海河流域東北部地表水水源地藻類及代謝物研究

張 俊，孟憲智，張世祿，周緒申，孔凡青，王 釗，黃艷鳳

水利部海河水利委員會 海河流域水環境監測中心，天津 300170

水體富營養化及藻類有毒代謝物問題目前已經成為國際環境問題研究熱點[1-3]。據聯合國環境規劃署公布的數據，全球約有70%的淡水水體出現了水體富營養化污染的現象[4]。對中國531個代表性湖庫的生態調查發現，95%以上湖庫受到富營養化影響[5]。眾所周知，在全國七大流域中，海河流域水資源承載力狀況嚴峻，面臨著“有河皆干，有水皆污”的境況[6]。流域內水體中氮磷營養鹽濃度普遍較高，夏季氣溫升高容易導致水源地發生藍藻水華事件，洋河水庫、于橋水庫等多個海河流域地表水水源地均出現水體富營養化狀況[7-9]。當藍藻大量繁殖時，水中的溶解氧濃度也迅速降低，造成魚蝦、螺蜘等水生物死亡，水體也遭受污染，導致供水管路堵塞[10]。水華的另一個危害是藻類死亡后的代謝物容易形成異味物質和毒素影響供水安全[11-13]。HERNANDEZ等認為隨著富營養化程度加劇，藍藻暴發代謝形成的微囊藻毒素勢必在更大程度上危害人類的健康[14]。因此，地表水水源地藻類及有毒代謝物問題已經逐漸成為飲水安全重大關注問題之一。

1 實驗部分

1.1 研究區選擇

研究區位于海河流域東北部，主要包括灤河流域下游、冀東沿海地區以及引灤入津沿線。該研究區在海河流域屬于水質相對較好區域，多個水庫承擔天津、唐山、秦皇島等城市供水任務。但是，近年來該區域地表水水源地在夏季存在著水體富營養化問題，多個水庫先后發生藍藻水華事件，成為該區域飲水安全的一個重要挑戰。因此，研究選擇該區域6個地表水水源地開展水源地藻類及代謝物相關研究工作，研究區位置見圖1。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 The map of the study area

1.2 樣品采集

在2017年夏季，同時采集該區域內潘家口水庫、大黑汀水庫、于橋水庫、桃林口水庫、洋河水庫、石河水庫等6個水庫浮游植物和微囊藻毒素樣品。根據水源地監測任務，采樣點均位于水庫水源地取水口附近開闊水域，最直接反映水源地供水水質狀況。浮游植物定性樣品用25號(0.074 mm)浮游生物網，在水下0.15 m處作“∞”字型拖拽3 min，入樣品瓶后加3 mL福爾馬林固定，保存于100 mL標本瓶中帶回分析；浮游植物定量樣品則取1 L水樣于樣品瓶中，加15 mL魯哥氏液固定，帶回實驗室靜置后分析。微囊藻毒素樣品采集水庫表層水樣，用0.025 mm孔徑不銹鋼篩過濾除去水樣中大部分浮游生物和懸浮物，取過濾液至1 L棕色玻璃瓶保存，帶回實驗室開展前處理及分析。

1.3 鑒定與分析方法

1.3.1 浮游植物

浮游植物鏡檢采用蔡司Scope A1顯微鏡進行，定性樣品分類主要依據形態學分類方法，種類鑒定參照FreshwaterAlgaeofNorthAmerica：EcologyandClassification[15]和《中國淡水藻類——系統、分類及生態》[16]；定量樣品帶回實驗室靜置24 h，然后濃縮至30 mL，以浮游生物計數框對其進行計數，根據濃縮倍數計算藻細胞密度。

藻類鑒定分析質控要求主要參考文獻報道要求[17]，樣品鑒定完畢后，由另一位相關專業人員對樣品進行抽檢，抽檢比例為10%，確保分類鑒定的準確性。

1.3.2 微囊藻毒素

1.3.2.1 儀器與試劑

Agilent 1260液相色譜儀和6410B 三重四極桿質譜(美國)；Symmetry C18柱(150 mm×2.1 mm, 3.5 μm，美國)和Oasis HLB固相萃取柱(500 mg,6 mL，美國)；ASPE 799固相萃取裝置(日本)；MC-LR和MC-RR標準溶液(10 μg/mL,美國)。

