汾河太原河段水華發(fā)生及潛在危害

王 捷 劉 琪 馮 佳 呂俊平 程 革 張建民 謝樹蓮

（1山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 2山西省太原市汾河景區(qū)管理委員會）

囗學(xué)術(shù)天地

汾河太原河段水華發(fā)生及潛在危害

王 捷1劉 琪1馮 佳1呂俊平1程 革2張建民2謝樹蓮1

（1山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 2山西省太原市汾河景區(qū)管理委員會）

汾河是山西人民的“母親河”，在社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活中起著極其重要的作用。隨著工業(yè)發(fā)展和城市人口的迅速膨脹，人們的生態(tài)環(huán)境保護意識不強，將廢水傾入河流，導(dǎo)致汾河水體富營養(yǎng)化，水質(zhì)惡化出現(xiàn)水華。2011年，汾河太原段暴發(fā)了大規(guī)模的藍藻水華，被污染的水體長達數(shù)公里。藻類水華產(chǎn)生的藻毒素和異味物質(zhì)，會對水生動植物及人們的健康產(chǎn)生嚴重威脅。論述了汾河太原河段水華的發(fā)生狀況、產(chǎn)生機制及潛在的危害，對未來水華的防控提出了建議。

水華 藻毒素 水體富營養(yǎng)化 汾河太原段

山西省是我國煤炭資源豐富的大省，但也是水資源嚴重匱乏的省份之一。素有山西“母親河”之稱的汾河，是省內(nèi)最大、最長的河流，發(fā)源于晉西北的寧武縣宋家崖，途徑6市34縣，縱貫山西南北，在社會經(jīng)濟發(fā)展和居民生活中起著不可估量的作用。

汾河太原河段處于汾河流域的中段，全長大約30 km，貫穿太原城區(qū)五大區(qū)，其中汾河景區(qū)段已形成集休閑、度假、觀光旅游為一體，以“人、城市、生態(tài)、文化”為主題的大型公園。目前，汾河景區(qū)段全長20.5 km，水面寬500 m，總綠化面積400萬m2，蓄水面積600萬m2，蓄水量約1 000萬m3[1]。近年來，汾河兩岸居民未經(jīng)處理的生活污水、沿線工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢水、汛期地表徑流及雨污合流污染物，不斷排入汾河段水體，其污染程度大大超出了水體的自凈能力，富營養(yǎng)化日益嚴重，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，為水華發(fā)生創(chuàng)造了主要條件。水華的發(fā)生可產(chǎn)生藻毒素和異味物質(zhì)。目前的研究發(fā)現(xiàn)，分布最廣、產(chǎn)量和危害最大的是淡水水體中藻類產(chǎn)生和釋放的次生代謝產(chǎn)物藍藻毒素（Cyanotoxin），其化學(xué)性質(zhì)相當穩(wěn)定，自然降解緩慢，且具有高耐熱性，加熱煮沸也很難破壞其結(jié)構(gòu)，自來水廠常規(guī)的消毒處理不能完全去除藻毒素，對人類和牲畜有大的致毒作用[2]。水體異味主要表現(xiàn)為化學(xué)和生物致味物質(zhì)[3]。生物性致味物質(zhì)來源比較廣泛，產(chǎn)生異味藻類難確定，導(dǎo)致自然水體和飲用水中的異味物質(zhì)難以去除，已成為世界性的問題[4]。本文綜述了汾河太原河段的水質(zhì)現(xiàn)狀及發(fā)生的水華現(xiàn)象，并對其產(chǎn)生的潛在危害進行了闡述。

