電廠溫排水對銅綠微囊藻生長影響的模擬研究

張 露，黃瑩瑩，陳雪初*，彭 欣，顧世勇（.上海交通大學環(huán)境科學與工程學院，上海 0040；.浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所，浙江 溫州 5005；.上海市閔行區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，上海 000）

電廠溫排水對銅綠微囊藻生長影響的模擬研究

張 露1，黃瑩瑩1，陳雪初1*，彭 欣2，顧世勇3（1.上海交通大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200240；2.浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所，浙江 溫州 325005；3.上海市閔行區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，上海 201100）

以水華藻種銅綠微囊藻為例，在實驗室內(nèi)模擬內(nèi)陸電廠溫排水中溫升和游離余氯的聯(lián)合作用，研究其對銅綠微囊藻生長與光合活性的影響.結(jié)果表明，在適宜銅綠微囊藻生長的溫度范圍內(nèi)，一定程度的溫升會促進其生長，且水域溫度本底值較低時，溫升更有利于銅綠微囊藻的生長.銅綠微囊藻對游離余氯非常敏感，在大于0.1mg/L情況下，光合活性會下降，抑制作用非常明顯，聯(lián)合作用下，溫升對于0.1mg/L游離余氯作用下銅綠微囊藻光合活性的恢復具有一定的促進作用，對于0.2mg/L作用下則沒有.電廠排水口銅綠微囊藻會受到很強烈的抑制作用，藻細胞受到嚴重破壞，當加氯方式為連續(xù)加氯時，0.1mg/L余氯作用下的水域，微囊藻生長也會受到抑制.

溫排水；溫升；游離余氯；銅綠微囊藻

溫排水對浮游植物的影響已引起學者的廣泛關(guān)注，以往研究僅限于濱海電廠、核電站溫排水對于海洋浮游植物的影響，對于取用淡水為直流冷卻水的內(nèi)陸電廠，其溫排水中的溫升和余氯對淡水中浮游植物影響的試驗研究卻鮮有報道［1-3］.一般認為，溫升會促進藻類的生長繁殖，在20～35℃范圍內(nèi)，生物量隨溫升有較大增加，會提高水華爆發(fā)的風險［4-5］.但這僅僅說明了溫升單一因素下對于藻類的增殖有促進作用，忽視了溫排水中余氯對藻類生長的抑制作用.電廠由于提供熱機冷源和各種冷卻的需要，需要大量的冷卻水，為防止冷凝器附著生物形成絕熱層，影響冷卻效果甚至堵塞冷卻系統(tǒng)，需向循環(huán)冷卻水中加入一定量的氯，以清除管道中附著的藻類微生物，因此溫排水中一般都含有一定濃度余氯［6-7］.本文選取淡水中典型有害水華藻種——銅綠微囊藻為研究對象［8］，研究溫升和游離余氯的單獨作用以及聯(lián)合作用對銅綠微囊藻生長和光合作用的影響，探討內(nèi)陸電廠溫排水與受納水體藍藻增殖的關(guān)系，為內(nèi)陸電廠對其附近水域生態(tài)風險評價提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的銅綠微囊藻藻種購自中科院武漢水生生物研究所，培養(yǎng)溫度為25℃，光照強度約為2500lx，光暗比設定為14h:10h，擴大培養(yǎng)后用于試驗.用于配制游離余氯溶液的安替福民（分析純）購自上海國藥集團化學試劑有限公司.

1.2 試驗方法

配置BG-11培養(yǎng)基，混勻后，在高溫高壓滅菌鍋中滅菌50min，冷卻后接種處于對數(shù)生長期的銅綠微囊藻，恒溫適應5～7d，再用無菌BG-11培養(yǎng)基稀釋后分裝到250mL錐形瓶中進行試驗.試驗所用控溫裝置如下:在水族箱中使用DYMAX的一款迷你加溫棒，附帶LED數(shù)顯溫控器，使水溫達到所需溫度，并使用小型潛水泵讓水溫均勻，用溫度計進行水溫的實時監(jiān)測.游離余氯只在試驗開始前加入，之后不再添加，光照強度2500lx，光暗比設定為14h:10h，每組設3個平行樣，每天人工搖動錐形瓶2～3次，所有玻璃儀器使用前均經(jīng)過高溫滅菌處理.

