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(huì) 海河流域水環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300170

水體富營養(yǎng)化及藻類有毒代謝物問題目前已經(jīng)成為國際環(huán)境問題研究熱點(diǎn)[1-3]。據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署公布的數(shù)據(jù)，全球約有70%的淡水水體出現(xiàn)了水體富營養(yǎng)化污染的現(xiàn)象[4]。對中國531個(gè)代表性湖庫的生態(tài)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，95%以上湖庫受到富營養(yǎng)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(yán)峻，面臨著“有河皆干，有水皆污”的境況[6]。流域內(nèi)水體中氮磷營養(yǎng)鹽濃度普遍較高，夏季氣溫升高容易導(dǎo)致水源地發(fā)生藍(lán)藻水華事件，洋河水庫、于橋水庫等多個(gè)海河流域地表水水源地均出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化狀況[7-9]。當(dāng)藍(lán)藻大量繁殖時(shí)，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(dǎo)致供水管路堵塞[10]。水華的另一個(gè)危害是藻類死亡后的代謝物容易形成異味物質(zhì)和毒素影響供水安全[11-13]。HERNANDEZ等認(rèn)為隨著富營養(yǎng)化程度加劇，藍(lán)藻暴發(fā)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(jīng)逐漸成為飲水安全重大關(guān)注問題之一。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)選擇

研究區(qū)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(qū)以及引灤入津沿線。該研究區(qū)在海河流域?qū)儆谒|(zhì)相對較好區(qū)域，多個(gè)水庫承擔(dān)天津、唐山、秦皇島等城市供水任務(wù)。但是，近年來該區(qū)域地表水水源地在夏季存在著水體富營養(yǎng)化問題，多個(gè)水庫先后發(fā)生藍(lán)藻水華事件，成為該區(qū)域飲水安全的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。因此，研究選擇該區(qū)域6個(gè)地表水水源地開展水源地藻類及代謝物相關(guān)研究工作，研究區(qū)位置見圖1。

圖1 研究區(qū)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(shí)采集該區(qū)域內(nèi)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(gè)水庫浮游植物和微囊藻毒素樣品。根據(jù)水源地監(jiān)測任務(wù)，采樣點(diǎn)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(zhì)狀況。浮游植物定性樣品用25號(hào)(0.074 mm)浮游生物網(wǎng)，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(biāo)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行，定性樣品分類主要依據(jù)形態(tài)學(xué)分類方法，種類鑒定參照FreshwaterAlgaeofNorthAmerica：EcologyandClassification[15]和《中國淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[16]；定量樣品帶回實(shí)驗(yàn)室靜置24 h，然后濃縮至30 mL，以浮游生物計(jì)數(shù)框?qū)ζ溥M(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)濃縮倍數(shù)計(jì)算藻細(xì)胞密度。

藻類鑒定分析質(zhì)控要求主要參考文獻(xiàn)報(bào)道要求[17]，樣品鑒定完畢后，由另一位相關(guān)專業(yè)人員對樣品進(jìn)行抽檢，抽檢比例為10%，確保分類鑒定的準(zhǔn)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)壓作用下，使待測溶液以穩(wěn)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?dú)饬飨麓抵两?，用初始流?dòng)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(zhì)譜條件

流動(dòng)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(jìn)樣量為10 μL。梯度洗脫程序?yàn)?～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?dú)?液氮罐供氣)；碰撞氣為高純氮?dú)?；參?shù)優(yōu)化方式為SCAN模式和productor模式；檢測方式為MRM模式。

1.3.2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線、回收率及檢出限

量取一定量LR和RR標(biāo)準(zhǔn)溶液，用20%甲醇溶液稀釋成1 mg/L混合標(biāo)準(zhǔn)液。然后依次稀釋成濃度為100、50、10、5、1 μg/L標(biāo)準(zhǔn)液。MC-LR和MC-RR標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)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(shù)為1 000，以100%回收率計(jì)算，方法檢出限理論值為0.06、0.1 ng/L。

1.3.2.5 質(zhì)量控制和質(zhì)量保證

樣品分析過程中根據(jù)《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL 219—2013)中的質(zhì)控要求，通過樣品空白、空白加標(biāo)、樣品平行樣等方法保證監(jiān)測成果質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)偏差為4.90%和12.60%。

