A remote sensing tool for near real-time monitoring of harmful algal blooms and turbidity in reservoirs

Harmful algal blooms (HABs) diminish the utility of reservoirs for drinking water supply, irrigation, recreation, and ecosystem service provision. HABs decrease water quality and are a significant health concern in surface water bodies. Near real-time monitoring of HABs in reservoirs and small water bodies is essential to understand the dynamics of turbidity and HAB formation. This study uses satellite imagery to remotely sense chlorophyll-a concentrations (chl-a), phycocyanin concentrations, and turbidity in two reservoirs, the Grand Lake O′ the Cherokees and Hudson Reservoir, OK, USA, to develop a tool for near real-time monitoring of HABs. Landsat-8 and Sentinel-2 imagery from 2013 to 2017 and from 2015 to 2020 were used to train and test three different models that include multiple regression, support vector regression (SVR), and random forest regression (RFR). Performance was assessed by comparing the three models to estimate chl-a, phycocyanin, and turbidity. The results showed that RFR achieved the best performance, with R² values of 0.75, 0.82, and 0.79 for chl-a, turbidity, and phycocyanin, while multiple regression had R² values of 0.29, 0.51, and 0.46 and SVR had R² values of 0.58, 0.62, and 0.61 on the testing datasets, respectively. This paper examines the potential of the developed open-source satellite remote sensing tool for monitoring reservoirs in Oklahoma to assess spatial and temporal variations in surface water quality.     

藻渣添加对玉米秸秆厌氧发酵特征的影响

厌氧发酵是农业废弃物资源化的有效途径之一.将农业废弃物同其他富含氮元素的有机废物混合发酵能够有效地提高产气效率.以玉米秸秆为例,尝试利用藻渣作为添加剂,提高农业废弃物厌氧发酵的性能.实验主要研究了混合发酵比例对沼气产量、甲烷产量、沼渣沼液特征的影响.当玉米秸秆、藻渣和接种污泥的挥发性固体质量分数为10∶ 2∶2时,沼气产率最高可达421.0 mL/g,甲烷产率为218.7 mL/g.沼渣组分分析表明,纤维素和半纤维素降解效率分别为83.7％和68.4％,和对照相比纤维素的降解效率显著提高.结果表明,藻渣的添加能够有效地促进玉米秸秆厌氧发酵产甲烷过程.     

明矾石在水体微藻去除中的应用研究

以温州市某大学校区内富营养化水体为研究对象,采用本地明矾石对含藻水体进行混凝除藻、除浊实验研究,分别进行投加量、搅拌强度、搅拌时间、静置时间及pH值对微藻去除效率的影响研究,以获得处理工艺的最佳条件,为恢复河流水体生态自净功能提供理论基础.试验中对投加明矾石前后,水体中浊度、总磷、氨氮和总氮进行了测定,结果表明：明矾石最佳投加量为0.35 g/L,最佳搅拌方式为200 rpm搅拌4 min;最佳静置时间为25 min;在碱性或中性水体的处理效果尤佳.     

颗粒直链藻水华生消对婆罗异剑水蚤（桡足类）种群动态的影响

近年来,国内外学者对湖库型水华的发生机理和生态效应都做了大量研究,但有关水华生消对浮游动物群落结构影响的研究还很少.因此,本研究利用两个室外水泥池在中等尺度上考察了颗粒直链藻水华生消过程对婆罗异剑水蚤(桡足类)种群动态的影响,以及后者摄食对水华生消的下行调控作用.结果发现,颗粒直链藻水华发展迅速,仅5 d时间叶绿素浓度就从(21.24±0.75)μg·L-1上升到(240.34±11.00)μg·L-1;随后水华进入快速消退期,3 d后叶绿素a浓度下降到(53.63±0.47)μg·L-1.婆罗异剑水蚤的摄食压力对颗粒直链藻水华具有明显的抑制作用,水华生消期间含有婆罗异剑水蚤的藻液叶绿素a浓度比对照组低20μg·L-1左右,最大差异为26.08μg·L-1.期间婆罗异剑水蚤的丰度也由接入时的(56.50±4.32)ind·L-1增加到(142.11±6.35)ind·L-1,增加了1.5倍.该研究结果表明,在无鱼类摄食压力情况下,颗粒直链水华的爆发和消亡对婆罗异剑水蚤的生长和繁殖没有负面影响,反而促进了其种群数量的增加,这可能是由于水华期间为其提供了充足的饵料供应.     

