利用绿藻Ulva lactuca（绿藻门）对富营养化沿海泻湖中的生物修复过程进行建模

《Marine Pollution Bulletin》：Modeling bioremediation in eutrophicated coastal lagoons by the green seaweed Ulva lactuca (Chlorophyceae)

本研究针对里约热内卢Piratininga潟湖富营养化问题，构建了静态和动态两种基于海白菜（Ulva lactuca）的生物修复模型。静态模型通过60天培养（初始生物量70 kg）模拟水体中氮磷去除量分别为123.14 kg和18.42 kg，需8个月完成修复；动态模型结合水流与沉积物营养输入，周期缩短至40天。尽管模型存在简化假设，但验证了海白菜在富营养化水体中高效的生物修复潜力，为后续工程优化提供了理论依据。

　　本研究聚焦于通过宏藻生物修复技术改善巴西里约热内卢州尼特罗伊市的皮拉廷加泻湖的富营养化问题。富营养化是水体生态系统中常见的环境问题，主要由于过量的氮和磷进入水体，导致藻类过度繁殖，进而引发水体缺氧、生物多样性下降以及水质恶化。针对这一现象，研究团队开发了两种生物修复模型，分别模拟了静态水体和动态水体中宏藻对营养物质的去除过程。研究以常见的绿藻 *Ulva lactuca* 为对象，探讨其在不同环境条件下的生长和营养吸收能力，以及如何通过优化生物修复策略实现长期的水质改善。

皮拉廷加泻湖是一个典型的内陆水体，其水体交换周期较长，导致营养物质在水体和沉积物中累积。这种特性使得泻湖特别容易受到富营养化的影响。研究指出，泻湖的富营养化不仅与城市生活污水排放有关，还受到沉积物中营养物质释放的影响。在某些情况下，沉积物可以作为营养物质的来源，特别是在缺氧条件下，沉积物中的氮和磷可能重新进入水体，形成循环。此外，外部扰动如风浪、水流变化等也可能促使沉积物中的营养物质释放，进一步加剧水体污染。

为了应对这一问题，研究团队引入了宏藻作为生物修复的工具。宏藻是一类快速生长的光合作用生物，能够高效地吸收水体中的氮和磷，并将其转化为自身生长所需的营养物质。通过合理规划宏藻的种植密度和位置，可以有效减少水体中的营养负荷，从而缓解富营养化带来的生态影响。研究中使用的 *Ulva lactuca* 是一种广泛分布于沿海地区的绿藻，其在水体中的生长速度和营养吸收能力已被多个实验研究证实。根据前人的研究，该藻类的生长速率约为5.14%每天，氮吸收速率为4.70毫克/克鲜重/天，磷吸收速率为0.70毫克/克鲜重/天。这些数据为本研究提供了基础参数，用于模拟不同条件下的生物修复效果。

研究采用两种模型进行模拟分析：静态模型和动态模型。静态模型假设水体的营养物质浓度保持不变，仅通过宏藻的生长和吸收过程来去除水体中的氮和磷。而动态模型则考虑了水体的更新过程，包括水流输入、沉积物中营养物质的扩散以及水流对营养物质的再分布。这两种模型分别反映了不同水体条件下宏藻生物修复的潜力和应用方式。在静态模型中，初始藻类生物量设定为70千克，经过60天的生长，藻类生物量增加至1347千克，去除氮和磷的量分别为123.14千克和18.42千克。根据这一结果，若要实现水体中营养物质的完全去除，可能需要8个月的时间。然而，在动态模型中，由于水体的持续更新，藻类的生长周期与水体的停留时间（40天）相匹配，因此修复时间大大缩短。

研究进一步指出，藻类的生长和营养吸收能力受到多种环境因素的影响，包括温度、盐度、光照强度以及水体中的营养物质浓度。在实验条件下，藻类在20摄氏度和15 PSU（盐度单位）的环境中表现出较高的营养吸收效率。然而，这些条件并不完全反映实际水体的环境特征，因此模型在模拟过程中可能存在一定的局限性。此外，模型并未考虑水体中不同营养物质之间的相互作用，以及藻类在不同生长阶段对营养物质的吸收差异。这些因素可能会影响模型的预测准确性，但在缺乏更详细数据的情况下，研究团队认为这些简化是合理的。