2 結(jié)果與討論

2.1 水庫藻類及富營養(yǎng)化情況

2017年夏季采樣鑒定結(jié)果表明：研究區(qū)的6個(gè)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(shí)，水庫中優(yōu)勢種群以藍(lán)藻類為主，于橋水庫藍(lán)藻門所占比例達(dá)到98.8%，而藻密度較小時(shí)，藍(lán)藻門所占比例會(huì)有所下降，桃林口水庫藍(lán)藻門僅占17.7%。由此可見，當(dāng)水庫藻類增長暴發(fā)時(shí)，藍(lán)藻門成為水體中浮游植物的主體?；谠迕芏戎笜?biāo)的湖泊水體營養(yǎng)類型評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[18](表1)，由6個(gè)水庫藻密度鑒定結(jié)果計(jì)算了各水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)，結(jié)果表明：于橋水庫、洋河水庫為極富營養(yǎng)水體，石河水庫為中營養(yǎng)水體，潘家口水庫和大黑汀水庫為貧中營養(yǎng)水體，桃林口水庫為貧營養(yǎng)水體，詳見表2。該研究區(qū)水源地曾經(jīng)多次報(bào)道發(fā)生水體富營養(yǎng)化事件[7-9]，在生態(tài)文明建設(shè)要求下，目前水體質(zhì)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(zhì)受到大規(guī)模網(wǎng)箱養(yǎng)殖影響，水質(zhì)類別一度出現(xiàn)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(guān)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(wǎng)箱。研究結(jié)果表明，網(wǎng)箱清理后潘家口、大黑汀水庫水質(zhì)明顯改善，水庫富營養(yǎng)化程度明顯好轉(zhuǎn)。雖然目前于橋水庫和洋河水庫水體富營養(yǎng)化程度還較高，但隨著上游調(diào)水潘家口、大黑汀水庫水質(zhì)好轉(zhuǎn)，于橋水庫水體富營養(yǎng)化程度勢必也會(huì)有明顯改善。洋河水庫富營養(yǎng)化主要原因是上游水土流失帶來大量營養(yǎng)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(yǎng)化狀況會(huì)較快得到改善。

表1 水體營養(yǎng)類型評價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)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(qū)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(lián)質(zhì)譜法分析了樣品中微囊藻毒素(表3)。結(jié)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(wèi)生規(guī)范》中MC-LR的含量不能高于1.0 μg/L的規(guī)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(qū)水源地水體中微囊藻毒素潛在風(fēng)險(xiǎn)較小，但是作為水源地應(yīng)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(yīng)密切關(guān)注并監(jiān)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(huì)造成危害。

2.3 水庫富營養(yǎng)化與藻毒素相關(guān)性分析

微囊藻毒素是富營養(yǎng)化淡水水體藍(lán)藻屬分泌產(chǎn)生的一類天然藍(lán)藻毒素，已發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)生藻毒素的藍(lán)藻約40余種，為藍(lán)藻水華危害最嚴(yán)重的污染物質(zhì)之一。研究結(jié)果表明：水體富營養(yǎng)化程度與微囊藻毒素濃度呈明顯正相關(guān)(圖2)。在富營養(yǎng)化程度高的水體中藍(lán)藻占明顯優(yōu)勢，而藍(lán)藻又是微囊藻毒素的主要來源，因此藍(lán)藻暴發(fā)導(dǎo)致微囊藻毒素風(fēng)險(xiǎn)明顯增大。

表3 海河流域?qū)嶋H水樣檢測結(jié)果Table 3 The result of samples in Haihe River Basin

圖2 研究區(qū)水源地藍(lán)藻密度與微囊藻毒素關(guān)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(jié)果表明：呈極富營養(yǎng)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(yǎng)或貧營養(yǎng)水庫均未檢出微囊藻毒素。據(jù)相關(guān)研究報(bào)道，微囊藻毒素是一類性質(zhì)穩(wěn)定并主要來源于銅綠微囊藻等藍(lán)藻死亡代謝胞內(nèi)化合物[20]。另外，魚腥藻、束絲藻、顫藻等也均能產(chǎn)生微囊藻毒素[21]。研究中發(fā)現(xiàn)，于橋水庫和洋河水庫中藍(lán)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(yīng)該是微囊藻毒素產(chǎn)生的主要來源。

3 結(jié)論

研究同時(shí)對海河流域東北部6個(gè)水庫型水源地開展了藻類及微囊藻毒素相關(guān)研究工作，研究結(jié)果表明：

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

通過固相萃取-液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法同時(shí)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(gè)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(wèi)生規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)限制。

水源地富營養(yǎng)化程度與微囊藻毒素濃度呈明顯正相關(guān)，藍(lán)藻暴發(fā)導(dǎo)致微囊藻毒素風(fēng)險(xiǎn)明顯增大。因此，在藍(lán)藻暴發(fā)期間(特別是暴發(fā)后期)應(yīng)加密監(jiān)測，確保微囊藻毒素濃度不會(huì)對供水人群健康造成危害。