹克公园龙形水系作为亚洲最大的城区人工水系，全长约2.7千米，水域总面积达16.5万平方米，是奥运公园中心区最为主要的景观之一。“龙形水系”补充水源为北京清河再生水厂中水，治理前水体浑浊，蓝绿藻、黑苔等问题比较严重。爱尔斯将生物操纵与爱尔斯独有的水域生态系统构建技术结合使用，4个月后“龙形水系”形成稳定的水下生态群落，水体的自净能力大大提高，水质稳定保持在国家地表Ⅳ类水以上。龙形水系水生态修复工程填补了我国以中水为水源的水生态修复的空白，对于我国中水的资源化利用有较大的借鉴意义，此项目也是爱尔斯运用生物操纵技术成功治理水体污染的典型案例。

▲ 鸟巢奥运龙形水系生物操纵和生态系统构建后的效果

4.2 北京桑德集团办公区水生态修复工程

北京桑德集团办公区水生态修复工程水系总面积约为3万平方米，平均水深2米，补充水源为中水和地下水，治理前水体富营养化严重，蓝绿藻爆发，水生态系统不完善。在采用生物操纵加爱尔斯水域生态构建技术辅以曝气增氧技术后，桑德湖区的水生态系统恢复如初，水体的观赏性也大大加强，营造出水清水美的生态景观。