1 汾河太原河段水質(zhì)現(xiàn)狀及水華現(xiàn)象

汾河太原河段，由于近年來河流兩岸工業(yè)、農(nóng)業(yè)廢水與居民未經(jīng)處理的生活污水不斷排入，水體富營養(yǎng)化嚴重，導(dǎo)致水質(zhì)惡化發(fā)生水華。據(jù)調(diào)查，2011年8月，太原市汾河景區(qū)的迎澤大橋和南內(nèi)環(huán)橋段暴發(fā)大規(guī)模的藍藻水華，兩岸聚集了大量的藻類，連成了兩條綠色的“水華油漆帶”，被污染的水域長達數(shù)公里。這也是汾河景區(qū)段首次遭遇的大面積水華。至今，汾河太原河段每年都會出現(xiàn)局部水華現(xiàn)象，多發(fā)生于夏、秋兩季。其原因，主要是由于適宜的自然環(huán)境（光照、溫度和營養(yǎng)鹽等）為浮游植物提供了良好的生活場所，導(dǎo)致水華出現(xiàn)。發(fā)生水華的優(yōu)勢種也出現(xiàn)一定的變化，呈現(xiàn)出年度和季節(jié)更替現(xiàn)象，其中藍藻的數(shù)量和在時空分布上占有絕對優(yōu)勢。據(jù)山西大學(xué)環(huán)境保護協(xié)會的調(diào)查顯示，汾河太原河段水質(zhì)污染嚴重超標。太原市環(huán)保部門的監(jiān)測結(jié)果評價，該段為中度富營養(yǎng)化水體。

2 水體富營養(yǎng)化及水華暴發(fā)機制

富營養(yǎng)化（Eutrophication）一般是指江河湖海和水庫等緩流水體中營養(yǎng)鹽（主要是氮和磷）增加，導(dǎo)致水生植物和浮游植物爆發(fā)性增殖的現(xiàn)象。由于水體的富營養(yǎng)化，加上適宜的光照和溫度等環(huán)境條件，浮游植物呈現(xiàn)指數(shù)倍增長，某些藻類短時間內(nèi)成為優(yōu)勢種群，大面積覆蓋于水體表面，稱為水華（Water bloom）。水華發(fā)生可導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，溶解氧下降，水質(zhì)惡化。

水體富營養(yǎng)化是水華發(fā)生的基本條件，水文氣象是催化劑，各種因素相互作用導(dǎo)致水華暴發(fā)。原核生物藍藻和真核生物綠藻、裸藻、硅藻、甲藻、金藻和隱藻都可在一定的條件下形成水華，其危害性都比較大。其中，藍藻水華已成為全球富營養(yǎng)化水體中發(fā)生最廣、危害最大的水華類型[5]。

藍藻水華發(fā)生（圖1）的主要生物學(xué)機制為：（1）低光補償及高光耐受機制。藍藻具有特殊的光合作用色素—藻膽素，吸收光譜更寬，可適應(yīng)弱光條件生存。強光對真核藻類的光合作用有一定的影響，但是藍藻在強光下可合成大量類胡蘿卜素來抵抗這種不良環(huán)境，免受傷害。（2）奢侈消費機制。藍藻水華可以吸收大量的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，以其自身特殊的形式儲存于體內(nèi)，抵御營養(yǎng)缺乏的環(huán)境。（3）固氮機制。水環(huán)境中氮源供應(yīng)不足時，具有異形胞的藍藻可以自身固氮，提高競爭力。（4）無機碳濃縮機制。藍藻可吸收和濃縮外源有限的無機碳，在體內(nèi)大量積累，保證其在低碳環(huán)境中持續(xù)穩(wěn)定增長。（5）休眠機制。藍藻水華在低溫等不利生長條件下，可形成厚壁孢子和藻殖段等休眠體進入底泥，進行休眠度過不良環(huán)境。當生長環(huán)境有利其生長時，休眠體復(fù)蘇，可再次形成水華。（6）自動浮力調(diào)節(jié)機制。具有偽空胞的藍藻水華，通過控制偽空胞的數(shù)量上下沉浮，調(diào)節(jié)浮力，吸收光能進行光合作用。（7）生態(tài)位替補競爭機制。不同的環(huán)境和時期有不同的藍藻形成優(yōu)勢種。（8）產(chǎn)毒素機制。藍藻產(chǎn)生藻毒素，抑制其他水生植物和藻類的生長。

