過氧化氫消除小型水體藍藻水華的效果評價

王永平,郭 蕭,謝 瑞,姬昌輝,于 劍

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210029;2.江蘇沅芷生態環境有限公司,江蘇 南京 210037)

藍藻水華是水體富營養化后，藍藻異常增殖并聚集于水面的現象。藍藻水華在中國太湖、巢湖、滇池等大型湖泊常年發生，在一些營養鹽含量水平高的水庫和池塘中也時常出現。藍藻水華有比較大的社會影響，對水生態健康也會造成一定的負面影響，首先是破壞正常的水生態系統，藍藻大量堆積時會腐爛發臭，堵塞水廠的取水口，增加水處理難度，影響供水安全[1]。另外，某些種類的藍藻能合成藻毒素，釋放到水體后會危害人類和動物的健康[2-3]。

水體富營養化是導致藍藻水華爆發的根本原因，所以對于藍藻水華的治理，控制外源營養鹽輸入及內源營養鹽釋放，降低水體氮磷的營養，是控制藍藻水華的根本[4]。然而，營養鹽的消減需要一個長期的過程，采取一些應急措施如浮島式生物處理系統[5]、超聲共振技術[6]等，快速消除水體中的藍藻也具有很強的實際意義。過氧化氫是一種很有前景的除藻劑，首先它的分解產物是水和氧氣，不存在有害物質殘留問題，所以美國食品藥品監督局(FDA)已批準其用于水產病害的防治[7]。另外，過氧化氫對藍藻的毒性閾值比非藍藻低，在合適的施用濃度下，能選擇性地消除藍藻，而不傷害其他藻類[8]。目前，國內外已有一些學者利用過氧化氫開展了控藻實驗[9-10]，但真正利用過氧化氫來控制藍藻水華的實例還很少。

本研究區域在2017年7月發生了嚴重的藍藻水華，優勢種主要為群體形態的微囊藻，藍藻堆積后釋放的異味對周邊居民的生活產生了一定的影響。為了有效地消除藍藻水華，本研究利用過氧化氫對該湖采取了應急控藻措施，隨后定期觀測了控藻效果并初步分析了該方法的生態安全性。該研究成果可為利用過氧化氫應急控藻的推廣提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 概況

研究對象是無錫一個半封閉式的小型景觀湖泊，水域面積23 000余m2，水深1.8 m。首先根據全湖總水量，將27.5%過氧化氫(化學純，魯西化工)按一定比例稀釋后，操作人員乘快艇將其噴灑至水中，經快艇行駛過程中螺旋槳的攪動與水迅速混勻，使水體過氧化氫濃度達到15 μg/L。在湖內不同區域設置3個采樣點，于施藥前(0 d)，以及施藥后第1、3、5、7、9、15、30 d觀測水體透明度、色素含量、藻毒素(MC)含量、浮游動物和浮游植物的變化。

1.2 分析方法

透明度采用賽氏盤現場測定；水體中藻藍素和葉綠素a含量測定參照閆榮等人的方法[11]，水樣過濾后分別用90%丙酮和0.05M pH7.0 Tris緩沖液提取，用熒光分光光度計(RF-5301PC，Sahimadzu Corporation, 日本)進行測定；根據產品使用說明書，利用酶聯免疫吸附法(微囊藻毒素ELISA試劑盒購自中國科學院水生生物研究所)測定水體胞內和胞外毒素含量；分別觀察水體中浮游植物組成結構的變化，以及枝角類、橈足類、輪蟲等3種主要浮游動物的生物量變化，種類鑒定主要參考《中國淡水藻類——系統、 分類及生態》《淡水微型生物圖譜》[12-13]。

2 結果與分析

2.1 透明度

過氧化氫能迅速提高水體的透明度，施藥前由于水體藻類生物量大，透明度僅有38.6 cm，施藥后水體透明度迅速升高，達83.0 cm(圖1)。隨后透明度有所降低，但至觀測結束時仍維持在相對較高水平(70 cm)。

圖1 處理期間水體透明度變化情況

2.2 色素

由圖2可見，池塘水體中藍藻生物量非常高，藻藍素和葉綠素a含量分別達412.8、94.5 μg/L。噴灑過氧化氫1 d后，水體中藻藍素和葉綠素a含量分別迅速下降至15.6、19.6 μg/L。再往后色素含量慢慢升高，藻藍素含量在30 d后回升至56.1 μg/L，葉綠素a含量在5 d后回升至31.2 μg/L，直至觀測結束無較大變化。

