973计划项目第8课题2004年度总结报告
973计划项目第8课题2004年度总结报告
项目名称:湖泊富营养化过程与蓝藻水华暴发机理研究
项目编号:2002CB412300
课题名称:湖泊富营养化成灾机理及危害
课题编号:2002CB412308
课题负责人:潘纲,肖邦定
二00四年十二月
年度计划执行情况
年度计划完成情况;
目前第八课题组的年度计划进展顺利,任务完成较好.在论文发表上,共发表13篇文章,其中7篇SCI文章,6篇国内核心期刊文章.高于"SCI论文2篇,国内核心期刊论文2篇"的考核指标.
研究工作的主要进展;
随着整个973项目的进展,以及最近整个环境科学界的一些新的研究动向,有些研究内容进行了相应调整.在时间上,可能有的内容有所前移,有的则有所后推,呈现出一定的交叉趋势.其间,也出现了一些新的研究思路,对整个课题的完成增加了一些亮点.
(一)在富营养化危害生态系统的表现,特征和评价研究中,针对湖泊富营养化对水环境质量,水生态系统结构和功能,区域水资源,人类健康的危害影响这一核心目标,以我国东部江淮地区富营养化湖泊巢湖中蓝藻水华,水质变化和生态系统结构与功能变化三者之间的响应关系为研究主线,在上年工作的基础上,从今年年初展开研究工作,截止到目前,已经完成/正在进行的工作及取得的阶段性成果如下:
在03年工作的基础上,今年的工作重点以野外实验监控研究为主,实验点在巢湖六叉河流域和潜溪河流域,主要内容如下:
1,河流湖泊水质指标和生物学指标的测定.
2,研究了一级子流域中河流或溪流形态,生态结构,水的动态过程和湖泊水环境质量的关系,建立流域状况与营养盐,叶绿素a同水质之间的关系.
3,研究了溪流与河口水质的变化规律,分析溪流水体质量,入湖养分浓度和湖泊水质的响应关系,进而分析流域社会经济状况和湖泊富营养化的关系.
4,初步展开和确定水质异常过程的致因,并进行关联分析,建立湖泊富营养化灾害效应的评价指标和评价体系.
我们的初步结论是:
1,湖泊富营养化过程同相邻流域物质过程紧密相关.近年来巢湖水库化现象严重,最明显的特点是库周湖滨带丧失,引起水体水质恶化和藻类疯长的氮磷等营养物质主要是通过流域中各级溪流,河流输入的.因此,一级流域中河流或溪流形态,生态结构,水质动态过程同湖泊水环境质量密切相关(见下图表).我们以巢湖北岸中庙附近的六叉河流域中的源头溪流为研究对象,研究发现,溪流水体质量(水生植被初级生产力),入湖养分浓度同湖泊水质(近河区域)存在响应关系.
2,降雨丰沛地区湖泊系统的淤积过程与异常水质过程所带来的结构/功能在短时间内偏离平衡,是湖泊富营养化灾害效应的核心问题之一,灾害效应评价必须首先确定水质异常过程的致因,并进行关联分析,建立湖泊灾害关联评价.
3,我们的初步分析认为,湖泊富营养化所引起的湖泊系统本身变化同流域河流或溪流水环境质量存在相关关系,通过河流环境评价可以建立湖泊富营养化的外源评价系统(传统评价是基于湖泊内源数据如湖泊水质,生态结构,水动力学过程及水产,旅游等为指标的内源评价系统).这一评价体系对水库化湖泊尤其重要.
同时,众所周知,流域系统对湖泊水环境质量的影响非常显著,但是如何建立湖泊富营养化同流域社会经济效应方面关联分析,国内外一直鲜见合适的研究范例,这同缺少适当的有代表性因素-效应链有关,到目前为止,我们已经确定流域/湖泊富营养化评价的指标体系为:直接评价和间接评价指标体系,直接评价指标以传统的评价指标为主,细化为流域/湖泊物理环境指标,生态指标以及功能指标体系.间接指标则指流域多年来的社会经济发展等因素.
