水体颗粒物主要包括矿物质、粘土、有机颗粒物、生物残骸和包裹有机物的无机颗粒物(Lu and Allen， 2006).水体颗粒物影响藻类的生长.一般而言，水体颗粒物对藻类生长影响的3个途径分别为：影响光照、絮凝藻细胞和氮磷释放等(Bilotta and Brazier， 2008).已有研究表明，水体颗粒物的性质、浓度、尺寸和zeta电位等均会影响其对藻细胞的絮凝沉降效果，通过改变颗粒物表面性质：zeta电位、化学键、有机质结构等，可以提高它们对藻细胞的絮凝沉降效果，从而降低蓝藻水华的发生风险(Pan et al., 2006a；Pan et al., 2006b；Zou et al., 2006；Pan et al., 2011a；Pan et al., 2011b).此外，水体颗粒物通过改变光照及氮磷释放等途径影响藻类生长过程(龚玲等，2006；姜霞等，2011；Hu et al., 2011).

鄱阳湖承纳五河来水，流入长江，属于过水性湖泊，其中的颗粒物含量高且变化复杂(马逸麟等，2003)，其对藻类的生长必然产生相应的影响.本研究中的水体颗粒物为鄱阳湖的沉积物，藻类为湖泊中典型的蓝藻(铜绿微囊藻)、绿藻(四尾栅藻)和硅藻(菱形藻)，通过絮凝试验研究水体颗粒物对这些藻类生长及絮凝的影响特征，分析水体颗粒物粒径、浓度、体系pH等因素对上述絮凝过程的影响，为鄱阳湖水华预测分析提供参考.

实验藻种为鄱阳湖含量较多的蓝藻——铜绿微囊藻(M.aeruginosa)、绿藻——四尾栅藻(S.quadricauda)和硅藻——菱形藻(Nitzschia)，均分离于太湖.将藻种接在10 L的玻璃瓶中(9 L的培养基)，在温度为(26±1)℃，光照强度为2600 lx，光暗比为12 h/12 h的人工气候室中进行曝气培养直至对数生长期备用.

水体颗粒物采集自鄱阳湖(116°32′37″E，29°09′55″N)沉积物，冷藏运至实验室后冷冻(-20 ℃)保存.样品经自然风干后研磨、分别过筛60目、100目、200目、230目和300目，于聚乙烯袋中冷藏保存.絮凝实验开始前，采用去离子水将颗粒物配制成5 g · L^-1的悬浊液备用.颗粒物粒径使用激光粒度分析仪(Mastersizer 2000)测定，结果见表 1.

表1(Table 1)

表1 颗粒物粒径分布 Table 1 Size distribution of suspended particulates

表1 颗粒物粒径分布 Table 1 Size distribution of suspended particulates 过筛目数/目 中值粒径 D50/μm 颗粒物不同粒径所占百分比 1~5 μm 5~10 μm 10~15 μm 15~25 μm 25~50 μm 50~100 μm 100~200 μm 200~300 μm 300 10.720 19.42% 24.38% 18.36% 21.02% 13.14% 0.5% 0 0 230 12.472 16.79% 21.92% 16.50% 20.66% 16.92% 3.44% 0.77% 0.33% 200 14.321 15.48% 19.16% 14.45% 17.48% 12.96% 2.13% 0.27% 0 100 20.588 13.36% 13.84% 10.53% 16.07% 22.50% 13.55% 6.27% 0.71% 60 22.924 12.58% 12.96% 9.91% 14.64% 20.37% 13.90% 5.34% 1.16%

悬浊液中初始总氮(TN)、总磷(TP)采用过硫酸钾消解法和钼锑抗分光光度法测定，可溶性总氮(DTN)、可溶性总磷(DTP)用0.45 μm滤膜过滤后测定(国家环境保护总局，2012).颗粒物及藻类zeta电位使用zeta电位仪(Malvern，Zeta Sizer2000)测定，测定结果见表 2、表 3.藻细胞密度采用血球计数板(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.

