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水体富营养化 - 全球环境问题

摘要：本文比较了国内外关于水体富营养化过程研究报告包括蓝绿藻产生的毒素对生物体的影响，讨论了富营养化水体中主要污染物质及其富集途径。据此，估计出俄罗斯某些湖泊和中国五大淡水湖的临界总磷负荷。

关键词：富营养问题，毒素，营养性元素污染，蓝绿藻，水体，环境问题

地表水系统是一个组织高度化的有机生态系统，它分为生物部分（种群）和非生物部分（生存环境）。气候，地理，水文和物理化学因素不仅影响水生生物群落的组成与结构，还是影响水质的重要因素。另外，生物习性也影响着天然水体的组成和性质。因此，紊乱的生态平衡不仅会影响到水的质量，还会影响到水的管理。同时，人类活动也对水体产生了巨大的影响，例如饮用水，家庭和工业的供水，接收废水和排水，以及水运和浮运;医疗，娱乐，渔业和狩猎活动；水力发电，水工程，矿物提取等，都会影响到水体活动的方方面面。

目前，我们常说的水问题就是淡水资源稀缺问题，随着社会的发展，淡水资源的问题已经成为环境保护的重中之重。据统计，目前世界四分之一的人口正在饱受水资源短缺问题的困扰，甚至有超过1亿人无法获得清洁用水，预计到2015年他们仍然还生活在“极度缺水”的条件下。根据全球水理事会（GWC）的数据显示，到2050年，全球大约三分之二的人口将面临淡水稀缺问题。因此，有研究人士认为，在二十一世纪， “资源的赤字将引起对抗、冲突和战争......并且，水将成为极其重要的自然资源...以前可以用钱买而现在只能用血买” 。与此同时，另一位专家也指出：“如果20世纪所说的“液态黄金”与石油相关。那么，在21世纪，这个称号将赋予淡水。由此，过去一个世纪里，为一些地区带来某些繁荣以及造成战争和冲突的石油，其地位将由淡水取代”。

随着人口的增长和人类活动愈加频繁，全球物质，化学能和能量将发生巨大的变化。从地球化学角度看，迁移变量的最大变化应该在具有高技术亲和系数的元素特征（元素的年产量与其百分比丰度的比率），特别是磷--水生生态系统的生产力的重要控制元素。富营养化问题是水生生态的核心问题。国家标准17.1.1.01-77规定：富营养化是由于人类活动诱导或自然因素的作用下，营养元素的富集而加速了水体生物的生长”。国际标准化组织（ISO）给出了另一个定义。具体来说，就是水体中富集的营养物质，特别是氮和磷加速了藻类和其他高等植物的生长。

“水体营养度”这一术语是在20世纪初由提诺和诺曼提出的。该术语即水体的“储存能力”或“摄食能力”，特别是水生生物营养性物质的可获得性。 “富营养”一词源于希腊语“eutrophos”，意思是“丰富”或“脂肪”。

例如，家庭污废水（包括由此流到河流和湖泊的部分）的磷和氮的含量分别为每人每天4和8克。而且，营养物质还会同水禽排泄物，落叶和灰尘颗粒一起进入水体。去度假游泳的人还是水中营养物质的另一来源：平均每个游泳的人将使75毫克磷和700毫克氮进入水中。灰尘每年为水体带来约10公斤/公顷的物质。可以说，每个水体就像个积累各种废物的碗。

其中，应特别强调的是，富营养化和污染有本质的区别，即污染与抑制水生生物活性的有毒物质排放有关，而富营养化在一定程度上增强了生物活性 。温贝里认为，在总氮和磷浓度高于水体碳浓度之前，水体中富营养化问题不能概括为污染。否则，我们只能探讨自然老化或增强水体的富营养化。

营养水体污染的主要来源是农田氮磷肥料的径流，没有适当清洁储层地面的水库，以及排放的废水，包括生物处理后的废水。

与河流流域和河床活动相关的营养物污染（水力发电和水库建设，娱乐活动，航运交通等）会造成水体富营养化。那些处在农业发达地区，包括耕作（耕作，干草田和牧场）和畜牧业（农场和各种复合物）的水体，其富营养化问题出现最快。这些营养物质的负载源完全或部分不受控制，应特别注意。水上娱乐活动也被归为相同类型的营养物负载源。

营养物质通过水渠和空气进入自然生态系统;例如，目前全球的磷酸盐肥皂和洗涤剂的消费量每年超过30万吨。所以，加拿大的一位化学家因开发了无磷洗涤剂而获得了全国性奖项。

水体富营养化与两种主要营养物质有关：氮和磷。如果物质氮 - 磷比（N_MIN：P_MIN）低于10，则浮游植物生长主要受氮限制；N_MIN：P_MINgt;17磷占主要地位；10-17氮磷共同作用。氮控制主要在发生在营养不足的海洋区域，或是海洋生态系统中的浮游植物占主体的海域，而磷控制则主要是大陆水体。