1.2.1 溫升影響試驗 分別以21℃和28℃為對照組，試驗組設置4℃的溫升，即25℃和32℃，不加余氯，試驗周期為10d.

1.2.2 游離余氯影響試驗 設置溫度條件為25℃，次氯酸鈉現(xiàn)用現(xiàn)配，不加游離余氯的樣品為空白對照組，試驗組分別加入0.05，0.10，0.15，0.20mg/L游離余氯，試驗周期為5d.

1.2.3 溫度和游離余氯耦合影響試驗 設置試驗溫度為28，31，34℃.28℃作為空白對照組，不添加余氯，31℃和34℃作為試驗組，分別加入0.10，0.20mg/L的游離余氯，形成31℃-0.1mg/L、31℃—0.2mg/L、34℃—0.1mg/L和34℃—0.2mg/L的4個試驗組，試驗周期為10d.

1.3 分析測定與數(shù)據(jù)計算

游離余氯濃度:測定采用SYL-1B余氯儀（DPD法，檢測限為0.01mg/L，精度為0.01mg/L）.

藻細胞密度:采用微生物血球計數(shù)板直接計數(shù)法，在OLYMPUS CKX41倒置光學顯微鏡下進行細胞計數(shù).

葉綠素a濃度與光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學效率（Fv/Fm）:用型號為PHYTO-PAM的浮游植物熒光儀（WAlZ，Germany）測定，在室溫下進行，F(xiàn)v/Fm測定時暗適應時間不少于5min.

相對細胞葉綠素a含量和生長抑制率分別用下式計算:

相對細胞葉綠素a含量=試驗組細胞葉綠素a含量/對照組細胞葉綠素a含量.

生長抑制率（%）=（對照組細胞密度—試驗組細胞密度）/對照組細胞密度×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 溫升對銅綠微囊藻的影響

我國中東部湖庫春秋平均水溫約為21℃，夏季平均水溫約為28℃［5，9］.資料顯示，溫排水排口附近7℃溫升范圍較小，僅為0.1～0.2km2，4℃溫升范圍較大，約2～3km2，因此，分別以21℃和28℃作為對照，設置4℃的溫升，圖1為溫升前后銅綠微囊藻細胞密度的比值.結(jié)果表明，試驗溫度均適宜銅綠微囊藻的生長，4℃的溫升會促進其生長，且水域溫度本底值越低，溫升越有利于銅綠微囊藻的生長.同時還測定了藻細胞的葉綠素a含量和Fv/Fm，結(jié)果顯示在不同溫度下各組差別不大（P＞0.05），試驗范圍內(nèi)溫度對其沒有明顯影響.

圖1 溫升前后銅綠微囊藻細胞密度的比值Fig.1 Ratio of cell density of Microcystis aeruginosa at low and high temperatures

2.2 游離余氯對銅綠微囊藻的影響

研究發(fā)現(xiàn)［10-11］，余氯濃度高于0.03mg/L時即對浮游植物產(chǎn)生抑制作用，在低于0.03mg/L時浮游植物的初級生產(chǎn)力才可得到完全恢復.當溫度為25℃，光照度為2500lx時，在接種了銅綠微囊藻的BG-11培養(yǎng)基中，游離余氯衰減情況如表1所示，濃度越高，衰減到0.03mg/L所用時間相對越長.

資料顯示，0.1mg/L余氯范圍約0.2～1km2， 0.05mg/L余氯范圍約0.5～2km2.因此，選取游離余氯最低濃度為0.05mg/L.表2顯示了在25℃溫度下，不同游離余氯濃度作用下銅綠微囊藻的生長抑制率.當游離余氯濃度為0.05mg/L時，對微囊藻生長沒有明顯影響；當游離余氯濃度≥0.1mg/L時，第5d的生長抑制率達到了約90%，微囊藻生長受到了明顯的抑制作用.通過鏡檢發(fā)現(xiàn)細胞已大多呈空化狀態(tài)，細胞體積變得很小，表明藻細胞已受到明顯破壞.