表2(Table 2)

表2 悬浊液中氮磷浓度 Table 2 The content of nitrogen and phosphorus in the suspensions

表2 悬浊液中氮磷浓度 Table 2 The content of nitrogen and phosphorus in the suspensions mg · L-1 TN DTN TP DTP 0.62 0.45 0.05 0.017

表3(Table 3)

表3 颗粒物及藻类zeta电位 Table 3 Zeta potential(mV)of the suspended particulates and algae cells

表3 颗粒物及藻类zeta电位 Table 3 Zeta potential(mV)of the suspended particulates and algae cells mV M.aeruginosa S. quadricauda Nitzschia 颗粒物 -13.47 -12.40 -15.30 -21.97

在含200 mL藻培养液的500 mL锥形瓶中接入pH=8条件下对数生长期的藻，藻细胞密度10⁵ cells · mL^-1.然后分别将一定体积2.2.1节中的悬浊液加入上述的锥形瓶中，相应的颗粒物(300目)浓度分别为20 mg · L^-1和80 mg · L^-1(鄱阳湖悬浮颗粒物浓度范围)，并设置一个颗粒物浓度为0 mg · L^-1的空白样品作为对照组，每组设置2个平行.将上述各锥形瓶置于温度(26±1)℃，光照强度2600 lx，光暗比12 h/12 h的人工气候室进行培养，每天人工振荡6次.从接种的第1天开始计数，每2 d取样1次，绘制藻生长曲线，观察藻类生长情况.

采用混凝试验搅拌仪进行颗粒物絮凝沉降藻类的试验，相应的实验程序如下：①颗粒物粒径对藻细胞絮凝沉降的影响：取pH=8条件下对数生长期的藻液500 mL至搅拌仪1 L烧杯内，藻细胞数10⁵ cells · mL^-1.搅拌开始后迅速将不同粒径颗粒物(60目、100目、200目、230目、300目)悬浊液分别加入藻液，颗粒物浓度20 mg · L^-1.设置搅拌强度G=21 s^-1，搅拌时间30 min，搅拌结束后迅速从取样口取样100 mL于量筒中静置，静置沉降时间30 min后，于液面下2 cm处取上清液在显微镜下计数，并计算絮凝沉降效率.②颗粒物浓度对藻细胞絮凝沉降的影响：搅拌开始后迅速将混匀后的颗粒物(300目)悬浊液加入烧杯中，藻液相应颗粒物浓度分别为0、0.02、0.08、0.16、0.32、0.64、1.28 g · L^-1，其他操作与第一阶段相同.③悬浊液pH对颗粒物絮凝沉降藻细胞的影响：将藻液pH分别调至6、7、8、9、10，搅拌开始后迅速将混匀后的300目颗粒物悬浊液加入烧杯中开始实验，颗粒物浓度20 mg · L^-1，其他操作与第一阶段相同.

用絮凝沉降效率反映颗粒物对藻类絮凝沉降效果，计算公式如下：

对鄱阳湖全湖布点，于各点位取样测定鄱阳湖悬浮颗粒物浓度(SS)，测定结果如图 1所示.结果显示，鄱阳湖SS范围15.7~153.5 mg · L^-1，平均颗粒物浓度58.9 mg · L^-1.因此本实验选取20 mg · L^-1和80 mg · L^-1作为鄱阳湖低颗粒物浓度和高颗粒物浓度.

图 1(Fig. 1)

图 1 鄱阳湖悬浮颗粒物浓度 Fig. 1 Concentrations of suspended particulates in Poyang Lake

图 2为鄱阳湖低浓度和高浓度颗粒物对藻类生长的影响曲线.可见，2种浓度颗粒物对3种藻类的生长影响较小.在20 mg · L^-1和80 mg · L^-1颗粒物浓度作用下，铜绿微囊藻和四尾栅藻的生长曲线与空白对照样品差别不大(图 2a、b)，菱形藻的生长受到一定的抑制，且80 mg · L^-1颗粒物时，菱形藻的生长提前进入衰亡期(图 2c).

图 2(Fig. 2)

图 2 两种浓度颗粒物影响下藻类的生长曲线(a.铜绿微囊藻，b.四尾栅藻，c.菱形藻) Fig. 2 Growth curve of algae in different particulates contents(a. M.aeruginosa. b. S.quadricauda，c. Nitzschia)

3种藻细胞静置沉降后的藻细胞密度均小于初始值，并且与对照组相比，藻细胞密度变化均较大(图 3)，说明不同粒径颗粒物均促进藻类的絮凝沉降.随着颗粒物目数的减小，即颗粒物粒径的增加(表 1)，3种藻细胞的絮凝沉降效率逐渐减小(图 4).相对于空白对照组，铜绿微囊藻和四尾栅藻的藻细胞密度变化较大，而菱形藻细胞密度变化则较小.从图 4也可看出，铜绿微囊藻的絮凝沉降效率最大，四尾栅藻次之，菱形藻最小.当颗粒物过300目(D₅₀=10.72 μm)时，3种藻类的絮凝沉降效率分别为26.85%、21.54%和20.50%，而当颗粒物过60目(D₅₀= 22.924 μm)时，对应的絮凝沉降效率分别降为10.57%、8.20%和5.65%.说明颗粒物粒径越小，藻类的絮凝沉降效率越大.