富营养化是水体的自然进化过程。从“出生”起，水体发育的几个阶段：首先从超嗜养性到微营养性，然后到中等性，最后到富营养性和过度富营养性，即老化和死亡，形成沼泽。

然而，人类活动赋予这个自然过程某些特定的特性。生态系统生产力速度提高和强度急剧增加。如果一个或另一个湖的自然富营养化可以持续1000或甚至更多年，但因人类活动，该过程可以加速100或甚至1000倍。像波罗的海和伊利湖，塔霍湖和拉多加湖这样的大型湖泊从一个营养状态过渡到另一个，只需要20-25年。这一过程扩展到美国和加拿大（美国大湖泊），日本，欧洲（日内瓦，拉多加，奥涅加，巴拉顿等）以及许多海盆（地中海，黑色，波罗的海等）的许多淡水体）。根据奥德姆形象的表达，水体富营养化是水体初级生产的癌性生长。水体富营养化过程对水管理和消费（水的性质和质量损害，厌氧区的发展，生物的消失和许多水生生物，包括有价值的食用鱼的消失）具有很多不利的后果。

富营养化损害了水的物理化学性质，使其具有浑浊和令人不快的气味，并增加其硬度，从而导致碳酸钙和氢氧化镁的沉淀。富营养化水体中有死区。这些水体种的水可能引起腹泻的爆发或牛和家禽的中毒。

富营养化的一个特征是水生和沿海植物（芦苇，香蒲，池塘草，水草）的过度生长。观察到异养丝状藻类的加速发育。秋，冬季植物死亡引起沿海地区的植物砍伐。水体的富营养化也影响着身处其中的鱼群。沿海地区鱼卵和婴儿的死亡率特征引起了适应缺氧条件的鱼类（主要是鲫鱼）在水体中盛行。

澳大利亚淡水中的毒性引起了绵羊，马，猪和狗的死亡。这是1878年弗朗西斯首先提到的。自那时以来，世界各地水体中的毒性颗粒物有了较好的记录，成为基辅水库，第聂伯河，波罗的海的库仑尼泻湖等地区发现蓝绿色藻类的毒性物质爆发的证据。在中等纬度地区，人们特别喜欢在冷却水库中加热水，以及水交换。蓝绿藻就产生了他们从未使用的相当危险的毒素（生物碱，低分子量肽等）。然而，这些毒素被释放到水中会对人和动物造成健康风险，特别是人类疾病中的肝硬化和皮炎以及动物的中毒和死亡。

由蓝绿藻（蓝藻）产生的毒素有两种：神经毒素和堆毒素。神经毒素包括影响神经系统的生物碱。蓝细菌产生的神经毒素不仅如此。肝毒素包括含有不寻常氨基酸的环状七肽或五肽。当进入动物体内时，肝毒素会在几小时内破坏肝脏并导致死亡。即使低剂量的毒药也是致命的。目前还未有因蓝细菌肝毒素而致命的案例。

虽然文献中已经报道过，但是一些人认为那些人死于与暴露在蓝细菌毒素有关的肝癌。毒素存在于蓝藻细胞中，并仅从被破坏的细胞中释放到水中。这些毒素是相当稳定的，不能通过水的氯化来破坏。此外，蓝藻藻毒素也可以在干细胞中存活。由世界统计的数据表明，在40-50％的水相关病例中有产毒的氰基细菌。目前，鉴于增强人体对水体污染的抵抗力，产毒蓝细菌的增殖正成为一个全球性问题。像英国，芬兰和挪威这样的国家，认为有毒的湖水是一个全国性问题。这些国家建立了专门的有毒性颗粒物的研究和控制中心，公布了一些关于卡累利阿湖和内瓦湾毒素蓝细菌的观察。

富营养化的问题在不同类型的水生生态系统中越来越重要。美国23个州向美国环境保护署（EPA）提交的关于湖泊营养状况的报告中，45％的调查湖泊被认为富营养化，26％间营养型和12％寡营养型（17％的状态湖被称为“未知”）。某些欧洲国家（例如荷兰）的水体的富营养化指数约为300，远高于约100的期望值，并且高于阻力水平（约80）。富营养化也是海洋和河口系统的一个严重问题。富营养化加剧了水中溶解氧的耗尽。

南非观察到了一个浮游生物蓝绿色毒素作用的有趣例子。1938年德兰士瓦州瓦尔河建造一个大型水库后这种现象引起了特别的关注。自1940年以来，沿着水库岸开始记录牛的损失。1942年因为水库中蓝绿色藻华爆发，数千头角牛和羊，以及马，骡子，驴，狗，兔子和家禽水禽死亡。微风将藻类驱向岸边，它们在几个小时内迅速集中。动物死亡就发生在这些地方。

