2017年夏季巢湖水華期間浮游植物與藍藻毒素的時空變化特征

朱 超，楊曉冉，趙 彬，張 敏，張付海

安徽省環境監測中心站，安徽 合肥 230071

隨著湖泊水系流域內人口的增加和工農業生產的迅速發展，藍藻水華已成為國內外富營養化湖泊中最常見的水環境問題。夏季是藍藻水華暴發的高發季節，且大部分是由產毒藍藻形成的水華[1]。目前已在全球范圍內發現了100多種化學結構和毒理性質可能存在顯著不同的藍藻毒素[2]。其中，肝毒性的微囊藻毒素(MCs)是最為常見的藍藻毒素，已發現有90多種不同的變種[3]。MCs對人類的健康危害較大，1996年巴西Caruaru透析中心血液透析水受MCs污染導致60多人死亡的事件至今影響深遠[4]。在中國東南沿海地區，飲用水中的MCs被認為是原發性肝癌(HCC)高發的重要誘因[5]。此外，長期暴露在MCs下的巢湖專業漁民出現了慢性染毒現象，其血清中檢測到MCs存在并會引發部分程度的肝損傷[6]。節球藻毒素(NOD)和擬柱孢藻毒素(CYN)也是較為常見的肝毒性藍藻毒素，但目前相關研究較少。CYN也有人類中毒的報道，最著名的是1979年澳大利亞發生的Palm Island mystery disease導致超過百名兒童因腸胃炎入院事件[2,7]。

巢湖是中國五大淡水湖之一，也是中國較早進入富營養化的湖泊，目前已經成為全國藍藻年年暴發嚴重的三湖(太湖、巢湖、滇池)重災區之一[8]。隨著分析技術的逐步發展和公眾健康風險意識的增加，有關藍藻毒素的研究雖然也在逐年增加，但目前大部分研究仍然更為關注水華發生而非藍藻毒素，有關水體中MCs濃度的調查研究非常匱乏，NOD和CYN的研究更是少之又少。自2011年巢湖成為合肥市的“內湖”以來，特別是近些年合肥市南向巢湖的快速擴張，流域內的飲用水和水產品安全尤其需要引起重視。因此，筆者選擇在巢湖水華暴發較為嚴重的夏季(6—8月)對全湖8個國控水質監測斷面的水質理化參數、浮游植物種類構成與細胞密度以及11種藍藻毒素(9種MCs和NOD、CYN)進行了逐月監測，從而為巢湖的富營養化狀況、水質安全以及水資源管理提供基礎數據支持。

1 實驗部分

1.1 采樣點設置和樣品采集

采樣點為巢湖湖面上的全部8個國控水質監測斷面，分別為巢湖船廠(S1)、黃麓(S2)、東湖心(S3)、兆河入湖區(S4)、中廟(S5)、新河入湖區(S6)、西湖心(S7)和湖濱(S8)，采樣點分布如圖1所示。采樣時間為2017年夏季(6—8月)，每月中旬左右采樣一次。

圖1 巢湖采樣點分布圖Fig.1 Distribution of monitoring sites in Chaohu Lake

以有機玻璃采水器分別等體積采集表層(湖面下0.5 m處)、中層(湖深1/2處)和底層(湖底上0.5 m處)水樣，混合均勻后取樣。浮游植物定量樣品取樣0.5～1 L(視水樣中浮游植物的量而定)，每升樣品加入15 mL魯哥氏液固定；藻毒素取樣1 L，避光冷藏保存運輸；同時取樣用于實驗室常規理化參數分析。浮游植物定性樣品以25號浮游生物網采集，加魯哥氏液固定。

1.2 理化參數分析

水溫(T)、pH和溶解氧(DO)等參數采用多參數水質監測儀(YSI 6600 V2, 美國)現場測定，透明度(SD)采用塞氏盤法測定。葉綠素a(Chla)、高錳酸鹽指數(CODMn)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)和總氮(TN)等參數實驗室內分析，分析方法參照《水和廢水監測分析方法(第四版)》[9]。