2.3 浮游植物組成結構

施藥前，藍藻在水體占據絕對優勢，生物量占了所有浮游植物的98.9%，其他的浮游植物生物量均低于1%(圖3)。噴灑過氧化氫7 d后，水體中生物量最大的浮游植物是綠藻，比率達68%；藍藻生物量排第二，比率降至18.7%；硅藻比率升至0.03%，其他藻比率為12.9%。第15、30 d后，藍藻比率雖有回升，但水體中仍以綠藻居多。

圖2 處理期間水體色素變化情況

圖3 處理期間浮游植物種群結構變化情況

2.4 藻毒素

由于施藥前湖體發生了嚴重的藍藻水華，所以水體藻細胞內外毒素含量均較高。噴灑過氧化氫1 d后，水體胞內毒素含量迅速下降至0.17 μg/L，為施藥前的1/27，隨后胞內毒素一直維持在較低水平(小于0.26 μg/L)；而胞外毒素含量則在噴灑過氧化氫1 d后猛增至3.77 μg/L，為施藥前的4.5倍，但在施藥后3 d降至0.51 μg/L，并維持低水平至30 d后(圖4)。

2.5 浮游動物

15 μg/L的過氧化氫對本研究關注的浮游動物均有一定的負面影響(圖5)。在噴灑過氧化氫7 d后，3種浮游動物的生物量均有所下降，橈足類、枝角類和輪蟲的生物量分別下降至施藥前的47.8%、33.9%、73.5%。隨后這3種浮游動物的生物量慢慢回升，施藥30 d后，生物量分別恢復至施藥前的87.2%、59.0%、86.8%。

圖4 處理期間水體毒素變化情況

圖5 處理期間浮游動物變化情況

3 結語

過氧化氫對浮游植物的毒性主要是來自于其釋放的羥基自由基(·OH)，由于藍藻的光合作用器官與細胞膜直接相連，這種氧化能力極強的活性氧在破壞藍藻細胞膜完整性的同時，能立即影響到光合作用器官[14]。所以以前的許多研究都發現，過氧化氫對藍藻的毒性閾值要遠高于其他浮游植物[15]。同樣，本研究中過氧化氫對藍藻水華的控制顯示出了良好的效果，但對水體中其他浮游植物的傷害則相對較小，這使得施藥后浮游植物的群落結構發生改變，由藍藻占絕對優勢變成綠藻占優，有利于提高水體浮游植物生物多樣性。

控藻物質施用后，藻細胞死亡裂解過程中會將胞內毒素釋放到水體，所以水體藻毒素含量升高一直是控藻劑施用過程中需要注意的問題。在本研究中，施藥前湖內藍藻生物量高，藻毒素含量遠高于世界衛生組織關于飲用水的推薦標準(1 μg/L)。施藥后由于大量藍藻細胞迅速死亡，水體中藍藻細胞減少，胞內毒素也隨之大大降低。而水體中藻毒素(胞外毒素)含量則在噴灑過氧化氫1 d后，猛增至施藥前的4.5倍。但由于過氧化氫較強的催化氧化能力，能將藻毒素降解成無毒的副產物[16]，故胞外毒素含量在2 d后又降至較低水平。總體而言，過氧化氫的施用雖然會造成胞內毒素釋放，胞外毒素短期升高，但馬上會回落至較低水平。過氧化氫在有效控制藍藻的同時，也有效地減少了水體藻毒素的總量。

生態安全性也是控藻物質在施用過程中需要考慮的問題，很多控藻物質雖然除藻效果很好，但對水中其他生物也存在著不小的毒性，使用不當可能會引起水生態系統災變[17]。過氧化氫對浮游動物的毒性與其濃度有關[18]，本研究中使用的過氧化氫濃度，對湖內的橈足類、枝角類和輪蟲都產生了損傷，使得3種浮游動物的生物量出現了一定的減少，但這種損傷不是滅絕性的，隨著水體中過氧化氫的降解，以及食物的增多，浮游動物的生物量又慢慢恢復至施藥前水平。

綜上，過氧化氫能快速有效地降低水體中的藍藻生物量，改變浮游植物組成結構，雖然在短期內會引起胞外毒素含量的升高和浮游動物生物量的減少，但后期藻毒素會降至較低水平，浮游動物生物量也會慢慢恢復。因此，對于藍藻水華的應急防控，特別是在非飲用水源地，過氧化氫不失為一種高效、安全的控藻物質。