圖1 藍藻水華形成及其影響因子

3 水華的危害

浮游植物是水生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者和溶解氧供應(yīng)者，是水體中食物鏈和食物網(wǎng)形成的基礎(chǔ)，維持著水生態(tài)系統(tǒng)的平衡和健康。近年來，由于我國經(jīng)濟快速穩(wěn)定的發(fā)展，人類活動日益頻繁，大量含氮、磷的工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水和生活污水持續(xù)不斷地排入緩流水體中，加速了富營養(yǎng)化的發(fā)生，在極短的時間內(nèi)藻類大規(guī)模生長，迅速成團、成片地漂浮在水體表面，打破了水體原有的穩(wěn)態(tài)，影響了水生動植物及人們的正常生活，并且?guī)砹司薮蟮奈：Α?/p>

3.1 影響汾河自然景觀

汾河太原河段發(fā)生水華時，大量的藻類植物漂浮在水面上，在適宜的環(huán)境條件下，還會形成厚厚的藻層，覆蓋于水體表面，降低了透明度，空氣和水體的氣體交換被阻斷，溶解氧減少，影響了水生動植物的呼吸和光合作用。此外，大規(guī)模的藻類死亡后，也會消耗大量的溶解氧，造成水體中溶解氧急劇降低，嚴重時甚至?xí)霈F(xiàn)厭氧狀態(tài)，加快了沉水植物和水生動物的死亡。

在水華發(fā)生嚴重的地方，出現(xiàn)水體渾濁，呈深黑褐色，有時產(chǎn)生氣泡并伴隨有惡臭氣味發(fā)生。水質(zhì)迅速惡化的現(xiàn)象，人們稱之為湖泛。2009年，我國常年處于水華狀態(tài)的江蘇太湖發(fā)生了10多次的湖泛現(xiàn)象[6]，以后每年都會發(fā)生水華或湖泛。在汾河太原段的一些陰溝處，也常常發(fā)生湖泛。在發(fā)生湖泛的汾河景區(qū)，水體渾濁呈黑色，并發(fā)出惡臭，會破壞景觀水體的美學(xué)價值和觀賞者的心情，并對旅游業(yè)也產(chǎn)生極大的影響。

3.2 藻毒素的產(chǎn)生影響水質(zhì)

藻類植物種類繁多，海水藻類可引起赤潮，而淡水藻類可引起水華發(fā)生，無論海水種還是淡水種都可產(chǎn)生藻毒素。目前，研究發(fā)現(xiàn)分布最廣、產(chǎn)量和危害最大的是淡水水體中藻類產(chǎn)生和釋放的次生代謝產(chǎn)物為藍藻毒素（Cyanotoxin），其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，自然降解緩慢，耐高熱，自來水廠的常規(guī)消毒處理不能完全去除，對人類和牲畜有較大的致毒作用。因此，對其種類、毒性、產(chǎn)毒機理及基因的研究，具有非常重要的意義。

3.2.1 藍藻毒素的類型及結(jié)構(gòu)

藍藻門（Cyanophyta）中的多個種類可產(chǎn)生藍藻毒素，由于其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，分子上某個基團的變化就會產(chǎn)生新的毒素種類。依據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)，主要可分為寡肽類（Oligopeptides）如微囊藻毒素（Microcystins，MCs）、 生 物 堿 類 （Alkaloid） 和 脂 多 糖 類（Lipopolysaccharide）等，其毒性主要可分為細胞毒性（Cytotoxic）、肝毒性（Hepatotoxic）、神經(jīng)毒性（Neurotoxic）、皮炎毒性（Dermatotoxic）和內(nèi)毒性（Endotoxic）[7，8]。