图 3(Fig. 3)

图 3 不同粒径颗粒物作用下的藻细胞密度变化 Fig. 3 Changes in algal cell density with the particulate size in suspension

图 4(Fig. 4)

图 4 不同粒径颗粒物对藻类的絮凝沉降效率的影响 Fig. 4 Effect of particulate size in suspension on the flocculating efficiency of algae

不同浓度颗粒物作用下，3种藻细胞静置沉降后的藻细胞密度均小于初始值(图 5)，并且与空白对照组相比，3种藻细胞密度变化均较大，说明不同浓度颗粒物均促进藻类沉降.在0.02~1.28 g · L^-1浓度范围内，3种藻的絮凝沉降效率随着颗粒物浓度的增加呈增大趋势(图 6).铜绿微囊藻和四尾栅藻的藻细胞沉降速度较慢，而菱形藻细胞沉降速度较快，但菱形藻的絮凝沉降效率却偏小，说明菱形藻细胞以自身沉降为主.在颗粒物浓度为0.02 g · L^-1时絮凝沉降30 min后，铜绿微囊藻、四尾栅藻和菱形藻的絮凝沉降效率仅为11.08%、15.87%和7.50%.颗粒物浓度升至0.32 g · L^-1时，3种藻的絮凝沉降效率为22.31%、37.15%、27.24%.而当颗粒物浓度升至1.28 g · L^-1时，3种藻的絮凝沉降效率分别达42.33%、41.72%、28.98%.

图 5(Fig. 5)

图 5 不同浓度悬浊液下藻细胞密度变化(a.铜绿微囊藻，b.四尾栅藻，c.菱形藻) Fig. 5 The algal cell density change under different concentration of suspension(a. M.aeruginosa. b. S.quadricauda，c. Nitzschia)

图 6(Fig. 6)

图 6 不同浓度悬浊液对藻类的絮凝沉降效率 Fig. 6 Flocculating efficiency of algae under different concentrations of suspension

不同pH悬浊液对藻类絮凝沉降的影响效果见图 7.随着pH值的增大，铜绿微囊藻和四尾栅藻的絮凝沉降效率均逐渐变差，菱形藻则趋于稳定.pH值从6增加到7时，3种藻的絮凝沉降效率变化不明显，pH值从7增加到10时，铜绿微囊藻和四尾栅藻的絮凝沉降效率急剧减小，菱形藻的絮凝沉降效率始终变化不大.pH值为6时，铜绿微囊藻、四尾栅藻和菱形藻的絮凝沉降效率分别为36.10%、35.07%和17.80%，pH值升至10时，3种藻的絮凝沉降效率分别下降为16.25%、12.59%和10.31%.由此可见，颗粒物在微酸性条件下絮凝沉降铜绿微囊藻和四尾栅藻效果较好，在pH 6~9范围内对菱形藻的絮凝沉降效果影响较小.

图 7(Fig. 7)

图 7 不同pH悬浊液对藻类的絮凝沉降效率 Fig. 7 Flocculating efficiency of algae under different pH of suspension

实验中，20 mg · L^-1和80 mg · L^-1的颗粒物对3种藻类的生长影响并不大.由于培养液中的氮磷含量充足(表 2)，且实验在500 mL锥形瓶中进行，锥形瓶为透光玻璃瓶，虽然体系中有颗粒物，但此体系为光照均一体系，因此低浓度颗粒物在此体系中对光照的阻碍作用并不大，对藻类光合作用影响也不大，对3种藻类生长影响很小.对鄱阳湖半年的野外实地监测显示，悬浮颗粒物浓度范围15.7~153.5 mg · L^-1(图 1)，说明实际湖体中，此颗粒物浓度范围通过光照对藻类生长的影响较小，颗粒物可能通过对藻细胞的絮凝沉降作用影响鄱阳湖藻类的生长.