圖2為不同濃度的游離余氯處理下銅綠微囊藻Fv/Fm的變化，F(xiàn)v/Fm值反映了光系統(tǒng)Ⅱ活性的大小，可直接衡量藻類的光合作用能力，可以看到Fv/Fm對于余氯的響應非常迅速，當加入的游離余氯濃度僅為0.05mg/L時，1d后Fv/Fm值就已從0.54降低到0.27，之后慢慢恢復到原有水平；游離余氯濃度為0.2mg/L時，F(xiàn)v/Fm值甚至接近于0，且隨著時間推移，活性也不能恢復.圖3表示銅綠微囊藻細胞的相對葉綠素a含量，即試驗組細胞葉綠素a含量與對照組細胞葉綠素a含量的比值，在加入的游離余氯濃度大于0.1mg/L時，銅綠微囊藻的相對細胞葉綠素a含量極低.結(jié)果表明，游離余氯濃度越高，F(xiàn)v/Fm值越低，微囊藻的光合作用能力越低，相對細胞葉綠素a含量越低.

表1 不同濃度游離余氯衰減到0.03mg/L以下所需時間Table 1 Required time for free residual chlorine to decay below 0.03mg/L

圖2 不同游離余氯濃度作用下銅綠微囊藻Fv/Fm的響應曲線Fig.2 Photosynthetic efficiency （Fv/Fm） of Microcystis aeruginosa treated with various free residual chlorine concentrations

表2 不同游離余氯濃度作用下的生長抑制率（%）Table 2 Growth inhibition ratio of Microcystis aeruginosa as a function of chlorine concentration and length of exposure （%）

圖3 相對細胞葉綠素a含量Fig.3 Relative chlorophyll-a content of Microcystis aeruginosa

2.3 溫升和游離余氯聯(lián)合作用對銅綠微囊藻的影響

表3 聯(lián)合作用下的生長抑制率（%）Table 3 Inhibition ratio of Microcystis aeruginosa under different conditions of temperature and chlorine concentration （%）

圖4 聯(lián)合作用下銅綠微囊藻Fv/Fm的響應曲線Fig.4 Combined effect of temperature and chlorine concentration on photosynthetic efficiency （Fv/Fm）of Microcystis aeruginosa

聯(lián)合作用試驗中，為了模擬實際情況中溫度和游離余氯隨時間和距離的的衰減，分別設置了3℃溫升和6℃溫升以及0.1mg/L和0.2mg/L這兩個濃度.28℃—0mg/L表示28℃溫度下，不添加游離余氯的空白對照組；34℃—0.1mg/L和34℃—0.2mg/L表示34℃溫度（6℃溫升）下，添加游離余氯濃度為0.1mg/L和0.2mg/L的兩個試驗組，分別模擬排口較近距離和排口附近；31℃—0.1mg/L和31℃—0.2mg/L表示31℃溫度（3℃溫升）下，添加游離余氯濃度為0.1mg/L和0.2mg/L的兩個試驗組，前者模擬排口較遠距離，后者在實際情況中出現(xiàn)較少.結(jié)果顯示，31℃—0.2mg/L和34℃—0.2mg/L試驗組中，微囊藻生長受到顯著抑制，抑制率在第10d分別達到了99.35%和99.32%（表3）.鏡檢發(fā)現(xiàn)細胞大多呈現(xiàn)空化狀態(tài)，細胞體積變小，細胞受到嚴重破壞，甚至一個月之后再進行檢測，也沒有任何恢復，說明破壞作用是不可逆的.

