酶学角度揭示消落带藻华形成机制

对于以藻华为代表的富营养化现象，以往国内外的研究主要集中在通过营养盐、常规水质指标、气象数据、水文条件等方面对藻华的发展及过程进行研究分析。例如Becker等基于气象遥感数据和现场实测数据，结合统计学方法对北美五大湖的藻华发生地点和时间进行监测和分析[76]。Yabunaka等选取水体营养盐含量、叶绿素a浓度等环境指标因素，结合人工神经网络的方法对藻类的生长进行研究分析，借助营养盐等参数可在较短时期内对藻华的发展趋势进行判断[77]。然而，营养盐等虽为藻类生长所必需的要素，但越来越多的研究表明，许多水体的营养盐浓度对藻类生长的影响作用有限。例如太湖水域藻华爆发频繁，然而有研究表明其水体N/P比高达36.6，为严重磷限制水体[78]。在对三峡库区水体的调查中人们发现，多条次级河流水体的总氮、总磷指标均已达到富营养化状态，甚至远超藻类大规模生长所需的最低营养水平，藻华却未发生。张勇等在对嘉陵江重庆段水体氮磷元素及浮游植物生物量的调查中发现，氮素及磷素的浓度均远超出了富营养化的阈值，同时水体浮游植物生物量与TN、TP浓度之间相关性较低[75]。邱光胜等在对库区内数条支流富营养化及藻华现状研究后，得出大多数支流水体中营养盐并非藻类生长的限制性因子，藻类生长受到其他相关因子的多重影响[10]。上述研究表明，营养盐含量与藻生物量的相关性并不显著，因此藻华现象及其影响因素需要更深层次的研究。

由水生态系统失衡引发的特定藻种大规模增殖现象即富营养化现象。一方面，假如营养盐较为缺乏，水体将难以发生藻类大规模增殖的现象；另一方面，虽然水体各营养元素浓度达到藻类爆发性增长的最低阈值，但由于各营养元素均具有多种形态，而只有特定形态的营养盐能被藻类利用[12，13]，如果藻类无法对水体营养元素进行充分利用，也不会发生富营养化现象。因此，为了充分了解水体富营养化的发生条件以及藻华的形成机制，除了需要了解水体中各营养盐的浓度之外，还需要对水体中各营养盐的形态分布及藻类对营养盐的利用能力进行分析。

研究表明，藻类对营养盐的利用能力与水体中酶的活性相关，酶是藻类利用营养盐的关键物质，在营养盐的转化过程中，酶可将难以被藻类直接利用的碳、氮、磷物质形态转化为可被藻类直接吸收的形态，各营养元素进而被藻类同化为自身有机质，这同时也是元素循环中至关重要的步骤[79]。因此，藻类的生长及其对营养元素的利用能力与水体中相应酶活性的高低紧密联系。当前，有关藻类对营养元素利用的研究主要集中在水体“活性营养盐”可直接利用的营养盐对藻类生长的促进作用上，例如张胜花等研究了铜绿微囊藻在不同氮磷营养条件下，对正磷酸盐的利用规律，并对二者间的关系进行了探讨[80]。然而，在藻类爆发性增长时，水中的活性营养盐在某些情况下并不能完全满足藻类生长的需要，因此其将会快速被消耗，此时其他“惰性”形态的营养盐的转化将成为藻类所需营养盐的另一重要来源。有机营养盐即为“惰性”形态营养盐之一。金相灿等对比了藻类对有机磷和无机磷的吸收特点，发现有机磷可被藻类利用，且藻类对不同形态磷素吸收的特点具有一定差异性[13]。钱善勤等探索了部分有机磷对小球藻等的影响，发现藻类对不同有机磷的利用特点有所差异[14]。Huang等在对藻类有机磷利用过程分析后，得出碱性磷酸酶是藻类利用有机磷的主要工具；同时，国外众多研究人员也证实了酶在不同形态营养盐利用过程中的重要作用[81-83]。酶作为营养盐转换的重要催化物质，其活性的高低在一定程度上决定了藻类对营养盐的利用能力，从而进一步影响了水体富营养化的进程。