3.2.2 微囊藻毒素的含量標準及危害

微囊藻毒素（MCs）毒性是自然界中僅次于二惡英（Dioxin）的毒素，是一種細胞內(nèi)毒素，在生物體內(nèi)具有富集作用。美國、英國、澳大利亞和中國等都檢測到某些飲用水源中有MCs。世界衛(wèi)生組織（WHO）建議飲用水中MCs含量應(yīng)低于1μg L-1。21世紀初，我國衛(wèi)生部和國家環(huán)境保護總局規(guī)定飲用水源中MC-LR含量的基準值為1μg L-1[9]。

大量研究表明，MCs主要是通過抑制蛋白磷酸化酶（PP1和PP2A）的活性，導(dǎo)致細胞內(nèi)蛋白質(zhì)活性調(diào)控的關(guān)鍵途徑磷酸化和去磷酸化水平失衡，破壞細胞骨架，是腫瘤形成的促進劑[10]。MCs主要具有肝毒性，長久飲用含有MCs的水會引起肝損傷甚至肝癌。目前，關(guān)于MCs引起肝中毒的報道不少，最嚴重的是1996年巴西血液透析事件，造成了126人急性或亞急性肝中毒，有53人死亡。中毒后主要表現(xiàn)為耳鳴、頭痛及眩暈等神經(jīng)癥狀，甚至還有肝臟腫大、肝功能衰竭甚至肝壞死現(xiàn)象。Chen等[11，12]的研究結(jié)果顯示，無論是無脊椎動物還是魚類，肝臟是MCs的主要聚集地。MCs還具有腎毒性，它通過腎臟進行代謝和排泄，因此，腎臟成為了它的另一靶器官。Ito等[30]的研究顯示，腎臟中也會積聚MCs，可能對腎臟具有更大的毒性。Milutinovi等[13]的研究表明，MCs可破壞小鼠的腎小球毛細管簇，從而對小鼠的腎臟有一定病理損傷。此外，MCs還具有遺傳毒性、生殖毒性、腸毒性和胚胎毒性，并能引起皮膚過敏，對心臟、肺和神經(jīng)系統(tǒng)等器官和系統(tǒng)都會產(chǎn)生一定的損傷。

近年來，與人類健康安全相關(guān)的MCs中毒事件時有報道。流行病學(xué)調(diào)查顯示，MCs同我國東南沿海一些地區(qū)（江蘇省海門和啟東市）、廣西綏遠地區(qū)和廈門市同安區(qū)原發(fā)性肝癌的高發(fā)病率密切相關(guān)[14,15]。近年來，MCs已經(jīng)加速浸入了我們的生活。據(jù)報道顯示，我國一些湖泊、水庫等水源地的毒素含量雖然較低，但是它的慢性毒性也應(yīng)該引起我們的重視。值得注意的是，在汾河太原河段上游的水源地汾河一庫和汾河二庫，發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)藍藻毒素的藻類。在今后的研究中，需加大這兩個水源地的藻毒素含量的監(jiān)測力度。

3.3 異味物質(zhì)產(chǎn)生影響環(huán)境

3.3.1 水體異味來源

水體異味主要表現(xiàn)為化學(xué)和生物致味物質(zhì)?；瘜W(xué)致味物質(zhì)產(chǎn)生的主要原因有兩個方面：（1）生活污水和工農(nóng)業(yè)廢水異味（如農(nóng)藥等）；（2）自來水廠消毒劑（含氯化合物）產(chǎn)生的異味。生物致味物質(zhì)產(chǎn)生的主要原因有三個方面：（1）富營養(yǎng)化水體中浮游植物大量生長產(chǎn)生的藻源性異味；（2）水華腐敗厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的異味；（3）微生物分解有機物產(chǎn)生的異味?；瘜W(xué)性致味物質(zhì)的污染源及污染物容易確定，也易消除。但是生物性致味物質(zhì)來源比較廣泛，產(chǎn)異味藻類難確定，導(dǎo)致自然水體和飲用水中的異味物質(zhì)難以去除，已經(jīng)成為世界性問題。