圖5 聯(lián)合作用下銅綠微囊藻的相對細胞葉綠素a含量Fig.5 Combined effect of temperature and chlorine concentration on relative chlorophyll-a content of Microcystis aeruginosa

聯(lián)合作用下銅綠微囊藻Fv/Fm的響應曲線如圖4所示.對照組Fv/Fm值變化不大，31℃—0.1mg/L和34℃—0.1mg/L兩個試驗組中Fv/Fm值僅1d即降到0.1以下，之后逐漸恢復，在第5d恢復至對照組的水平.恢復后的Fv/Fm值達到0.5以上，但圖2中25℃溫度下，0.1mg/L游離余氯濃度作用下的試驗組中第5d的Fv/Fm值不到0.5，說明溫升對于0.1mg/L游離余氯作用下銅綠微囊藻光合活性的恢復具有一定的促進作用；31℃—0.2mg/L和34℃—0.2mg/L兩個試驗組中微囊藻Fv/Fm值始終處于低水平，對比圖2中25℃溫度下，0.2mg/L游離余氯濃度作用下的試驗組，說明溫升不會促進0.2mg/L游離余氯作用下銅綠微囊藻光合活性的恢復.圖5表示聯(lián)合作用下銅綠微囊藻的相對細胞葉綠素a含量，31℃—0.2mg/L和34℃—0.2mg/L兩個試驗組中微囊藻相對細胞葉綠素a含量極低，而31℃—0.1mg/L 和34℃—0.1mg/L兩個試驗組中相對細胞葉綠素a含量大于1，表明這兩個試驗組中藻細胞葉綠素a含量比對照組高.

3 討論

水體富營養(yǎng)化往往伴隨著浮游藻類的過量增長［12］，微囊藻是湖庫水華的常見優(yōu)勢藻種，其中以銅綠微囊藻造成的災害尤甚［13］.銅綠微囊藻喜好高溫，在水溫30～35℃時生長最佳［14］，本試驗中，水溫在21～32℃范圍內(nèi)，微囊藻生物量隨溫升逐漸增加.銅綠微囊藻對游離余氯非常敏感，當游離余氯濃度為0.05mg/L時，雖然光合活性迅速降低，但是很快恢復，因此該濃度可以認為是一個安全濃度，當游離余氯濃度≥0.1mg/L時，銅綠微囊藻受到明顯抑制，這與楊佳等［15］的試驗結(jié)果基本一致.

光合活性與藻類的生長是密切相關(guān)的，F(xiàn)v/Fm值反映著光系統(tǒng)Ⅱ活性的大小，可直接表征藻類的光合作用.結(jié)果表明，銅綠微囊藻的Fv/Fm值對于余氯的響應非常迅速，一旦加入氯，F(xiàn)v/Fm值均迅速降低，當氯逐漸衰減，低濃度作用下的Fv/Fm值又會慢慢恢復，但游離余氯濃度達到0.2mg/L時，光合系統(tǒng)受到嚴重損壞，之后亦不會恢復，溫升也不會對其恢復有促進作用.這表明光合活性能夠預測藻類生長的趨勢，F(xiàn)v/Fm值能夠作為藻類生長狀況的一個指標.有資料顯示［16］，溫排水含有游離余氯，余氯對浮游植物生長的抑制正是由于其對光合系統(tǒng)的破壞作用.

