作为世界上发电量最大的水利枢纽工程,三峡工程于1994年首次动工,1997年大江截流,坝前水位上升至75 m;2003年二期工程结束后,库区蓄水水位达到135 m;2006年通过调控,将坝前运行水位提升至156 m;2009年工程整体竣工,最高蓄水位最终提高至175 m。三峡工程自开工建设以来,随着蓄水位的上升,发电量也在不断攀升;然而,在给人们带来更多电力供应的同时,也引发了一系列的生态环境问题,逐渐引起了人们的广泛关注。
三峡大坝175 m蓄水后,库区内大量陆地被淹没,自湖北宜昌三斗坪至重庆市江津段,沿江而上形成了长度超过600 km、面积达1084 km2、库容超过400亿立方米的河道型水库,嘉陵江主城段在内的长江次级河流均处于库区回水区内,且在河流岸边水域相应地形成了消落带[1]。随着三峡水库成库,库区内水体的水库效应[2-4]逐渐显现,库区水体平均流速较自然流态大幅下降,同时消落带上出现了大量库湾和静水区。由于水流速度的减小,水体的扩散能力、自净能力都出现了一定程度的下降,这就使得污染物在库区中的停留时间相对延长,从而导致库区中污染物的富集,这种现象在库区次级河流中尤为严重[5]。在流速下降、污染物浓度增加的环境条件下,近年来,三峡库区回水区内次级河流中藻华的频率呈明显的上升趋势,在危害库区生态环境的同时,给库区内人民群众的饮用水安全带来了一定的潜在威胁,因此对该问题有必要引起重视[5,6]。嘉陵江是库区内规模最大的次级河流之一,同时也是最重要的次级河流之一。嘉陵江主城段是重庆市主城区的重要取水水源,其水质的优劣对于主城区人民群众的健康有着重要影响。三峡大坝自156 m蓄水后,库尾回水区已上溯至嘉陵江主城段,从而对其水环境造成了巨大的影响。自蓄水后每年春季多次爆发硅藻藻华,使得水质有所下降,对饮用水安全造成了潜在威胁[7]。因此,为了应对藻华频繁爆发的现象,保障人们的饮用水安全,有必要对三峡库区嘉陵江主城段水体藻华的形成机制展开深入研究。
基于营养元素对藻类生长的重要影响,以往对三峡库区藻华的研究主要集中在对环境中营养盐种类及含量的监测与分析,营养盐及其相关因素对藻类生长的影响等方面。例如,张晟在三峡库区成库后不久,研究了库区内13条河流的营养盐及有机物的季节变化及输出,并着重分析了氮磷元素与水体叶绿素a的关系。张磊等同样对库区内的次级河流澎溪河中的营养盐和叶绿素含量进行了分析,并对不同季节下各参数的差异进行了对比分析[8,9]。然而,研究表明:三峡库区内的许多次级河流在整个调查期间水体的总氮(TN)、总磷(TP)指标均已达到富营养化状态,TN、TP的含量已经远超过藻类生长所必需的营养盐含量,而藻华并未爆发,氮、磷等营养盐虽然对于藻类生长有着重要作用,还有其他因素对藻华的爆发有重要影响[10]。因此,以藻类爆发性增长为特征的富营养化现象的影响因素及相关机理需进一步深入研究。(www.xing528.com)
有研究表明,除了要具备充足的营养盐物质外,藻类对营养盐的吸收和利用能力也是决定藻类能否快速生长的重要因素[11]。水体中的营养盐元素主要包括碳、氮、磷等多种元素,而每种元素的营养盐又具有不同的形态,部分形态的营养盐可以被藻类直接吸收利用,而另外一些形态的营养盐则需要通过相应的酶进行催化转化为具有生物可用性的小分子后,才能被藻细胞进一步利用[12]。例如,正磷酸盐是一种无机态的磷营养盐,其能被藻类直接吸收利用,而有机磷则是另外一种形态的磷,不能被藻细胞直接利用,需先通过碱性磷酸酶对其进行分解和矿化后才能被藻类利用[13]。在一般情况下,藻密度较低时水体中的正磷酸盐能充分满足其生长的需要。然而,在藻华爆发时,藻类快速增长的同时正磷酸盐被大量消耗,使得水体中缺乏正磷酸盐,此时,有机磷成为水体磷素的重要补充。藻类为了应对磷素缺乏的环境,会分泌大量的碱性磷酸酶将水体中的有机磷矿化为,进而加以利用[14]。上述研究表明,在藻华过程中,酶的催化在藻类的营养盐吸收利用过程中起到至关重要作用,酶是藻类转化和利用营养盐的有效工具。另一方面,研究表明营养盐浓度对酶的活性也具有一定的调控作用。有研究表明,作为酶的催化底物,有机态营养物质的增加会促进细胞分泌更多的酶,且可提高其催化活性,即所谓的“抑制-诱导机制”中的底物诱导[15,16]。较高的底物浓度和较低的产物浓度,会诱导酶活性至一个较高水平,反之酶活性则会降低。基于此,酶活性的高低可作为判断水体富营养化程度的重要指标。
综上所述,了解水体中酶的变化规律及作用机理,对深入了解碳氮磷等主要营养元素的循环过程,以及各元素对水体富营养化进程的影响机理有着重要帮助。基于酶与水体中营养元素及藻类生长间的关系,其可作为水体相关营养元素浓度的判断指标,也同时可作为水体富营养化程度的判断指标。对于嘉陵江主城段等三峡库区次级河流中近期出现的藻华现象,开展水体中常见酶活性的研究,进一步掌握酶活性与藻类生长、营养盐浓度之间的关系,有助于了解水体中酶的作用机理,进而深入了解藻华的形成机制。这对于指导三峡库区回水区内次级河流消落带的藻华预防及治理工作具有重要的意义,同时对其他淡水水体的藻华预防及治理工作有一定的借鉴意义。
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