在静态模型中，藻类的生长主要依赖于初始的营养物质浓度。由于泻湖水体中营养物质的浓度较高，藻类能够在较短时间内快速生长，从而吸收大量的氮和磷。然而，这种模式下，藻类的生长受到水体中营养物质的限制，一旦营养物质被吸收殆尽，藻类的生长速度将显著下降。因此，静态模型更适合用于模拟营养物质浓度相对稳定的水体环境，例如某些封闭性较强的湖泊或小型泻湖。相比之下，动态模型则适用于那些具有持续水流输入和沉积物扩散的水体，例如皮拉廷加泻湖这样的半封闭系统。在动态模型中，藻类不仅能够吸收水体中的营养物质，还可以通过持续的水流输入获得新的营养物质，从而维持较高的生长速率和吸收能力。

研究团队通过模拟不同初始藻类生物量（100至500千克）对修复效果的影响，发现藻类生物量的大小直接影响修复时间和效率。初始生物量越高，藻类在短时间内能够吸收的营养物质越多，修复时间相应缩短。然而，过高的生物量可能导致水体中的氧气供应不足，进而影响藻类的正常生长和代谢。因此，在实际应用中，需要根据水体的具体条件和目标，合理选择藻类的初始种植密度，以达到最佳的修复效果。

此外，研究还强调了藻类种植位置的重要性。在静态模型中，藻类种植在水体中特定区域可以有效减少营养物质的扩散，从而提高修复效率。而在动态模型中，由于水体的流动性，藻类种植在水流交汇处或污染源附近能够更有效地捕获和吸收营养物质。因此，研究建议在皮拉廷加泻湖中，将藻类种植在靠近污水排放口和沉积物扩散区域的位置，以最大化其营养吸收能力。这种策略不仅有助于减少水体中的营养负荷，还可以通过藻类的生长和代谢活动改善水体的生态环境。

研究还指出，宏藻的生长过程可能受到环境压力的影响，例如高盐度、强紫外线辐射等。这些压力可能对藻类细胞造成损伤，影响其生长和代谢能力。在某些情况下，细胞损伤可能导致藻类的快速死亡和分解，从而释放出储存的营养物质，形成二次污染。然而，研究团队认为，这种现象在实际应用中可以通过合理的种植管理来减少。例如，通过选择适应性强的藻类品种、控制水体的盐度和光照条件，以及定期收获藻类，可以有效避免细胞损伤带来的负面影响。

从生态角度来看，宏藻的生物修复作用不仅限于去除水体中的营养物质，还可能对水体的其他生态系统过程产生积极影响。例如，藻类的生长可以增加水体中的溶解氧含量，改善水体的氧化还原条件，从而抑制厌氧微生物的活动，减少沉积物中营养物质的释放。此外，藻类的生长还可能促进水体中其他生物的生存，例如浮游生物和底栖生物，从而提高整个水体生态系统的稳定性。然而，这些潜在的生态效益尚未在本研究中得到充分验证，需要进一步的实验和长期监测来评估。

在实际应用中，宏藻生物修复技术需要考虑多个因素，包括藻类的生长条件、水体的流动性、污染源的分布以及修复工程的可持续性。例如，在某些情况下，水体中的盐度可能较高，这可能会影响藻类的生长和营养吸收能力。因此，在选择种植区域时，需要综合考虑水体的盐度、温度、光照以及水流速度等因素，以确保藻类能够正常生长并发挥最佳的修复效果。此外，藻类的收获和处理方式也需要科学规划，以避免对水体造成二次污染。

本研究的结论表明，通过合理规划宏藻的种植密度和位置，可以在一定程度上缓解皮拉廷加泻湖的富营养化问题。然而，研究团队也指出，现有的模型仍然存在一定的局限性，例如未考虑水体中营养物质的动态变化、藻类与其他生物之间的相互作用以及气候变化对水体环境的影响。因此，在未来的研究中，需要进一步完善模型，引入更复杂的生态过程和环境变量，以提高预测的准确性和适用性。

总的来说，宏藻生物修复技术为改善富营养化水体提供了一种可行的解决方案。通过科学规划和合理管理，可以有效利用宏藻的生长特性，实现对水体中氮和磷的去除，进而改善水质和生态条件。然而，这一技术的应用仍需结合具体的水体环境和污染源情况，进行充分的实验和模拟分析，以确保其在实际中的有效性。此外，研究团队还强调，生物修复技术应与其他治理措施相结合，例如减少污染源、改善水体流动性以及恢复水体的自然生态功能，才能实现长期的水质改善和生态恢复。