水动力作用在水环境的演化中扮演着非常重要的角色，决定着营养盐、污染物质、泥沙与沉积物的传输与分布，对湖泊生态系统有着深远和复杂的影响，已经成为浮游植物动态变化、水华暴发的重要驱动因子(金相灿和屠清瑛，1990；颜润润等，2008a).近年来，一些学者在水动力对藻类生长的影响方面开展了大量的研究工作并取得了一定的进展，发现不同水动力条件对藻细胞生长的影响效果不同(Arin et al., 2001；Ding et al., 2007；王华和逢勇，2008；Long et al., 2011；李林和朱伟，2012).然而上述研究很少涉及水动力对颗粒物絮凝沉降藻细胞的影响方面的内容.

国内外学者研究了不同种类颗粒物对藻细胞絮凝沉降的影响，发现颗粒物与藻细胞的表面电性和粒度是影响它们絮凝效果的重要因子(Yu et al., 1995；孙晓霞等，1999；Pan et al., 2011a；Pan et al., 2011b).然而，从絮凝动力学的观点来看，水动力条件对上述颗粒物与藻类的絮凝效果也会产生重要的影响，决定着它们之间的碰撞效率.此外，絮体的成长和破碎过程几乎是同时进行的(刘明华，2011)，一般情况下，动水水流可以提高颗粒物的相互碰撞，促进絮凝作用的发生，同时动力水流又会产生剪切破坏作用，使得一些结合较弱的絮凝颗粒发生破碎(吴荣荣等，2007).

鄱阳湖承纳赣江、抚河、信江、饶河、修水五大河流，汇入长江，受五河、长江水位制约，沉积物颗粒含量高且变化复杂(马逸麟等，2003)，会对颗粒物絮凝藻细胞产生不同的作用效果，进而影响水华的暴发.针对上述问题，本文采用鄱阳湖悬浮颗粒物对湖泊中典型蓝藻、绿藻和硅藻进行絮凝沉降试验，研究悬浮颗粒物在不同静置时间、扰动强度(速度梯度)和时间作用下对上述絮凝沉降效果的影响，为鄱阳湖水华暴发的预测提供基础数据与理论支撑.

3种典型的藻类：铜绿微囊藻(Microcystis.aeruginosa，蓝藻)、四尾栅藻(Scendesmus.quadricauda，绿藻)、菱形藻(Nitzschia，硅藻)均分离于太湖，在培养温度为(25±1)℃、光暗比12 h ∶ 12 h、光照强度3000 lx条件下接于10 L的玻璃瓶中(9 L的培养基)扩大培养1周左右至对数生长期备用.

悬浮颗粒物采集自鄱阳湖(116°32′37″E，29°09′55″N)沉积物，冷冻保存带回实验室经自然风干、研磨、过筛(300目)制备成悬浮颗粒物存于封口塑料袋中置于4 ℃冰箱备用(侯秀富等，2013).絮凝沉降实验开始时，将该颗粒物配制成浓度为5 g · L^-1的悬浊液，并水化1 d以上进行投加.悬浮颗粒物粒径使用激光粒度分析仪(Mastersizer 2000)测定.颗粒物及藻类zeta电位使用zeta电位仪(Malvern，Zeta Sizer2000)测定，zeta电位结果见表 1.

表1(Table 1)

表1 颗粒物及藻类zeta电位 Table 1 Zeta potential of the suspended particulates and algae cells mV

表1 颗粒物及藻类zeta电位 Table 1 Zeta potential of the suspended particulates and algae cells mV M.aeruginosa S. quadricauda Nitzschia 颗粒物 -13.47 -12.40 -15.30 -21.97

采用智能型混凝试验搅拌仪(MY 3000-6，潜江梅宇仪器有限公司)进行悬浮颗粒物对藻类的絮凝沉降试验.试验程序如下：分别移取藻细胞密度为2×10⁶ cells · mL^-1、1.5×10⁶ cells · mL^-1和2.5×10⁶ cells · mL^-1的蓝藻、绿藻和硅藻各30 mL、40 mL、30 mL于该搅拌仪的1 L烧杯中，加入M₁₁培养基，使烧杯内藻液体积达到500 mL、藻细胞密度为10⁵ cells · mL^-1，控制温度为(25±1)℃、光照强度为3000 lx，投加悬浮颗粒物(空白对照组不投加颗粒物)进行絮凝沉降实验，每组两个平行.湖泊水动力条件的模式是通过改变混凝试验搅拌仪的搅拌转速和时间来实现.相应的试验条件见表 2.