從工藝角度看，采用直流冷卻方式的電廠加氯方法主要可分為連續(xù)加氯法（使冷卻系統(tǒng)中一直保持低濃度的氯，其濃度在冷凝器入口處應不低于0.1～0.5mg/L，此法首先用于濱海電廠）、不連續(xù)加氯法（加入氯量與連續(xù)法相同，可節(jié)省投氯量50%，但其效果不如連續(xù)加氯法）和間歇加氯法（短時高劑量加氯，濃度達到5～10mg/L，接著較長時段不加，可有效地防止黏液細菌附著，主要用于淡水系統(tǒng)）.結(jié)合試驗結(jié)果分析，雖然在電廠排水口附近水域溫升有利于銅綠微囊藻生長，但由于余氯作用，藻細胞光合作用受到抑制，甚至出現(xiàn)不可逆的細胞損傷；以不連續(xù)加氯法和間歇加氯法為例，保守估計排水口附近水域游離余氯濃度為0.2mg/L左右［17-18］，在此條件下，即使存在溫升作用，藻類光合活性依然難以恢復，隨著時間推移，溫排水影響到周圍水域，余氯濃度衰減，溫度慢慢降低.當游離余氯濃度下降到0.1mg/L時，可以發(fā)現(xiàn)微囊藻的光合活性仍然較低，這說明電廠排水口附近水域水華現(xiàn)象的發(fā)生概率很低；如果電廠加氯方式為連續(xù)加氯，在0.1mg/L游離余氯作用的水域，微囊藻生長一樣受到抑制，藻類難以增殖.雖然本研究表明電廠溫排水對周邊水域微囊藻增殖具有直接抑制作用，但從淡水生態(tài)系統(tǒng)角度來看，溫排水中的余氯還可能同時會對浮游動物、底棲動物產(chǎn)生負面影響，需要進一步開展系統(tǒng)研究.另外，在單獨溫升作用下，細胞葉綠素a含量非常接近，而在聯(lián)合作用下，31℃—0.1mg/L和34℃—0.1mg/L下的細胞葉綠素a含量卻較對照組高，即溫升與余氯的聯(lián)合作用對藻細胞葉綠素a含量存在促進作用，這是否暗示受到余氯脅迫時，微囊藻在細胞生理層面上具有反饋機制，有待進一步探索.

4 結(jié)論

4.1 銅綠微囊藻對游離余氯非常敏感，當濃度為0.05mg/L時，就會對光合活性造成一定的抑制，但余氯很快會衰減到0.03mg/L以下，活性恢復，藻密度開始增長；當游離余氯濃度大于0.1mg/L時，藻細胞光合活性會下降，生長受到明顯抑制；0.2mg/L游離余氯作用下，藻細胞光合活性接近于0，藻細胞發(fā)生空化，一個月后也沒有恢復.

4.2 通過聯(lián)合作用試驗，發(fā)現(xiàn)溫升對于0.1mg/L游離余氯作用下銅綠微囊藻光合活性的恢復具有一定的促進作用，對于0.2mg/L作用下則沒有.

4.3 采用直流冷卻方式的電廠排水口銅綠微囊藻會受到很強烈的抑制作用，藻細胞受到嚴重破壞，當加氯方式為連續(xù)加氯時，0.1mg/L作用下的水域，微囊藻生長也會受到抑制.

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Simulation study on effects of thermal discharge from an electric power plant on Microcystis aeruginosa.

ZHANG Lu1， HUANG Ying-ying1， CHEN Xue-chu1*， PENG Xin2， GU Shi-yong3（1.School of Environmental Science and Engineering， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240， China；2.Zhejiang Mariculture Research Institute， Wenzhou 325005， China；3.Minhang Environmental Monitoring Station， Shanghai 201100， China）. China Environmental Science，2015，35（4）：1181～1186

The influence of elevated temperature and residual chlorine of power plant thermal discharges on Microcystis aeruginosa was investigated. Laboratory experiments were carried out to study the growth and photosynthetic response of M. aeruginosa to a range of temperatures and chlorine concentrations. The results showed that temperature rise favored the growth of M. aeruginosa， especially at a lower ambient temperature. On the other hand， M. aeruginosa was very sensitive to free residual chlorine. When the chlorine concentration exceeded 0.1mg/L， the photosynthetic activity was greatly reduced， indicating the inhibitory growth effects. The inhibition was compensated by increasing water temperature at a chlorine concentration of less than 0.2mg/L. Our results suggest the growth of M. aeruginosa， near outlets of power plants， would be greatly inhibited with severely damaged cells. Moreover， with continuous addition of chlorine， the growth of M. aeruginosa was negatively affected at a chlorine concentration of 0.1mg/L.

thermal discharge；temperature rise；free residual chlorine；Microcystis aeruginosa

X171.5

A

1000-6923（2015）04-1181-06

張 露（1990-），男，湖北荊州人，上海交通大學碩士研究生，主要從事水環(huán)境及生態(tài)恢復研究.

2014-08-15

浙江省重大科技專項（2012C13005）

* 責任作者， 講師， cxcsnow@163.com