在上述指标体系分类基础上,通过对湖泊/河流水质分析(利用已有的WASP和SWAT模型)的有效评估,建立流域过程-湖泊富营养化动态(蓝藻-水质)-社会经济效应这一高度相关的链式评估体系和关联概念模型.由于指标体系比较复杂以及部分水质资料较难搜求,模型分析与构建尚处于初步阶段.
(二)在藻毒素生物合成机理和控制因素及其降解途径研究,以及异味物质研究方面,经过本课题组成员近两年来的努力工作,在以下的10个方面取得了一些进展:
建立了水体和生物体(藻)中微囊藻毒素的定量测定方法(HPLC),其主要步骤包括:水样→GF/C和0.45μm滤膜过滤→调整水样pH值→过预先活化的C18 SPE固相萃取小柱→依次用水,20%甲醇淋洗→100%甲醇(含TFA)洗脱→浓缩,定容→HPLC定量分析.藻样→75%甲醇提取→离心,上清液浓缩去甲醇→加水调整后过预先活化的C18 SPE固相萃取小柱→后续步骤同水样.该方法经对大量野外样品和实验室培养样品的实际验证,被证明是完全可行的.该方法已被湖北省正式列为水体中微囊藻毒素的检测方法.
建立了更为灵敏快速的微囊藻毒素检测方法―ELISA测试法,直接测定实际水样,其灵敏度统计结果表明,ELISA法与HPLC法有非常好的相关性.除水样和藻样外,该方法还可望应用于生物样品(如鱼,浮游动物,植物)的检测.应用该方法对滇池的鲢,鳙鱼肌肉中的微囊藻毒素含量进行了检测,表明毒素含量低于WHO推荐的TDI值,在安全范围内.应用已建立的微囊藻毒素方法,对滇池2003-2004年水体中的微囊藻毒素含量进行了测定,初步掌握了滇池中微囊藻毒素的时空分布特征,为评价蓝藻水华灾害效应积累基础数据.目前正在整理数据,并与其它水化学和生物学参数进行比对和回归分析,以图找出其中的带有共同性的规律.
完成其它几种毒素(如神经毒素和麻痹性贝毒素)的资料收集与整理,经过比较,拟采用HPLC柱后衍生法和HPLC-MS方法进行测定.目前正在建立这些毒素的分析测定方法,并在室内已经培养出有毒淡水束丝藻,初步建立了大规模培养的工艺.
利用自己纯化的微囊藻毒素MC-RR(纯度达90%以上),进行了藻毒素的非生物降解研究(紫外光降解和化学氧化降解).紫外光降解结果表明,在300-400nm(UVA)紫外光下,MC-RR只能部分降解,同时产生两种几何异构体4(Z)-Adda-MC-RR和 6(Z)-Adda-MC-RR;在光强为1.40-8.00mw/cm2时,12h内MC-RR仅降解50～70%,产生的两种异构体始终保持一定的比例.在253.7nm(UVC)下, MC-RR除生成两种异构体外,还生成中间产物[三环-Adda]MC-RR,在光强0.850mw/cm2下照射60min, 产生的异构体和中间产物随MC-RR一起基本消失,降解率达99%.统计分析表明,在UVA和UVC下,MC-RR的浓度C随时间t的变化可用准2级反应速率方程描述,表观反应速率常数k随着光强度的增加而增大,二者呈线性正相关.尽管UVC强度仅为UVA的10%,但MC-RR在UVC下的反应速率却比UVA下高了近两个数量级.
在用化学氧化法降解微囊藻毒素研究中,我们以高锰酸钾氧化MCRR的反应动力学为主线,研究了影响高锰酸钾预氧化去除MCRR效率的因素,求解了反应的级数,并计算出反应的活化能,最后对反应产物进行了初步分析.结果表明,高锰酸钾氧化MCRR反应进行的非常迅速,在试验条件下,10min内MCRR降解率达99%以上,整个反应是一个二级反应,对于每种反应物而言均为一级反应,反应的活化能为18.9kJ/mol.当温度为15-30℃时,二级反应速率常数在0.154-0.225之间.影响高锰酸钾氧化去除MCRR的因素主要有初始高锰酸钾浓度,初始MCRR浓度及反应温度,另外pH对反应的速率也有一定影响.