1.3.2.2 水樣的前處理

水樣(500 mL)用甲酸酸化至pH為4～5，過0.45 μm纖維濾膜，去除樣品中的懸浮顆粒物。分別用5 mL甲醇和5 mL水活化Oasis HLB柱。在真空泵的負壓作用下，使待測溶液以穩定速度通過小柱，流速為1～2滴/s。用5 mL純水清洗固相萃取柱，干燥柱子10 min。用6 mL甲醇洗脫，洗脫液在微弱氮氣流下吹至近干，用初始流動相(20%甲醇溶液)定容至1 mL，過0.45 μm尼龍注射器濾膜，待測。

1.3.2.3 色譜-質譜條件

流動相為0.1%甲酸溶液(A)和甲醇(B)，柱溫為35 ℃，流速為0.3 mL/min，進樣量為10 μL。梯度洗脫程序為0～8 min，20%～80% B；8～10 min，80% B；10～12 min，80%～20% B；12～25 min，20% B。電噴霧離子源；正離子掃描；錐孔氣為氮氣(液氮罐供氣)；碰撞氣為高純氮氣；參數優化方式為SCAN模式和productor模式；檢測方式為MRM模式。

1.3.2.4 標準曲線、回收率及檢出限

量取一定量LR和RR標準溶液，用20%甲醇溶液稀釋成1 mg/L混合標準液。然后依次稀釋成濃度為100、50、10、5、1 μg/L標準液。MC-LR和MC-RR標準曲線的線性關系較好，相關系數分別為0.999 5和0.999 1。MC-LR和MC-RR的儀器檢出限分別為0.06、0.1 μg/L。MC-LR和MC-RR樣品回收率為88.5%和72.6%。濃縮倍數為1 000，以100%回收率計算，方法檢出限理論值為0.06、0.1 ng/L。

1.3.2.5 質量控制和質量保證

樣品分析過程中根據《水環境監測規范》(SL 219—2013)中的質控要求，通過樣品空白、空白加標、樣品平行樣等方法保證監測成果質量。研究水樣中儀器檢出限為0.06、0.1 μg/L。MC-LR和MC-RR回收率為88.5%和72.6%，回收率3次平行測定相對標準偏差為4.90%和12.60%。

2 結果與討論

2.1 水庫藻類及富營養化情況

2017年夏季采樣鑒定結果表明：研究區的6個水庫中，洋河水庫和于橋水庫藻密度相對較高，桃林口、潘家口、大黑汀水庫相對較低。另外，水庫中藻密度較高時，水庫中優勢種群以藍藻類為主，于橋水庫藍藻門所占比例達到98.8%，而藻密度較小時，藍藻門所占比例會有所下降，桃林口水庫藍藻門僅占17.7%。由此可見，當水庫藻類增長暴發時，藍藻門成為水體中浮游植物的主體。基于藻密度指標的湖泊水體營養類型評價標準[18](表1)，由6個水庫藻密度鑒定結果計算了各水庫富營養化狀態，結果表明：于橋水庫、洋河水庫為極富營養水體，石河水庫為中營養水體，潘家口水庫和大黑汀水庫為貧中營養水體，桃林口水庫為貧營養水體，詳見表2。該研究區水源地曾經多次報道發生水體富營養化事件[7-9]，在生態文明建設要求下，目前水體質量得到明顯改善。特別值得一提的是，作為京津冀重要水源地(也是引灤入津重要水源)，潘家口、大黑汀水庫水質受到大規模網箱養殖影響，水質類別一度出現劣Ⅴ類[9]，并且夏季到來后水庫藻密度均較高[19]。在國家有關部門和河北省政府要求下，2016年11月初開始集中清理潘家口、大黑汀水庫網箱。研究結果表明，網箱清理后潘家口、大黑汀水庫水質明顯改善，水庫富營養化程度明顯好轉。雖然目前于橋水庫和洋河水庫水體富營養化程度還較高，但隨著上游調水潘家口、大黑汀水庫水質好轉，于橋水庫水體富營養化程度勢必也會有明顯改善。洋河水庫富營養化主要原因是上游水土流失帶來大量營養鹽，隨著國家對水土保持工作重視程度的提高，洋河水庫水體富營養化狀況會較快得到改善。