表2(Table 2)

表2 絮凝沉降实验参数 Table 2 Experimental parameters for flocculation-sedimentation process

表2 絮凝沉降实验参数 Table 2 Experimental parameters for flocculation-sedimentation process 实验组别 悬浊液浓度/(mg·L-1) 静置时间/h 速度梯度/s-1 扰动时间/min 第一组 20 0.5、1.0、1.5、2、4 20 30 第二组 20 0.5 2、5、10、20、40 30 第三组 20 0.5 20 5、15、30、45、60

混凝搅拌结束后，迅速从烧杯取样口取100 mL混合液于100 mL的量筒中静置，静置结束后分别于液面下2 cm处取一定体积的上清液样品，用血球计数板(Minato TATAI)在光学显微镜下进行藻细胞计数，每次计数细胞30~300个，每个样品计数3次.用絮凝沉降效率(Flocculation-settlement efficiency，定义为FSE)反映颗粒物对藻类絮凝沉降效果，计算公式如下：

絮体图像分别采用显微镜(Olympus CX31)和图像采集软件(Algacount-Mx，Shineso)进行拍照和分析.

悬浮颗粒物粒度分布如图 1所示，中值粒径D₅₀为10.72 μm，1~5 μm、5~10 μm、10~15 μm、15~25 μm粒径的体积百分比分别为19.42%、24.38%、18.36%、21.02%.

图 1(Fig. 1)

图 1 悬浮颗粒物的粒度分布 Fig. 1 Suspended particulates size distribution

图 2是颗粒物和3种藻细胞形态及大小的光学显微照片，铜绿微囊藻细胞呈球形、椭圆形，1个或2个群体生长，细胞较小，直径5 μm.四尾栅藻细胞扁平，群体细胞并列直线排成一列或略作交互排列；细胞纺锤形，上下两端逐渐尖细，群体两侧细胞的游离面有时凹入，有时凸出，细胞壁平滑，一般成2个、4个或8个群体生长，单个细胞长9 μm，宽4 μm.菱形藻细胞为线型披针形，两侧边缘近平行，两端逐渐狭窄，末端楔形；菱形藻单细胞长15 μm，宽4.5 μm，在生长过程中会自然絮凝成团，体积和质量较大.

图 2(Fig. 2)

图 2 颗粒物及藻细胞的显微形貌 Fig. 2 The microscopic morphology of algal cells and particulate matter

图 3为颗粒物-藻细胞絮体的显微图像.a、c、e分别是铜绿微囊藻、四尾栅藻和菱形藻与颗粒物絮凝形成的絮体形态，相应的絮体大小分别约为100 μm、200 μm和300 μm.b、d、f分别是铜绿微囊藻、四尾栅藻和菱形藻单个絮体的放大图像，可以看到颗粒物与藻细胞通过相互粘连形成絮体.

图 3(Fig. 3)

图 3 颗粒物-藻细胞絮体显微形貌 Fig. 3 The microscopic morphology of particulate-algal cells floc

絮凝过程完成后，混合液需要经过一段时间的静置沉降而完成固液分离过程.在0.5~4 h内，随着静置时间的延长，3种藻细胞数量逐渐减少，沉降的藻细胞数量逐渐增多(图 4)；四尾栅藻和菱形藻的絮凝沉降效率随着静置时间的增加而减小，铜绿微囊藻的絮凝沉降效率先稳定后增大再减小(图 5).由图 4可见，不同静置时间下，相对于空白对照组，大部分藻细胞的密度均有不同程度的下降，而且，随着静置时间的延长，沉降程度开始逐渐增大然后趋于稳定.这种现象表明：悬浮颗粒物对藻类细胞具有絮凝作用，其中悬浮颗粒物对铜绿微囊藻和四尾栅藻的絮凝沉淀效果较为明显，而对菱形藻细胞在静置沉降1 h内有效果，超过1 h，藻细胞密度反而比空白对照样高.由图 5的絮凝沉降效率曲线的变化也可以看出：悬浮颗粒物对铜绿微囊藻和四尾栅藻的絮凝沉降效果明显大于菱形藻.铜绿微囊藻的絮凝沉降在2 h达到最大20.67%，之后开始下降；四尾栅藻和菱形藻的絮凝沉降效率在前0.5 h最大，随着静置沉降时间的延长均呈下降趋势.