1.3 浮游植物定性與定量分析

定性樣品在顯微鏡(Nikon Ni-E,日本)400倍或1 000倍視野下進行浮游植物種類鑒定，鑒定依據參考國內外相關文獻[10-11]。定量樣品運回實驗室后靜置沉淀24 h以上，以虹吸管吸除上清液濃縮定容至30～100 mL(視水樣中浮游植物的量而定)，用渦旋振蕩器(Thermo Scientific LP Vortex Mixer, 美國)將樣品充分混勻，吸取0.1 mL注入浮游生物計數框(0.1 mL, 20 mm×20 mm)，于400倍視野下進行分類計數。

1.4 藍藻毒素的萃取與分析

依次以10 mL甲醇(農殘級)和10 mL超純水活化調節HLB固相萃取小柱(500 mg,6 mL, Waters Oasis)，確保小柱柱頭浸潤。準確量取500 mL混勻水樣勻速通過小柱富集(流速小于5 mL/min)，再以10 mL超純水淋洗小柱，去除保留較弱的雜質，小柱中的殘留水分以氮氣吹掃5 min完全去除。以15 mL甲醇和0.2%甲酸水溶液(體積比為9∶1)洗脫富集后的小柱，氮吹濃縮洗脫液至近干，立即加入1 mL甲醇和0.2%甲酸水溶液(體積比為1∶4)，混勻后以0.22 μm針式濾頭過濾，準確定容至1.0 mL，最后用超高效液相色譜/三重四極桿質譜(Waters Xevo TQ-S,美國)對藍藻毒素進行定性和定量分析。色譜及質譜條件參照實驗室建立的快速測定多種藍藻毒素的方法[12]，11種藍藻毒素標準樣品(100 μg, HPLC≥95%)均購自瑞士。

2 結果與討論

2.1 理化參數分析

夏季巢湖水體中主要的理化參數變化情況如表1所示。從總體上來看，夏季巢湖的各項理化指標基本上處于相對穩定的狀態，未發生較大幅度變化。

表1 2017年夏季巢湖水體中主要的理化參數Table 1 The major physiochemical parameters in Chaohu Lake during the summer of 2017

研究表明，藍藻適宜的生長溫度為20～32 ℃，且當水溫高于28 ℃時，藍藻極易形成優勢種群從而導致水華大規模暴發[13]。夏季巢湖的水溫變化范圍為26.2～35.6 ℃，非常適宜藍藻的快速生長繁殖，水華暴發具備非常適宜的溫度環境。夏季巢湖pH平均為8.95±0.20，相較于冬季的8.19±0.11(2016年12月—2017年2月)和春季的8.07±0.06(2017年3—5月)而言，提升非常明顯。越來越多的學者認為水體的pH升高與藍藻水華密切相關，藻類的生長繁殖過程中其自適應機制會通過自身的生理生化反應調節水體的pH趨向于適宜生長的偏堿性環境[14-15]。因此，夏季巢湖水體的pH發生變化可能在很大程度上受到了藍藻水華的影響。

水華暴發的物質基礎是營養物質過量，水體處于富營養化的狀態。而氮、磷元素的充足供應是保證浮游植物生長繁殖過程中細胞骨架重構和DNA合成的重要因子。一般認為，當TN質量濃度大于0.2 mg/L、TP質量濃度大于0.02 mg/L時，水體即處于富營養化的狀態[13]。夏季巢湖的氮、磷含量在各監測點均遠超這一數值，表明全湖性的水華暴發具備充足的營養物質基礎。此外，合適的氮磷比(N/P)與藍藻水華同樣關系密切，理論上最適宜的N/P應為16∶1[16]。6、7、8月巢湖全湖的平均N/P分別為20.5、11.8、19.6，表明夏季巢湖的N/P處于較為適宜浮游植物生長的狀態。