当前，关于酶在水体富营养化中的作用研究已有一些报道。由于水中酶活性与富营养化程度密切相关，水体酶活性成为了探索富营养化成因的重要方向[84]。1984年，南斯拉夫的Matavulj等对Borkovac湖、Ludos湖、Palic湖、Ljukovo湖、Zobratica湖、Danube-Tisa-DTD运河系统，以及Tisa河的水体碱性磷酸酶活性（APA）和各常规水环境指标进行了系统的监测与跟踪；研究发现，包括浮游生物的生物量、水体富营养化程度等指标与APA之间有显著的正相关关系。张宇等[85]对长江中下游湖泊中沉积物的主要酶活性与富营养化之间的关系进行了研究，研究表明过氧化物酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶等酶的分布与活性均受富营养化程度的影响，因此以上各酶活性对于水体的营养化情况同样具有指示性作用。Mhamdi、Boge等[84，86]的研究表明，当湖泊及水库中藻类大量繁殖时，由于无机磷的迅速消耗使得水体中的磷素极度缺乏，此时磷源的缺乏大多依靠藻类分泌碱性磷酸酶对水体中的有机磷进行水解从而得以补给。研究人员对稻田中蓝藻的群落组成进行了研究，发现其种群分布受到氮素的形态及含量的影响，而这种关系由与氮循环有关的酶进行调节；在硝酸还原酶等酶的作用下，氮素将会逐步还原并最终合成有机质，从而影响不同藻类的生长[87-89]。自然界中碳素主要通过光合作用被植物所固定，研究发现，在藻类光合作用过程中，碳酸酐酶对CO2的富集与固定有着重要作用，在碳酸酐酶的作用下，CO2作为碳源被植物利用，最终合成胞内的各类有机物[90-92]。

当前，通过酶活性以判断藻类生长状况的研究也获得了一定关注。解军等[93]对脱氢酶活性检测法在藻类检测中的应用进行了研究，通过对各实验因素和实验条件的设定，包括比色波长、萃取剂、萃取时间、pH值、还原剂及其浓度、制作标准曲线和活性检测时的反应时间、水浴温度、终止剂、TTC浓度等因素，从而获得在不同条件下各因素TTC-脱氢酶活性检测的影响，并以此对检测步骤进行优化；在此基础上，分析利用TTC为人工受氢体的藻类与TTC-脱氢酶活性间的关系，并进一步建立利用TTC-脱氢酶活性测定水中藻生物量的方法。Shu Harn Te等[94]采用分子生物技术和酶联免疫吸附法分别测定新加坡克兰芝热带水库中蓝藻和微囊藻生长状况随时间的变化情况，借助聚合酶链反应和定量多聚酶链反应，可以鉴定水体中的藻种及其生物量大小；检测结果表明，水库的水中存在微囊藻和鱼腥藻，其平均浓度分别为4.16×106基因/mL和4.47×104基因/mL，且二者相互关联（P<0.01）。(www.xing528.com)