采用溶胶-凝胶法制备了纳米级的单一锐钛矿型掺银TiO2膜,研究了其在太阳光下对MC-RR的催化降解行为.结果表明,太阳光/掺银TiO2膜光催化体系可以有效去除水体中的MC-RR,该反应可用准一级反应方程描述.镀膜次数和反应液的pH对掺银TiO2膜的光催化效率具有重要影响.反应介质对MC-RR的光催化氧化速率有一定影响,在蒸馏水,湖水和自来水中MC-RR的反应速率常数分别为0.0031,0.0016和0.0010min-1.
实验证明了铵态氮,硝态氮,尿素氮,N,N 2 羟乙基苷氨酸 (bicine),亮氨酸或精氨酸都不能作为唯一氮源支持铜绿微囊藻的生长.但在bicine和硝态氮共同存在时,铜绿微囊藻可以达到快速稳定的生长和高的MC-LR含量.虽然精氨酸和亮氨酸是MC-LR环状多肽结构中的2个氨基酸组成成分,但它们的存在反而会抑制藻中MC-LR的产生.铁或硅对藻DC-1的生长没有明显的效应,但却显著刺激了藻对MC-LR的生物合成.藻细胞中的MC-LR含量变化规律是:在生长延迟期较低,进入生长指数期后逐渐增加并达到最大,在指数生长后期时又开始有所下降.
初步建立了实验室培养产异味藻株中Geosmin和MIB的气相色谱测定方法,并初步调查了富营养化湖泊中异味物质的含量和分布.
开发了一种一次性,即制即用的新型固相微萃取离子液体涂层,这种涂层具有热稳定性高,可以根据目标化合物设计特效离子液体涂层,制备简单,一次性使用无空白残留,成本极低和可方便地与气相色谱联用等优点,为简便,高效,低成本测定异味物质打下了坚实的基础.
建立了吹扫捕集技术与气相色谱联用测定挥发性化合物的分析系统,该方法基体干扰小,灵敏度高,已成功用于测定北京周围城市运河和周围河水中的二甲基硫和二甲基二硫等恶臭物质,为建立吹扫捕集与气相色谱联用测定异味物质的分析方法打下了很好的基础.现主要研究用液相微萃取及膜萃取技术分离富集异味物质,有希望在此基础上建立能够满足实际样品分析需要的分析方法.目前正准备用上述两种方法测定Geosmin和MIB等异味物质.
如有重要阶段性成果或突破,请重点阐述.
一个重要的进展就是将分子生物学实验方法引入到毒性评价的研究中来,发展了一种利用质粒DNA快速检测环境污染物毒性的方法.
近年来,随着科学技术的发展,人们正努力从细胞水平,分子水平,以及基因的角度去评价,揭示环境污染物对生物的毒性.近20多年来发展起来的单细胞凝胶电泳(SCGE)就是在单细胞水平上对环境污染物的毒性进行评价的方法.目前,许多学者运用各种手段,如,电泳,HPLC[4], LC-ECD[6] GC-MS-SIM[9] 和 EPR[10]等对重金属及其化合物与核酸的相互作用机理进行了广泛而又深入地研究[2~12].这不仅对研究医学领域中污染物在生物体中所起的作用及其对许多疾病的成因和研制抗癌药物等具有重要意义,而且有可能为研究污染物的遗传毒理及毒性评价提供新的视角和检测技术.
本项技术目前已经针对重金属污染取得了一些进展,文章已被《环境科学》接受2005年发表.现在正在着手对更为广泛的环境污染物(包括藻毒素)的毒性进行评价.
二,项目执行过程中存在的问题及其对策.