夏季巢湖各監測點的Chla濃度變化范圍較大，最低濃度為24.8 μg/L(8月，黃麓S2)，最高濃度達到145 μg/L(6月，中廟S5)。但每月的全湖均值為52.4～59.6 μg/L，總體相對穩定。基于國內外常用的修正卡森營養狀態指數法(TSIM)來評價水體的富營養化狀態[17-18]，結果顯示夏季巢湖各監測點的TSIM(chla)變化范圍為59.6～78.9，基本上處于富營養-超富營養的狀態。

2.2 浮游植物的群落結構特征

夏季巢湖共鑒定出浮游植物7門72屬117種(包括變種、變型和若干未定名種)。其中綠藻門(Chlorophyta)為40屬65種，占浮游植物種類總數的55.6%；藍藻門(Cyanobacteria)為12屬24種，占20.5%；硅藻門(Bacillariophyta)為11屬17種，占14.5%；裸藻門(Euglenophyta)為4屬5種，占4.3%；隱藻門(Cryptophyta)為2屬3種，占2.6%；甲藻門(Dinophyta)為2屬2種，占1.7%；金藻門(Chrysophyta)為1屬1種，占0.9%。夏季巢湖的浮游植物種類以綠藻門、藍藻門和硅藻門為主，占浮游植物種類總數的90.6%，而裸藻門、隱藻門、甲藻門和金藻門的種類都較少，合計所占浮游植物種類總數不足10.0%。

2.3 浮游植物細胞密度的時空分布特征

夏季巢湖各采樣點浮游植物細胞密度的分布特征如表2所示。

表2 2017年夏季巢湖浮游植物群落結構與細胞密度的時空分布特征Table 2 The phytoplankton community composition and cell density in Chaohu Lake during the summer of 2017

6—8月全湖的浮游植物細胞密度均值分別為1.35×108、1.31×108、1.01×108cells/L，總體處于相對穩定的狀態，但水華有逐漸衰落的趨勢(圖2)。從空間上來看，各采樣點又表現出極為明顯的差異性，其中6月浮游植物細胞密度最高值為最低值的8.9倍，7月為11.0倍，8月為7.3倍。從時間上來看，各采樣點同樣變化明顯，中廟(S5)6月與8月的浮游植物細胞密度比值甚至達到了10.6倍。李春華等[19]的研究表明，夏季太湖的浮游植物細胞密度分布與風作用值呈顯著正相關，風作用及與之密切相關的湖流是影響浮游植物細胞密度分布的重要因素。秦伯強等[20]同樣認為風驅動的湖流的輻合輻散是太湖藍藻水華上浮后形成可見斑塊形狀、位置、漂移和聚集的決定性因素。作為同太湖類似的大型淺水性富營養化湖泊，巢湖的藍藻水華也極易出現藍藻漂浮帶在某些區域堆積，且在時間和空間上常常表現出高度的變異性與不穩定性。因此，在營養物質充足且環境條件適宜的情況下，風力和湖流的作用可能是造成夏季巢湖水華發生程度存在時空差異的重要因素之一。

此外，該次監測結果與之前的報道相比，夏季巢湖的浮游植物組成門類無明顯變化，仍以藍藻門占絕對優勢[21-22]，但是浮游植物的細胞密度明顯高于前人的研究。李靜等[22]于2013年夏季(6—8月)對巢湖8個采樣點進行了浮游植物調查，顯示其平均密度為2.5×107cells/L，密度范圍為2.7×106～8.4×107cells/L。李懷國等[23]于2015年7月調查采樣巢湖20個點位，顯示浮游植物的平均密度為6.46×107cells/L，密度范圍為1.48×107～17.44×107cells/L。這些結果表明，除去采樣時間和采樣點位置的不同、浮游植物計數方法的選擇以及人為因素存在的計數差異外，更不容忽視的是近年來隨著合肥市南向巢湖發展以及流域內人口的快速增長，巢湖的富營養化程度進一步加重，藍藻水華規模正呈現逐步擴大的趨勢，水質安全形勢越來越嚴峻。