图 4(Fig. 4)

图 4 不同静置时间下藻细胞密度变化 Fig. 4 Changes in algal cell density under different static duration

图 5(Fig. 5)

图 5 不同静置时间下藻类的絮凝沉降效率 Fig. 5 Flocculation-settlement efficiency of algae under different static duration

在模拟湖泊水力扰动条件下，藻细胞密度及絮凝沉降效率随速度梯度的变化见图 6、图 7.总体而言，2~40 s^-1范围内的扰动强度均促进藻类的絮凝沉降，并且随着扰动强度的增加，3种藻细胞的絮凝沉降效率均呈增大趋势.空白对照组与实验组的藻细胞密度在各扰动强度作用下均呈减少趋势，说明扰动强度有助于藻类的絮凝沉降.当速度梯度小于 10 s^-1，藻类的絮凝沉降效率增长较慢，随着速度梯度从10 s^-1增加到40 s^-1，藻类的絮凝沉降效率呈现较快的增长趋势.较大的扰动比较小的扰动更有利于藻类的絮凝沉降.铜绿微囊藻、四尾栅藻和菱形藻的絮凝沉降效率分别从2 s^-1时的15.37%、14.78%和8.97%增加为40 s^-1时的26.71%、23.79%和19.96%.相应的絮凝沉降效果顺序依次为铜绿微囊藻>四尾栅藻>菱形藻.

图 6(Fig. 6)

图 6 不同扰动强度作用下的藻细胞密度变化 Fig. 6 Changes in algal cell density under the action of different hydraulic agitation strength

图 7(Fig. 7)

图 7 不同扰动强度对藻类的絮凝沉降效率 Fig. 7 Flocculation-settlement efficiency of algae under different hydraulic agitation strength

依据表 2的参数进行扰动时间的影响实验，图 8和图 9分别列出了不同扰动时间下藻细胞密度和絮凝沉降效率的变化.在静置时间0.5 h、速度梯度20 s^-1时，5~60 min扰动时间范围均促进藻类的絮凝沉降，并且随着扰动时间的增加，3种藻细胞的絮凝沉降效率均呈先增大后减小的趋势.由图 8可见，相对于空白对照组，实验组的藻细胞密度变化值(静置后值-初始值)均较大，表明不同搅拌时间均促进颗粒物对藻细胞的絮凝沉降.从图 9絮凝沉降效率变化曲线可以看出： 30 min最有利于铜绿微囊藻的絮凝沉降，45 min最有利于四尾栅藻和菱形藻的絮凝沉降，三者的最大絮凝沉降效率分别为12.56%、11.93%和7.54%.30 min之前，铜绿微囊藻的絮凝沉降效率最大，菱形藻最小；30 min后，四尾栅藻的絮凝沉降效率最大，菱形藻最小.

图 8(Fig. 8)

图 8 不同扰动时间作用下的藻细胞密度变化 Fig. 8 Changes in algal cell density under different hydraulic agitation duration

图 9(Fig. 9)

图 9 不同扰动时间对藻类的絮凝沉降效率 Fig. 9 Flocculation-settlement efficiency of algae under different hydraulic agitation duration

颗粒大小及形状、颗粒所带电荷等对絮凝过程都会产生较为重要的影响(孙晓霞等，1999).颗粒的絮凝强弱与颗粒比表面积成正比，颗粒粒径越小，颗粒的比表面积越大，絮凝作用越强(李富根，2005).本研究中的小粒径颗粒物所占体积比较大(图 1)，因此颗粒物对藻细胞的絮凝沉降作用较明显.3种藻及颗粒物的zeta电位均为负值(表 1)，相互间会产生排斥作用，且电位的绝对值越大，排斥力越强；但颗粒物晶面上带负电荷而边缘带正电荷(颜润润等，2008b)，在水中会形成双电层(阮文杰，1991)，絮凝过程可能是由颗粒物的边缘与藻细胞结合发生.而且颗粒物与藻细胞的絮凝并不只是依赖于二者的静电排斥力，还与范德华力、架桥作用以及布朗运动、流体切变、差速沉降等有关(Stumm and Margan， 1987).藻细胞表面会分泌粘性的胞外多糖，具有固沙及粘附作用(Robins et al., 1986；鲍康德等，2005).Fattom等指出，藻细胞由于表面胞外多糖依附于沉积物表面，与水体中的悬浮颗粒物结合发生共沉淀(Fattom and Shilo， 1984).本研究中颗粒物对铜绿微囊藻细胞的絮凝沉降效果最大，可能与微囊藻细胞表面胞外多糖的分泌量较多有关.另外，悬浮颗粒物发生絮凝时，也可能夹带包裹藻细胞共同沉降.