3.3.2 水體異味的種類

目前，已經(jīng)通過感官鑒定出多種多樣的水體異味物質(zhì)，但是由于不同異味物質(zhì)可能產(chǎn)生相同的嗅味或者同一異味物質(zhì)在不同的濃度下產(chǎn)生不同的嗅味，給異味物質(zhì)的鑒定帶來了一定的困難。國內(nèi)外研究人員，一直致力于異味物質(zhì)的鑒定分類和分析。1999年，Suffet等[16]研究出了飲用水異味輪狀圖，圖中清晰地顯示了飲用水中的異味物質(zhì)種類及其產(chǎn)生的化合物。土霉味和草木味是淡水水體中分布最廣、出現(xiàn)最多的味道，土霉味主要是由土腥素（Geosmin）和 2-甲基異莰醇（2-Methylisoborneol）引起[17，18]，而草木味主要由 β-環(huán)檸檬醛（β-Cyclocitral）和 β-紫羅蘭酮（β-Ionone）這兩種化合物引起[19]。

3.4 影響區(qū)域社會經(jīng)濟及居民生活

水華的產(chǎn)生會給漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)帶來極大的經(jīng)濟損失。水華發(fā)生時，藻類成片覆蓋于水面，水體中溶解氧降低，導(dǎo)致水生動物死亡。水華藻類產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物藻毒素，能引起人們眼睛和皮膚的過敏，還可對人和動物的肝臟、腎臟及其他器官產(chǎn)生損傷。產(chǎn)生的異味物質(zhì)影響供水水質(zhì)，提高供水處理成本，給人們的生活和經(jīng)濟發(fā)展帶來不可估量的損失[20-22]。世界上很多國家，如美國、德國、日本、澳大利亞、瑞士、挪威和丹麥等國的湖泊或水源，都發(fā)生過水生物引起的水體異味事件。2007年，江蘇省無錫市城區(qū)發(fā)生了非常嚴重的自來水嗅味事件，水體伴隨著異味，完全不能正常飲用，當?shù)爻泻蜕痰甑募儍羲粨屬徱豢?，給市民的生活帶來了極大的影響。在太原市的水源地汾河一庫和汾河二庫也發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)異味物質(zhì)的藍藻藻株，雖然生物量較少，但在今后的研究中，還需加大對這兩個水源地有害藻類的監(jiān)測，提前做好水華防控措施，防止有害藍藻的大規(guī)模出現(xiàn)。

4 汾河太原段水華防控展望

汾河太原河段發(fā)生的水華已引起太原市政府多個部門的重視，采取了多種措施進行防控。由于水華藻從復(fù)蘇到成為優(yōu)勢種的時間逐漸縮短，其優(yōu)勢種不斷更替，進一步深入探究水華藻的越冬和復(fù)蘇機制和水華藻成為優(yōu)勢種的主導(dǎo)生態(tài)因子是必要的。在汾河一庫和汾河二庫發(fā)現(xiàn)了可產(chǎn)生微囊藻毒素和異味物質(zhì)的藻類，需要高度重視，及早防控，避免其成為優(yōu)勢種。因此，必須加大對重要水源地水體富營養(yǎng)化程度和有害藻類生物量的監(jiān)測，同時應(yīng)用遙感技術(shù)預(yù)測預(yù)警水華藍藻的生物量，進一步研究生態(tài)安全、長久控藻的水華防治方法，保證水環(huán)境質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展。

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X524

A

1008-0120（2017）03-0017-04

山西省重點研發(fā)計劃項目（201603D321001，201603D321008）

2017-06-13

王 捷（1984-）：男，博士研究生；通訊地址：太原市塢城路92號，030006