藻毒素也是神秘的哈夫病的一种主要原因。1924年开始几次爆发，在加里宁格勒附近，在维斯杜拉泻湖的岸边，一个海水淡化的波罗的海湾。虽然该疾病影响了渔民到海湾去钓鱼，但没有延伸到人们常钓鱼去的波罗的海。令人意外的是哈夫病无前期症状;它在任何响应运动或接触的急性肌肉疼痛中显露出来，最终致使患者失去移动的能力，他们看起来好像瘫痪了一样。

我们推测，限制蓝绿色藻类爆发的主要措施是减少营养物（首先是磷）向水生生态系统的排放。由于水体富营养化已成为严重的环境问题，教科文组织开始监测内陆水域和控制世界各地水体的富营养化。水体富营养化的主要方法如下：

- 降低水柱中溶解氧的浓度;

- 增加营养物质的浓度;

- 增加悬浮颗粒的浓度，特别是有机物;

- 优先于蓝绿色和绿色藻类的藻类群体的连续变化;

- 减少光穿透（自阴影，增加水的浊度）;

- 增加沉积物中的磷浓度;

- 强烈增加浮游植物生物量（随物种生物多样性的减少）等。

在大量水体营养状态的指标中，我们选择以下作为最适合的直接认证相应的营养类别和建设数学模型：

（1）特定营养元素的摄入。

（2）营养元素浓度。在水混合完全期间，氮和磷（包括磷，正磷酸盐，总氮和溶解的无机氮：铵，亚硝酸盐和硝酸盐）的临界浓度在当前可接受的藻类爆发的潜在条件为0.01和0.3 g / m3。在较低的浓度下，藻类的轻度氮限制生长将发生，但这样的浓度难以精确测量。

（3）均温层中氧耗竭的速率

（水体的底层，其位于温跃层之下）。在寡聚中的氧损失与增强富营养化同时增加。氧耗竭速率用作营养状态的指标，因为它具有短时变化性。该指标仅适用于分层水体。提出了该指标对于具有不同营养性的水体的以下变化范围（mg m-3天-1）：低营养的：小于250，中营养性为250-500，富营养性大于550。

（4）深度。这是最广泛使用的（因为它简单），也是水体的营养状态评估的最古老的方法。一个透明的平面盘，分成交替涂黑色和白色的象限，并具有标准尺寸（直径200mm）。盘在水中缓慢下降到不再可见的深度。记录该深度，并且盘被回收;还记录其再次变得可见的深度。 塞尺深度是这两个记录的平均值。渗透深度与水中藻类的密度成反比，因为悬浮物散射入射光并增强其衰减。因此，塞尺深度与水体的初级生产力相关，这是它们的营养性的指标。缺氧深度，

营养和富营养体分别gt; 6.0，3-6.0和lt;3 m。

叶绿素a的浓度通常用作直接的营养指标。叶绿素（C55H72O5N4Mg）是主要的光合色素，因此，其在水样品中的浓度可以作为藻类生物质的代表性指示剂。它是水体富营养化有用和精确的度量，因此定期用于测量其对于补充营养负荷的“反应”。该实验最大问题是，当叶绿素浓度高于100 mg / m3时，该指标往往只对增加的营养物浓度产生轻微反应。这是因为自阴影阻止了初级生物量的进一步生长。对水体的文化富营养化的后果的评估由于生态系统功能的变化而变得复杂

在第一阶段由于内环境的稳定不是非常明显。这种变化难以与自然变化区分开。后者包括流体动力过程，气候变化，生物循环等的季节和年度波动。

在这方面，防止富营养化的最佳方法是减少水体的营养物负荷。限制蓝绿色藻类爆发的关键因素是减少养分（首先，磷）排放到水生生态系统。

直接控制富营养化（通气，通过泵送或水过滤除去藻类，用化学品处理）的方法的效率低。硝酸盐和磷酸盐的天然水的污染水平应通过废水处理，减少化肥的使用，以及不再继续建设与粪便排放到水体的畜牧养殖场来减少。在过去几年中，水体（水道，湖泊和水库）的营养物污染及其富营养化已经成为水保护的最紧迫的问题之一。这个问题在许多国家尤为鲜明，包括俄罗斯。进行了多次努力来研究水富营养化的各个方面。建立了一个防止水体富营养化的国际委员会及其丰富的库存和范围。实验和观察正在进行。我们已经探索了美国，加拿大和西欧的大多数湖泊和水库。

对输入到水体中的磷与后者的营养水平之间的关系的研究导致所谓的营养负荷概念的发展，其基于具有定量磷输入 - 水体响应相关性的想法。结果，水体改变其在营养级的位置。 Vollenweider 提出了磷负荷（LCP，（g）Р（m-2 year-1）），允许水体保持在营养状态，使用水体的平均深度（Lambda;av，m）标准参数：LCP =0.025Нav0.6。由上述公式计算的结果示于表1和2中。

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