水体紊动对铜绿微囊藻营养盐和光利用的干预机制研究

Flow turbulence has significant impact on algae growth, but the underlying intervention mechanism is still not clear. We hypothesize that there are three mechanisms which are individually determinant in different levels of turbulence intensity. The proposed project will focus on Microcystis aeruginosa and conduct a series of experiments in order to analyze the effect of flow turbulence on nutrient utilization dynamics and competition characteristics of Microcystis aeruginosa; analyze the effect of flow turbulence on light utilization of Microcystis aeruginosa with three indicators, algae growth rate, photosynthesis characteristics and PI curve; and analyze the impact of flow turbulence on Microcystis aeruginosa growth under nutrient gradients. From these experiment results, impact of flow turbulence on Microcystis aeruginosa growth can be quantified and the intervention mechanism of flow turbulence on nutrient and light utilization of Microcystis aeruginosa will be explained; via nutrient transport efficiency to algal cell (by analysis of the diffusive sublayer thickness on algal cell surface), growth rate and mechanical damage rate, the impact of flow turbulence on algae growth will be unerstood. Furthermore,the research findings will be verified in a natural lake.?It is anticipated that the research results will be of great scientific significance in order to further understand the algae growth and variation in complex aquatic ecosystems where numerous influencing factors exist and to explore the mechanism of algae bloom as well.

水体紊动对藻类生长存在重要影响，但其干预机制尚不清晰。本项目假设存在三种干预机制，在不同紊动强度下分别起决定性作用，并以铜绿微囊藻为主要对象，设计系统的模拟试验，对其中的营养盐和光利用干预机制展开重点研究。基于铜绿微囊藻的生长增殖、光合作用特性和PI曲线，试验分析紊动对铜绿微囊藻的营养盐吸收动力学特性及竞争利用特性，以及光、营养盐梯度下紊动对铜绿微囊藻生长、竞争结果的影响。通过上述试验研究，量化紊动对铜绿微囊藻生长的影响，阐明紊动对铜绿微囊藻营养盐和光利用的干预机制；结合细胞外扩散层厚度分析，从藻细胞的营养盐输送效率、光合作用能力和机械损伤三个角度，厘清紊动对藻类生长的的干预机制；并通过人工控制紊动强度，在天然水体中进行实证试验。本项目研究成果可为进一步明晰藻类在水体生态系统中复杂因素作用下生长变化机制、探寻藻类水华的爆发机理提供重要的理论支持。

本项目围绕紊动对藻类生长的影响特征和影响机制这一科学问题，设计带有可调节角度的组合棒式搅拌格栅的环形玻璃水槽和基于计算机视觉的平行平板流动腔装置，从宏观和细胞尺度开展系统的室内试验研究，并在青草沙水库开展相关试验观测。结果表明，低紊动条件能促进藻类生长，高紊动条件抑制藻类生长，存在临界紊流能量耗散速率值。不同藻种的临界值不同，铜绿微囊藻的临界值为1.70×10-4 m2/s3，四尾栅藻为3.29×10-4 m2/s3，小球藻为1.71×10-3 m2/s3。本项目从单个藻细胞试验、水槽试验以及天然水体三个尺度，分别验证了水体紊动对藻类生长的影响存在临界紊流能量耗散速率值，并且三者的数值基本吻合，证明了研究成果的可靠性。研究进一步发现紊动影响藻类生长的机制是控制藻细胞光合放氧速率、光系统II活性、多糖含量，在一定的强度范围内，紊动可促进藻细胞的光合放氧速率、增加光系统II活性、促进多糖的产生和积累，从而有利于藻细胞生长。因此，合适的紊动强度可协助藻类应对不适光照或低营养盐浓度等不利环境条件。在多藻种共存体系中，水体紊动改变不同藻种的竞争优势。基于上述研究成果，以青草沙水库为对象，构建了三维藻类生态动力学模型，较好重现了库区的叶绿素浓度变化过程，确定了库区的控藻临界流速。通过本项目研究，掌握了紊动对藻类生长影响的特征，阐明了紊动对藻类营养盐和光利用的干预机制，进一步认识了藻类在水生态系统中复杂因素作用下的生长机制和藻华爆发机理。项目研究过程中与日本、南非等国家的科研院所开展合作，发表学术论文6篇，申请发明专利4项，授权2项，申请并授权计算机软件著作权2项。研究成果直接服务于上海青草沙水库调度管理，研发了青草沙水库模型计算与信息展示系统平台，为水库的运行管理提供技术支持。