藻细胞表面性质、藻细胞大小、体积以及颗粒物性质、大小、浓度等均会影响颗粒物与藻细胞的絮凝效果.藻细胞表面会大量分泌胞外多糖(Extracellular polysaccharides，EPS)，胞外多糖是一种粘性物质，具有固沙及粘附作用(Robins et al., 1986；鲍康德等，2005；任欣欣等，2013).Fattom和Bar-Or等(Fattom and Shilo， 1984；Bar-Or and Shilo， 1987)指出，藻细胞由于表面胞外多糖的疏水性能依附于沉积物表面，与水体中的悬浮颗粒物结合发生共沉淀.本研究中颗粒物对3种藻细胞的絮凝沉降作用不同，可能与藻细胞表面胞外多糖的分泌量有关.不同目数筛分后的颗粒物粒径分布不同(见表 1)，中值粒径D₅₀越大，粒径在1~25 μm部分的颗粒数目越小.而随着颗粒物粒径的增加，3种藻的絮凝沉降效率降低，可见1~25 μm颗粒物对藻类的絮凝沉降作用较强.李富根也指出，一般情况下，对同一类颗粒物而言，其粒径越小，比表面积和表面能越大，因而更易与藻细胞发生粘附絮凝作用(李富根，2005).

颗粒物浓度的增加，有利于藻类的絮凝沉降.单位体积中颗粒物数目的提高，会使小粒径颗粒物数量增多，颗粒物与藻细胞之间发生碰撞的几率增加，还会使藻细胞粘附颗粒物数量增多，从而提高絮凝沉降效率.鄱阳湖是一个过水型湖泊，4月起，五河进入汛期，流入鄱阳湖颗粒物骤增.7~9月长江大汛期间，入湖颗粒物大部分淤于湖内.10月以后，湖水随长江洪水退落而泄量增加，颗粒物出湖量大于入湖量(马逸麟等，2003).三峡工程建成后，随着下泄流量增加，鄱阳湖提前涨水，流速增加，入湖颗粒物含量增加(王云飞，1994).因此鄱阳湖悬浮颗粒物含量较高且随湖流变化复杂，促进藻类的絮凝沉降，从而改变着水华发生风险.湖体流速较大的区域，水量交换快，影响蓝绿藻聚集，不易形成水华(颜润润等，2008).鄱阳湖至今未暴发水华可能与悬浮颗粒物浓度较高及流速较大有关.

如图 8所示，pH增加导致藻类与颗粒物的zeta电位降低，使得越来越多的OH^‐吸附到藻细胞及颗粒物表面，使二者的负电荷逐渐变大，排斥力也逐渐增大，降低了颗粒物与藻细胞的絮凝沉降效果，因此铜绿微囊藻和四尾栅藻的絮凝沉降效率逐渐变差.菱形藻的絮凝沉降效率随着pH值的升高变化程度较小，这可能是因为菱形藻在生长过程中会形成絮团，主要以自身沉降为主.夏秋是水华的高发季节，蓝藻适宜在偏碱性的水体中生长，绿藻具有较强的耐酸耐碱性，对pH适宜范围较广，硅藻适宜偏中性的水体(杨波等，2007).pH增大，水体呈碱性，适合铜绿微囊藻和四尾栅藻生长.而在碱性条件下，颗粒物对藻类的絮凝沉降作用降低，有利于藻类大量繁殖形成水华，所以在颗粒物作用下，保持鄱阳湖水体在中性或微酸性环境下不易暴发水华.

图 8(Fig. 8)

图 8 不同pH下藻类及颗粒物的zeta电位 Fig. 8 Zeta potential of algal and the particles under different pH

1)在小型光照均一体系中，鄱阳湖颗粒物浓度对藻类的生长影响较小.

2)悬浮颗粒物对藻类絮凝沉降效果不同，蓝藻、绿藻的絮凝沉降效果优于硅藻.悬浮颗粒物粒径、颗粒物浓度，体系pH均影响悬浮颗粒物对藻类的絮凝沉降.在速度梯度为20 s^-1，搅拌时间为30 min时，60~300目粒径范围内，颗粒物粒径越小，3种藻的絮凝沉降作用越显著.0.02~1.28 g · L^-1浓度范围内，浓度越大，3种藻的絮凝沉降效果越明显.pH 6~10范围内，pH越大，蓝藻、绿藻的絮凝沉降效率越大，硅藻的絮凝沉降效率无显著变化.