圖2 2017年夏季巢湖浮游植物細胞密度的總體趨勢Fig.2 The general trend of phytoplankton density in Chaohu Lake during the summer of 2017

2.4 浮游植物優勢種屬構成及時空變化特征

浮游植物優勢種屬根據Mcnaughton優勢度指數(Y)來確定[24]，當Y>0.02時確定為優勢種，得到此次調查中每月及各采樣點對應的優勢種屬，如表3所示。基于Mcnaughton優勢度指數確定的優勢種屬，繪制各種屬的細胞密度時空分布圖，如圖3所示。由于群體微囊藻和絲狀藍藻等群生藻類會對顯微計數產生非常大的誤差，于是對定量計數的樣品采用了較為劇烈的渦旋振蕩前處理，從而導致表觀上非常相似的微囊藻個體定性計數變得非常困難，因此此次調查僅以微囊藻屬來計。

表3 夏季巢湖浮游植物優勢種屬構成及優勢度指數Table 3 The predominant species/genus of phytoplankton and its Y values in Chaohu Lakeduring the summer of 2017

注：“—”表示非優勢種。

圖3 巢湖浮游植物優勢種屬的空間分布特征Fig.3 Spatial distribution of the predominant phytoplankton species/genus in Chaohu Lake

由表3可見，6月巢湖浮游植物的優勢種屬均歸屬于藍藻門，而微囊藻(Microcystisspp.)、水華束絲藻(Aphanizomenonflos-aquae)和水華長孢藻(Dolichospermumflos-aquae)基本上在全湖形成主要優勢種，而這些藻類已被普遍認為是全球性的水華形成種屬[25]。其中微囊藻全湖均值為6.6×107cells/L，平均占比為48.7%，平均優勢度為0.397；水華束絲藻均值為2.1×107cells/L，平均占比為15.2%，平均優勢度為0.181；水華長孢藻均值為3.7×107cells/L，平均占比為27.3%，平均優勢度為0.195。7月基本上由微囊藻占據絕對優勢，全湖均值為1.0×108cells/L，平均占比為78.6%，平均優勢度為0.741。黏偽魚腥藻(Pseudanabaenamucicola)在7月多個采樣點形成優勢種，全湖細胞密度均值為1.3×107cells/L，平均占比為10.0%，平均優勢度為0.072。而水華束絲藻和水華長孢藻在7月已下降到極低的水平。8月巢湖浮游植物同樣由微囊藻占據絕對優勢，全湖的細胞密度均值為7.7×107cells/L，平均占比為76.3%，平均優勢度為0.646。此外，硅藻門的顆粒溝鏈藻(Aulacoseiragranulata)也能在部分采樣點形成優勢種。

在實際顯微觀察過程中，發現黏偽魚腥藻常黏附在膠被明顯但易水化的銅綠微囊藻(M.aeruginosa)膠被上或群體內共生，而巢湖其他常見種類的微囊藻，如惠氏微囊藻(M.wesenbergii)、魚害微囊藻(M.ichthyoblabe)和綠色微囊藻(M.viridis)等則很少見其附著共生。因此，當銅綠微囊藻大量繁殖的時候，常伴隨有黏偽魚腥藻細胞豐度的顯著升高。然而，此次調查未能有效的對微囊藻進行分類計數，并不能定量反映出銅綠微囊藻和黏偽魚腥藻之間的內在聯系。