1,经费问题.我们课题组相当一部分工作主要是在野外(如太湖,巢湖,东湖等),以流域野外试验为主,工作量较大,经费投入较高,由于冬天还要持续研究,经费已经不足,希望下一年度的经费能早点到位.另外,湖泊富营养化是一个长效问题,其灾害评估需要的数据多,资料搜集比较困难.根源主要也是经费问题.
2,人员问题.人力资源相对于课题本身的工作量来讲还是不够.有的子课题就因为人少,前阶段进展缓慢,后来开始增加了博士生,专门进行本课题的研究,才使进展快起来.
3,研究地域相对分散.这样数据不利用于相互比较,也难于总结出普遍性的规律来.希望能在以前工作基础上,是研究区域相对集中.
三,下年度研究工作计划和进度安排.
基本按照合同规定,按部就班的进行.对于有特色的研究,或者由可能导致重大突破或重要进展的工作,可以适当优先进行.
在本年度研究基础上,下一阶段继续野外监控研究,展开巢湖流域河流/湖泊水质模型研究,为富营养化灾害效应评估奠定基础.
继续研究和完善测定Geosmin和MIB等异味物质的方法,在太湖或巢湖的典型水域,选择监测点,采集不同时间等环境条件下的样品,测定Geosmin和MIB的含量.先建立测定方法,再做环境调查,最后看能否做一下这两种物质的产生机理.
附件1
年度
研究内容
预期目标
第
二
年
鉴定水华蓝藻的优势藻种和识别藻毒素的主要种类;
筛选产毒蓝藻藻种和能够降解藻毒素的微生物菌种;
Geosmin和MIB等异味物质的膜萃取采样装置,及气相色谱测定方法的验证.筛查产生Geosmin和MIB等异味物质的蓝藻种类;
野外考察,丰富完善数据库,图形与统计初步分析.
确定蓝藻水华的优势藻种,筛选和鉴定出产毒的藻种;
筛选出高效降解藻毒素的微生物菌种;
建立能满足实际样品分析要求Geosmin和MIB的分析测定方法,查明产生这两种异味物质的蓝藻种类;
完成富营养化灾害效应的关联分析,初步选择出评价体系;
发表SCI论文2篇,国内核心期刊论文2篇.
第
三
年
研究不同氮磷形态对产毒蓝藻生长和产毒的效应;
研究微生物降解藻毒素的活性和动力学过程;
采集不同时间等环境条件下水藻及水样品,测定Geosmin和MIB含量;
统计分析富营养化与湖泊生态结构,过程与功能之间的相应关系,总结危害表现及效应模式,确定灾害机理.
确定不同形态的氮磷对蓝藻生长和产毒的作用与机理;
确定微生物对藻毒素的降解能力和环境安全性;
积累数据,初步查找Geosmin和MIB随时间等环境条件变化规律;
完成评价体系,初步建立模型,提交阶段性分报告;
发表SCI论文2篇,国内核心期刊论文3篇;申请国家专利1项;培养硕士或博士研究生2名.
附件2
目前实际执行973第8课题人员名单
姓名
年龄
性别
工作单位
学位
职称
研究领域
新成员
组
长
潘 纲
46
男
中科院生态环境研究中心
博士
正研
环境化学
肖邦定
40
男
中科院水生生物研究所
博士
副研
参加人员
陈 灏
40
男
中科院生态环境研究中心
博士
副研
生物地球化学
是
单保庆
35
男
中科院生态环境研究中心
博士
副研
余育和
男
中科院水生生物研究所
博士
正研
刘景富
38
男
中科院生态环境研究中心
博士
副研
王桂堂
40
男
中科院水生生物研究所
博士
副研
研究生
邹 华
32
男
中科院生态环境研究中心
博士生
常国华
女
中科院生态环境研究中心
博士生
是
张宪伟
男
中科院生态环境研究中心
硕士生
是
袁宪正
男
中科院生态环境研究中心
硕士生
是
罗海伟
男
中科院生态环境研究中心
硕士生
是
吕建霞
女
中科院生态环境研究中心
博士生
是
陈晓国
男
中科院水生生物研究所
博士生
胡智泉
男
中科院水生生物研究所
博士生
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