寒区水体中溶藻铜绿假单胞菌的分离和性质研究

我国北方,尤其是东北地区的一些水体由于富营养化导致的水华现象呈增加趋势,成为急需解决的水环境问题.溶藻菌可从生态调控的角度来控制水华的爆发,因此,在富营养化水体治理方面逐渐得到重视.本文从寒区水华爆发水体中分离获得了一株溶藻细菌JM1,系统发育分析表明,菌株JM1与铜绿假单胞菌的同源性最高.VITEK系统鉴定表明,菌株JM1与铜绿假单胞菌的相似度为98%.菌株JM1在不同的碳源和氮源培养基中可产生不同颜色和p H值的代谢产物,而以葡萄糖和蛋白胨分别为碳源和氮源时发酵液的溶藻效果明显好于其它培养基.菌株JM1的溶藻效果随藻细胞初始密度的降低而增强,随发酵液添加量的增加而增加;当菌体细胞的密度达到1011CFU·m L-1时,可单一抑制藻细胞的生长;当菌体细胞的密度大于105CFU·m L-1时,菌体细胞可促进发酵液的溶藻作用.发酵液作用于藻细胞6 h时可明显影响其恢复能力,当暴露时间达18 h时,藻细胞彻底丧失了恢复能力.菌株JM1发酵液在中性和偏碱性的藻液中的溶藻效果最强,并且经过酸化、碱化和高温处理后,仍然保持较高的溶藻活性.本研究可为基于微生物作用过程的水华控制提供优势的土著菌种及其应用上的技术支持.     

Controlling cyanobacterial blooms by managing nutrient ratio and limitation in a large hypereutrophic lake: Lake Taihu, China

Excessive nitrogen (N) and phosphorus (P) loading of aquatic ecosystems is a leading cause of eutrophication and harmful algal blooms worldwide, and reducing nutrient levels in water has been a primary management objective. To provide a rational protection strategy and predict future trends of eutrophication in eutrophic lakes, we need to understand the relationships between nutrient ratios and nutrient limitations. We conducted a set of outdoor bioassays at the shore of Lake Taihu. It showed that N only additions induced phytoplankton growth but adding only P did not. Combined N plus P additions promoted higher phytoplankton biomass than N only additions, which suggested that both N and P were deficient for maximum phytoplankton growth in this lake (TN:TP = 18.9). When nutrients are present at less than 7.75-13.95 mg/L TN and 0.41-0.74 mg/L TP, the deficiency of either N or P or both limits the growth of phytoplankton. N limitation then takes place when the TN:TP ratio is less than 21.5-24.7 (TDN:TDP was 34.2-44.3), and P limitation occurs above this. Therefore, according to this ratio, controlling N when N limitation exists and controlling P when P deficiency is present will prevent algal blooms effectively in the short term. But for the long term, a persistent dual nutrient (N and P) management strategy is necessary.     

巢湖蓝藻的机械清除工艺以及藻水分离实验研究简

对巢湖蓝藻进行机械清除以及藻水分离实验研究，实验采用的浮式围栏引导-机械清除-投加剥离液辅助机械清除工艺处理量大，除藻效率高，筛网过滤-浓缩-卧螺离心机脱水成藻泥的藻水分离工艺较为理想，藻泥含水率仅为89%。2011年5—10月在巢湖运用上述方法清除湖面水华蓝藻，共处理富藻水1.6万m³，得到藻泥970 t，累计清除蓝藻106.7 t（干重）。按照所清除蓝藻的总氮、总磷的平均含量计算，相当于从湖中移除了氮6.25 t，磷2.1 t。表明在富营养湖泊中水华蓝藻大量暴发时，采用上述方法除藻，对控制蓝藻水华污染，有效降低内源氮、磷等污染物负荷具有十分重要的作用。     