在2~40 s^-1速度梯度范围内，随着扰动强度增加，3种藻的絮凝沉降效率增加.搅拌引起水体流动，流动状态是发生同向絮凝的水动力学条件(刘明华，2011).在絮凝过程中，沉积物颗粒投到藻细胞培养液中，在温和的扰动条件下，沉积物颗粒首先进行分散，然后再与藻细胞接触碰撞，发生絮凝.低于10 s^-1的絮凝沉淀效率增长较慢，而大于10 s^-1的增长较快，是因为实验速度梯度范围处于絮凝操作的慢速搅拌的范围内，是同向絮凝为主的动力学过程，因此速度梯度越大，越有利于絮凝过程(常青，2011；徐晓军，2005).周海等(2007)进行了细颗粒泥沙絮凝沉降实验，研究了细颗粒泥沙动水絮凝沉降的基本特性，指出细颗粒泥沙在流动盐水中运动时，碰撞絮凝作用与剪切破碎作用同时存在，且都带有一定的随机性.絮凝体在下沉过程中可多次经受剪切破碎和碰撞再絮凝的作用，当流速相对较小时碰撞絮凝作用占优势.这与本研究结果相似.

在动力搅拌阶段，由于机械扰动使得体系一直处于运动状态，故体系以同向絮凝为主.同向絮凝效果不仅与速度梯度G有关，还与絮凝时间T有关.在絮凝沉降阶段，通常以G值和GT值作为控制指标，平均G=(20~70)s^-1范围内，平均GT=1×10⁴~1×10⁵范围内(严煦世和范瑾初，1999).本组试验G=20 s^-1，所以GT为6×10³~7.2×10⁴，G值和GT值均在要求范围内，所以能够发生絮凝作用.刘明华(2011)研究认为混凝的最佳反应时间T一般在10~30 min，适当搅拌时间使絮凝体逐渐形成并由小变大，絮体生长逐渐达到极限；缩短搅拌时间会使颗粒间的碰撞接触机会和颗粒运动减少，絮体来不及形成或变大；延长搅拌时间会使颗粒间的碰撞机会增多，同时增加水流的剪切力，致使已经形成的絮体被多余的扰动破碎，降低絮凝沉降效率(刘恋，2010；Moss and Dymond， 1978).

水动力条件是很多湖泊水华发生的重要影响因素，水动力降低会增加水华发生风险，如汉江水华就是在下游流量较少、流速较缓慢的时段发生的(Xie et al., 2004)，太湖蓝藻水华暴发一般均在稳定大风作用过后的小风或静风、天气晴朗时段(张毅敏等，2007)，说明缓慢水流有利于水华的暴发.在天然水体中，水动力增加可使水体悬浮颗粒物与藻细胞发生复杂的絮凝沉降作用，同时水动力增大也会增加水体颗粒物含量.颗粒物及藻细胞的大小、形态、浓度、zeta电位以及水流剪切力等都会对颗粒物絮凝沉降藻细胞造成影响(王洪亮，2010)，水动力对藻类的絮凝沉降存在多方协同作用，如水动力增加会增大水体剪切力，改变颗粒物的大小、形态，增强颗粒物的碰撞效率等，从而影响絮凝沉降效率.水动力增大会使沉积物再悬浮，增加水体颗粒物浓度，增大颗粒物与藻类的碰撞几率，有可能降低水华发生风险.与其它两种藻细胞相比，铜绿微囊藻的絮凝沉降效率最大，这会使微囊藻水华发生的可能性小于四尾栅藻和菱形藻.

鄱阳湖作为大型通江湖泊，其氮磷含量虽然较高，但湖体流速大，水力停留时间短，目前浮游植物群落仍然以硅藻占据优势(王艺兵等，2014)，尚未发生过大规模蓝藻水华.水体流速较大(Pan et al., 2009)、水量交换快，水力停留时间较短(Zhu and Zhang， 1997；Wu et al., 2014)，水位变化幅度较大、浮游植物光合作用受限(Wu et al., 2013)等是目前认为尚未发生大规模蓝藻水华的原因.本研究进一步说明水动力会影响颗粒物与藻细胞尤其是与蓝藻细胞的絮凝沉降作用，并影响蓝藻在湖泊形成优势及水华的发生.

1)藻细胞性质、颗粒粒径及zeta电位等不同，使悬浮颗粒物对不同藻类絮凝沉降效果不同.铜绿微囊藻、四尾栅藻的絮凝沉降效果优于菱形藻，菱形藻的絮凝沉降效果较差.

2)在实验设置的2~40 s^-1速度梯度范围内，3种藻类的絮凝沉降效率随着扰动梯度的增加均呈增长趋势，相应的絮凝沉降效果顺序依次为铜绿微囊藻最佳，四尾栅藻居中，菱形藻最差.

3)5~60 min范围内扰动时间均促进3种藻的絮凝沉降且存在一定的差异性.短时(5 min)和长时(60 min)扰动对3种藻类的絮凝沉降作用较小，中等时间(15~45 min)的扰动有利于藻类的絮凝沉降.