此次調查結果與其他學者的研究相比，夏季巢湖的優勢種屬構成未發生明顯的變化。如姜霞等[26]調查發現2008年夏季巢湖的優勢類群為銅綠微囊藻、惠氏微囊藻和水華長孢藻，水華束絲藻也是常見種；李懷國等[23]調查發現2015年7月巢湖的優勢類群為微囊藻和偽魚腥藻，優勢度分別為0.90和0.02。這些結果表明，雖然2017年夏季巢湖的浮游植物細胞密度出現較大幅度的升高，但是優勢種屬結構組成基本穩定，近些年來夏季的藍藻水華形成種屬基本保持一致。

2.5 藍藻毒素分析

定量結果顯示，9種微囊藻毒素(MC)均能在巢湖水體中檢出，其中MC-LR、MC-RR、MC-YR為巢湖水體中主要存在的濃度較高的毒素，其時空分布情況和毒素含量如圖4所示。

圖4 巢湖微囊藻毒素的時空分布特征Fig.4 Spatio-temporal distribution of microcystins in Chaohu Lake

由圖4可見，其中MC-LR的檢出率最高，24個樣本中有23個檢出，檢出率為95.8%，最高檢出濃度為0.115 μg/L(8月，黃麓S2)，夏季全湖均值為0.032 μg/L。MC-RR的檢出率為83.3%，最高檢出濃度為0.107 μg/L(8月，西湖心S7)，均值為0.023 μg/L。MC-YR的檢出率為91.7%，最高檢出濃度為0.018 μg/L(8月，湖濱S8)，均值為0.005 μg/L。其他幾種微囊藻毒素除MC-WR的檢出率為87.5%外，MC-HtyR、MC-LA、MC-LY、MC-LW、MC-LF的檢出率均在80%以下，其中MC-LA的檢出率最低(41.7%)，最高檢出濃度均未超過0.010 μg/L。9種MCs的含量及其總量在整個夏季均未超過中國《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)[27]和世界衛生組織WHOGuidelinesforDrinking-WaterQuality[28]的安全要求(小于1 μg/L，以MC-LR計)，但MCs總量呈現逐月上升的趨勢,如表4所示。由于MCs通常存在于藍藻細胞內，在細胞死亡破裂后才會大量釋放至水體，因此，MCs濃度的上升表明水華有逐漸衰落的趨勢，這與浮游植物細胞密度的調查結果較為一致。

統計夏季巢湖存在的潛在產MCs藍藻的總細胞密度，主要為微囊藻[29]、水華長孢藻[29]和黏偽魚腥藻[30]，并與MCs含量進行相關性分析。結果顯示，兩者之間存在正相關關系，但相關性并不顯著(r=0.211，P>0.05)。調查中，24個樣本中共鑒定出9種微囊藻，其中銅綠微囊藻[29]、水華微囊藻(M.flos-aquae)[31]、綠色微囊藻[32]、放射微囊藻(M.botrys)[33]和挪氏微囊藻(M.novacekii)[34]均有文獻報道可產生MCs，而假絲微囊藻(M.pseudofilamentosa)和堅實微囊藻(M.firma)暫未有產MCs的報道。此外，魚害微囊藻和惠氏微囊藻能否產MCs似乎存在地區差異性，如FASTNER等[35]報道德國Wannsee湖中的魚害微囊藻和惠氏微囊藻群體并不產MCs；XU等[36]報道中國7種水華水體中(包括太湖、滇池、洱海等)分離的21株惠氏微囊藻菌株均不產MCs；而OUDRA等[30]報道從摩洛哥的水庫和池塘中分離的魚害微囊藻和惠氏微囊藻則均可產生MCs。因此，夏季巢湖微囊藻的細胞密度與MCs含量之間相關性并不顯著，很大程度上歸因于未能對巢湖產毒微囊藻菌株的準確定性及其細胞密度的準確定量。此外，胞外MCs含量易受外界各種環境因子的影響，這也可能是影響結果的主要因素之一。

表4 2017年夏季巢湖水體中藍藻毒素的濃度Table 4 Concentrations of cyanotoxins in Chaohu Lake during the summer of 2017