表1 水體營養類型評價指標和標準Table 1 Evaluation index and standard of water body nutrition type

2.2 微囊藻毒素

于2017年夏季在海河流域東北部地區水源地潘家口水庫、大黑汀水庫、于橋水庫、洋河水庫、桃林口水庫、石河水庫等采集水樣，采用固相萃取-高效液相色譜-串聯質譜法分析了樣品中微囊藻毒素(表3)。結果表明：于橋水庫和洋河水庫微水樣中水樣MC-RR和MC-LR均有檢出，但明顯低于《生活飲用水衛生規范》中MC-LR的含量不能高于1.0 μg/L的規定。潘家口、大黑汀、桃林口、石河水庫均未檢出微囊藻毒素。總體上看，目前海河流域東北部地區水源地水體中微囊藻毒素潛在風險較小，但是作為水源地應該受到高度重視，特別是檢出微囊藻毒素的于橋水庫和洋河水庫，應密切關注并監測水體中微囊藻毒素的濃度，確保其對供水人群生命健康不會造成危害。

2.3 水庫富營養化與藻毒素相關性分析

微囊藻毒素是富營養化淡水水體藍藻屬分泌產生的一類天然藍藻毒素，已發現的產生藻毒素的藍藻約40余種，為藍藻水華危害最嚴重的污染物質之一。研究結果表明：水體富營養化程度與微囊藻毒素濃度呈明顯正相關(圖2)。在富營養化程度高的水體中藍藻占明顯優勢，而藍藻又是微囊藻毒素的主要來源，因此藍藻暴發導致微囊藻毒素風險明顯增大。

表3 海河流域實際水樣檢測結果Table 3 The result of samples in Haihe River Basin

圖2 研究區水源地藍藻密度與微囊藻毒素關系示意圖Fig.2 Schematic diagram of relationship between cyanobacteria density and microcystins in water source of the study area

檢測結果表明：呈極富營養狀況的于橋水庫和洋河水庫均檢測出一定濃度的MC-LR和MC-RR，而其他中營養或貧營養水庫均未檢出微囊藻毒素。據相關研究報道，微囊藻毒素是一類性質穩定并主要來源于銅綠微囊藻等藍藻死亡代謝胞內化合物[20]。另外，魚腥藻、束絲藻、顫藻等也均能產生微囊藻毒素[21]。研究中發現，于橋水庫和洋河水庫中藍藻門主要有微囊藻屬(銅綠微囊藻、邊緣微囊藻、水華微囊藻等)，魚腥藻屬(假魚腥藻、類顫藻魚腥藻)，尖頭藻屬(螺旋藻)，色球藻屬(色球藻)。其中，微囊藻屬、魚腥藻屬應該是微囊藻毒素產生的主要來源。

3 結論

研究同時對海河流域東北部6個水庫型水源地開展了藻類及微囊藻毒素相關研究工作，研究結果表明：

海河流域東北部6個水庫型水源地中水體富營養化程度有明顯改善，石河水庫為中營養水體、潘家口水庫和大黑汀水庫為貧中營養水體、桃林口水庫為貧營養水體，但是于橋水庫、洋河水庫水體仍呈極富營養化狀態。另外，富營養化程度高的水體中藍藻占明顯優勢。

通過固相萃取-液相色譜-串聯質譜法同時檢測了水樣中MC-LR和MC-RR，潘家口、大黑汀、桃林口、石河等4個水庫均未檢出，而在于橋、洋河水庫中均檢出MC-RR和MC-LR，但是濃度均低于《生活飲用水衛生規范》標準限制。

水源地富營養化程度與微囊藻毒素濃度呈明顯正相關，藍藻暴發導致微囊藻毒素風險明顯增大。因此，在藍藻暴發期間(特別是暴發后期)應加密監測，確保微囊藻毒素濃度不會對供水人群健康造成危害。