以上研究均为通过酶的活性或借助酶的作用来判断水体中藻类的生长状况，然而其未能将藻类生长、酶活性与水体中主要营养元素的形态及含量联系起来。碳循环、氮循环及磷循环是三类重要的地球化学循环，其中氮、磷为藻类生长所必需的营养元素，而碳元素为构成藻细胞有机质的重要元素，因此，这三类元素均为水体中影响藻类生长的主要元素。在不同水环境中，参与碳、氮、磷循环的相关酶种类繁多，其中最为关键的酶主要有碳酸酐酶、硝酸还原酶和碱性磷酸酶。其中碳酸酐酶在藻类生长中主要用于催化CO2和之间的转换，在无酶的作用下CO2和之间转化速率非常缓慢，而在碳酸酐酶的催化下，CO2和之间的相互转化速率大大提高，从而促进藻类对碳素的固定及藻类生长[95，96]。参与磷循环的碱性磷酸酶是一种诱导酶，当水体中无机磷含量较低时，浮游生物和细菌等将被诱导分泌大量碱性磷酸酶，从而促进水体可溶性有机磷水解并释放无机磷，供水体中藻类吸收利用，从而促进其生长[14]；另一方面，当水体溶解性活性磷（SRP）含量较高时，由于其为碱性磷酸酶的催化底物，则碱性磷酸酶活性将受到抑制，从而降低有机磷的水解速率。作为典型的氧化还原酶，硝酸还原酶对氮循环中的限速步骤起到催化作用，其可催化硝酸根还原为亚硝酸根[97-99]；硝酸还原酶广泛存在于植物、浮游生物和细菌等生物体内，对于氮素的还原及含氮有机大分子的合成起到重要的作用[100，101]；作为整个过程的限速酶，其催化速率对硝酸盐的同化过程有重要影响[102，103]。以上酶的催化底物均为有机物、硝酸盐、二氧化碳等藻类难以直接吸收的物质，在藻类生长过程中由于缺乏可直接利用的营养元素，而这类物质将会被酶催化转变为可被藻类直接吸收的活性营养物质。因此，酶的分布往往反映了水体营养元素的形态分布、营养元素的浓度以及藻类对营养物质的需求等。在无机营养缺乏时，酶的活性会升高，其原因为：浮游植物为获得更多的营养，可大量分泌酶促进难吸收物质转化为可直接利用的营养物质，从而满足浮游植物生长的需求[104]。基于这个特点，有报道指出，水体中酶浓度及其活性可作为判断营养元素是否缺乏的依据[15，86]。并且，S.Newman等人通过研究湿地富营养化中碱性磷酸酶活性的分布规律，认为酶的活性可作为富营养化的早期指示物，在富营养化预测中具有一定的潜在应用价值[105]。因此，将水体中碳酸酐酶、硝酸还原酶、碱性磷酸酶作为碳、氮、磷元素含量的指示物，并进一步将酶活性作为藻华的早期预警指标的研究有待深入开展。

基于酶活性在富营养化中的潜在应用价值，富营养化中酶活性的影响因素值得进一步研究。调节酶活性的因素一般包括六个方面，即水温、pH、底物浓度、酶浓度、激活剂以及抑制剂[12]。而目前人们主要集中关注于营养元素即底物浓度对酶活性的调节作用。一般认为，营养盐浓度在藻类快速增殖过程中对酶活性的调节十分重要，营养盐底物的增加可以诱导酶的产生与分泌[15，16]。因此，酶活性的大小可以对水体中营养物质浓度高低起到指示性作用。同时，酶活性的大小还能够对浮游生物有关营养物质的利用程度及各营养物质有关浮游生物生长的相对贡献进行指示。然而，水体中酶活性的大小受到众多因素的影响，除底物浓度外，其他因素的影响也不可忽视，将各酶活性的影响因素结合起来研究酶活性的变化规律有待开展。

在本书中，嘉陵江主城段水体作为三峡库区回水区内的水域，其消落带水环境条件受到三峡水库蓄水量的影响，因而藻华爆发的频率也大幅上升，爆发种类及季节均较蓄水前有显著变化。自2009年持续至今的175 m试验性蓄水，为嘉陵江主城区的水质及生态保护带来了持续性的考验。为了解决嘉陵江主城段乃至三峡库区内的富营养化问题，研究人员在水文特征、营养盐浓度等因素变化对藻类生长的影响程度方面进行了大量研究，然而并不能完全解释库区内藻华的爆发规律。因此，本书将三峡库区嘉陵江主城段作为研究对象，通过对嘉陵江主城段水体中藻类营养盐利用过程中所涉及的常见酶活性进行调查研究，结合实验室模拟实验的验证，从酶学、分子学等多个角度，对河道型水库中藻华的机理、藻类对水中营养物质的利用机制等进行探讨。并且得出了各环境因素对嘉陵江主城段水体藻华的综合影响方程，在此基础上建立了藻华易发期藻华预测模型，证实了水体酶活性不仅可以作为水体富营养化的判断依据，还能够作为藻华的早期预警指标，从而为科学预测河道型水库次级河流中各时期藻华的产生，采取相应措施从而减少其带来的负面影响提供了新的手段，为保障主城区饮用水源及保护水生态提供了理论依据。