注：“ND”表示未檢出。

CYN在6、7月各采樣點位的檢出率均為100%，8月僅有2個采樣點位有檢出，最高檢出濃度為0.328 μg/L(6月，西湖心S7)，總體上呈現逐月下降的趨勢(表4)。目前世界上暫未有公認的CYN攝入量的安全標準，但基于11周的小鼠口服暴露CYN的觀察結果，CYN的“無明顯損害作用水平(NOAEL)”認定為30 μg/(kg·d-1)，因此飲用水中的最高容許濃度建議為1 μg/L[37]。由此評判，夏季巢湖各采樣點的CYN濃度均在安全范圍內。目前，能夠有效產CYN的藍藻共報道15種，包括拉氏擬柱孢藻(Cylindrospermopsisraciborskii)、水華束絲藻和梅崎藻(Umezakianatans)等[38-39]。夏季巢湖僅發現1種潛在的產毒藍藻，即水華束絲藻。統計水華束絲藻的細胞密度，并與CYN濃度進行相關性分析，結果顯示，兩者之間存在正相關的關系，且相關性非常顯著(r=0.923，P<0.01)，表明巢湖水體中的CYN很可能是由水華束絲藻產生。

NOD在夏季巢湖水體中的總檢出率為66.7%，檢出濃度均不高，最高僅為0.006 μg/L(8月，新河入湖區S6)，見表4。由于缺乏相應的毒理學數據，同時尚未有人類NOD中毒的報導，因此暫未有飲用水中NOD建議限值的相關準則出臺[2]。目前的研究表明，能夠產NOD的藍藻共報道3種，有泡沫節球藻(Nodulariaspumigena)[40]、球果節球藻(N.sphaerocarpa)[41]和念珠藻(Nostocsp.)[42]。然而在此次調查中，并未在巢湖水體中發現有這些藍藻存在，因此，巢湖是否存在其他產NOD的浮游植物仍需更深入的研究。

3 結論

2017年夏季調查過程中，巢湖基本上處于富營養-超富營養的狀態，水華發生情況較為嚴重。24個樣本共鑒定出浮游植物7門72屬117種，水華形成種屬逐月發生變化，其中6月的優勢種屬主要為微囊藻、水華長孢藻和水華束絲藻，7月主要為微囊藻和黏偽魚腥藻，8月則以微囊藻占據絕對優勢。浮游植物細胞密度范圍為3.73×107～4.25×108cells/L，各采樣點存在明顯的時空差異，全湖均值為1.01×108～1.35×108cells/L，總體處于相對穩定的狀態，但近年來水華規模正呈現逐步擴大的趨勢，巢湖的富營養化程度進一步加重，需要地方政府和水資源管理部門加強污染源管控并密切監測。

夏季巢湖水體中11種藍藻毒素均有不同程度的檢出。微囊藻毒素MC-LR、MC-RR和MC-YR為主要存在的毒素類型，但MCs與潛在的產毒藍藻之間相關性并不顯著，因此正確區分并定量產毒微囊藻和非產毒微囊藻的過程非常關鍵。CYN在6月水體中含量較高，遠高于MCs總量，且CYN含量與水華束絲藻細胞密度之間相關性非常顯著，顯示水華束絲藻很可能是最主要的產毒藍藻。NOD雖然含量不高，但由于16個樣本中有檢出，其毒素來源仍然需要關注，是否存在新的產毒藻種仍需更為深入的研究。調查過程中，11種藍藻毒素在水體中的濃度均未超過飲用水安全標準規定的限值，但由于藻毒素具有水溶性，且化學性質較為穩定，因此很容易在水體、土壤和水系沉積物中穩定存在，在生物體內也能長期累積。巢湖東半湖作為巢湖市的飲用水源地以及巢湖水產品大量供應市場，其存在的安全風險仍然不容忽視。

致謝：該次調查監測在樣品采集和理化參數分析過程中得到了巢湖管理局環境保護監測站的大力幫助，在此深表感謝！