三峡库区大宁河沉积物营养盐时空分布及其与叶绿素的相关性分析

为研究大宁河底泥营养盐时空分布与藻细胞分布的关系,本研究在大宁河选择4个代表性的取样点:菜子坝、白水河、双龙和大昌,利用垂直重力采泥器,按照2 cm厚度分层选取底泥,检测底泥中总氮,氨氮、硝态氮、亚硝态氮、总磷、无机磷、有机磷和叶绿素的垂向分布,分析叶绿素与营养盐的相关性.结果表明,菜子坝底泥0.0~2.0 cm总氮浓度最高,白水河底泥2.0~4.0 cm的总氮浓度最高;菜子坝底泥2.0~4.0 cm氨氮浓度最高,1和2月白水河底泥4.0~6.0 cm浓度较高;硝酸氮和亚硝酸氮(除3月)在菜子坝底泥2.0~4.0 cm浓度最高;氨氮、硝酸氮和亚硝酸氮浓度在同一个采样点底泥4.0 cm以下分层差异不显著;白水河底泥总磷0.0~6.0 cm呈增加趋势,菜子坝底泥表层的总磷和无机磷的浓度显著高于其它分层,而且每一分层中总磷、无机磷浓度都高于其他3个取样点相应的分层;有机磷在菜子坝和大昌的浓度高于白水河和双龙的浓度,但是同一采样点底泥不同分层的有机磷浓度差异不显著;同一深层底泥中的叶绿素a浓度在大昌最高,其次是白水河,再次菜子坝,双龙处的叶绿素浓度最低;只有1月在大昌取样点处无机磷和叶绿素a的浓度显著正相关,相关系数为0.87,底泥中的营养盐不是影响底泥藻细胞分布的主要影响因素.     

富营养化水体中黑水团的吸收及反射特性分析

对黑水团水体光学特性进行研究,是利用遥感技术监测和评估黑水团事件的前提.针对2015年7月在太湖发生的黑水团现象,采集了太湖黑水团区(区域一)、蓝藻水华区(区域二)、清水区(区域三)共36个水样,对这3个区域的水体遥感反射率以及吸收特性进行对比分析.结果表明:1区域一水体的总颗粒物、色素颗粒物和非色素颗粒物吸收系数比区域二、区域三高出1~2倍,在400~500 nm之间,区域一CDOM吸收系数相比另外两个区域的水体高出2倍左右.导致黑水团区域水体具有很低的遥感反射率,被人眼感知时呈现为黑色;2黑水团区域水体M值低于滇池、巢湖和太湖的M值变化范围,说明黑水团中CDOM的腐殖酸含量较高.此外,叶绿素a浓度与CDOM在350 nm处吸收系数之间具有很好的相关性,表明蓝藻的降解可能是黑水团中CDOM的一个主要来源;3在380 nm之后,黑水团区域的水体总吸收以色素颗粒物占主导,但在短波350~380 nm处,CDOM对总吸收的贡献率高于色素颗粒物和非色素颗粒物.     

陆生植物化感作用的抑藻研究进展

有效控制水华,治理富营养化水体是目前环境领域的研究热点和前沿。所谓化感物质,就是由植物、细菌、病毒和真菌所产生的二次代谢产物。利用水生植物的化感作用或化感物质抑制水体中藻类的爆发被认为是一种高效、低毒、环境亲合性好的方法而备受关注。然而,对于陆生植物应用于抑制藻类生长的研究却较少。文章在对化感作用的概念的演化、各种生物对藻类化感抑制作用、化感物质抑藻机理等方面进行了较系统的论述,总结了近年来国内外学者对于陆生植物化感作用抑藻的研究进展。文章认为相对于水生植物在抑藻方面的局限性,陆生植物的优势体现在对水生生态系统影响明显（化感作用明显）、所含抑藻化感物质种类丰富、不易受水生生态环境影响等方面,并对今后陆生植物抑藻技术的研究方向进行了展望,陆生植物中尤其是菊科植物化感抑藻应用前景广阔。最后指出,陆生植物的化感抑藻作用研究还存在进一步探索和改进化感物质的提取和鉴定方法、抑藻作用机理的研究、应用实际水体时的生态安全性等方面的问题。