再生水補(bǔ)水的景觀水體優(yōu)勢藻種水華爆發(fā)閾值條件的確定

于匯洋， 徐志嬙， 龍怡靜， 史 可， 曹琛潔

(西安理工大學(xué) 水利水電國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

將再生水作為城市河湖的補(bǔ)充水源，不僅可置換出大量的新鮮水資源，改善城市的生態(tài)環(huán)境，還可為工業(yè)、市政雜用等其他用途提供水資源儲備。再生水已在許多國家和地區(qū)得到應(yīng)用，例如，北京的奧林匹克湖、西安的護(hù)城河、美國的埃爾西諾(Elsinore)湖、韓國的西娃(Shihwa)湖等[1-4]。但再生水中有機(jī)物含量、氮磷濃度、pH值、含鹽量等水質(zhì)指標(biāo)均大于天然水[5-6]，加之城市水系一般流動(dòng)性較差，所以，用再生水補(bǔ)入城市水系極易引發(fā)藻類水華等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問題[7-8]。

氮磷營養(yǎng)鹽、光照和溫度對藻類水華爆發(fā)的影響顯著[9]。在淡水湖泊中，正常代謝的藻類最佳生長營養(yǎng)鹽濃度比(N/P)約為16 ∶1，此時(shí)藻細(xì)胞的生長主要受磷濃度的限制，當(dāng)水溫大于15 ℃時(shí)，容易誘發(fā)藍(lán)藻水華[10-11]，而以再生水補(bǔ)水的城市景觀水體中藍(lán)藻和綠藻為優(yōu)勢藻種(占比達(dá)60%以上)，易發(fā)生藍(lán)綠藻水華[12]。所以氮磷濃度，尤其是磷濃度，是造成富營養(yǎng)化的決定性因素，通過限制磷輸入可控制富營養(yǎng)化湖泊中有害藻類的生長[13]。溫度對水體富營養(yǎng)化的影響顯著，溫度的波動(dòng)能夠影響藻細(xì)胞生長代謝速率[14]，在城市湖泊中較高的營養(yǎng)水平指數(shù)和葉綠素a(Chl-a)濃度會出現(xiàn)在春夏季[13]。在天然水體中，綠藻在低溫時(shí)相較藍(lán)藻更加具有競爭力，更易成為優(yōu)勢群體，而溫度較高時(shí)則相反[15-16]。再生水的補(bǔ)入可能會引起浮游植物的種群組成發(fā)生改變[17]，溫度變化引發(fā)的藻種之間的競爭優(yōu)勢是否還遵循上述藻類的競爭規(guī)律還需進(jìn)一步論證。光照是藻細(xì)胞光合作用必不可少的條件，光照會給藻類的生長提供充足的能量，但光照強(qiáng)度過于強(qiáng)烈反而會抑制其生長。例如，小球藻在5 500 lx照度下生長繁殖狀況最佳，當(dāng)照度超過9 000 lx時(shí)，會對其生長繁殖產(chǎn)生抑制作用[18]。由于不同的研究區(qū)域氣溫及光照強(qiáng)度均存在一定差異，造成再生水補(bǔ)水的水體中優(yōu)勢藻種的組成也不盡相同，不同優(yōu)勢藻種對光照強(qiáng)度的反應(yīng)效果可能也存在一定的差異。但目前有關(guān)再生水補(bǔ)水的水體中藻類在營養(yǎng)鹽濃度、溫度和照度共同影響下生長趨勢的研究成果還不多見，對再生水補(bǔ)水的水體中水華爆發(fā)的條件和規(guī)律還缺乏全面的認(rèn)識。

本文以西安市護(hù)城河為例開展藻類生長影響研究。護(hù)城河?xùn)|、西兩段(長度約6.2 km)分別用大峪水庫地表水和西安市清遠(yuǎn)中水有限公司生產(chǎn)的再生水進(jìn)行補(bǔ)水，監(jiān)測結(jié)果顯示[2]，再生水補(bǔ)水段的TN、TP、PO43-平均濃度均高于地表水補(bǔ)水段，尤其是PO43-濃度高出9倍以上。在春夏季，地表水補(bǔ)水段的Chl-a濃度基本維持在50 mg/m3以下，再生水補(bǔ)水段Chl-a濃度大部分時(shí)間段大于100 mg/m3，更易爆發(fā)藻類水華[19]。所以，要解決有害藻類水華問題，需結(jié)合研究區(qū)域再生水補(bǔ)水水體的水質(zhì)變化規(guī)律，從對藻類影響最顯著的氮磷濃度、光照和溫度3個(gè)因素入手，明確藻類爆發(fā)的閾值條件，從而為再生水補(bǔ)水水體藻類水華的控制提供理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)材料與研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1) 實(shí)驗(yàn)水樣。本研究選取西安市護(hù)城河再生水補(bǔ)水段原水和再生水廠出廠水作為實(shí)驗(yàn)用水，并按N/P(總氮濃度與總磷濃度之比)的平均值對水質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)控后作為實(shí)驗(yàn)水樣。由西安市護(hù)城河再生水補(bǔ)水段和再生水廠出水水質(zhì)的監(jiān)測結(jié)果(表1、2)可知，再生水中的總氮主要以硝態(tài)氮的形式存在(占比約為85%～95%)，磷主要以正磷酸鹽為主(占比約為80%～90%)，春夏季再生水補(bǔ)水段N/P平均值為17.5 ∶1，再生水廠出廠水中N/P平均值為30 ∶1。

表1 西安市春夏季護(hù)城河再生水補(bǔ)水段原水水質(zhì)參數(shù)

表2 西安市護(hù)城補(bǔ)充再生水的出廠水水質(zhì)參數(shù)

(2)藻類生長水環(huán)境。本研究分3種氮磷營養(yǎng)水環(huán)境工況進(jìn)行藻類生長研究。

工況1：根據(jù)護(hù)城河再生水補(bǔ)水水源(再生水出廠水)氮磷平均濃度進(jìn)行調(diào)控，即氮、磷的調(diào)控值為：TN=9 mg/L，TP=0.3 mg/L，N/P=30 ∶1；

工況2：根據(jù)護(hù)城河再生水補(bǔ)水段2019年春夏季水體氮磷平均濃度進(jìn)行調(diào)控，即氮、磷的調(diào)控值為：TN=3.5 mg/L，TP= 0.2 mg/L，N/P=17.5 ∶1；

工況3：根據(jù)護(hù)城河再生水補(bǔ)水段實(shí)際TN和TP濃度現(xiàn)狀和未來再生水廠提標(biāo)改造到準(zhǔn)Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)考慮TN濃度進(jìn)一步降低比較困難[20-21]，再生水補(bǔ)水段TN濃度仍按工況2考慮，再生水廠經(jīng)提標(biāo)后，TP濃度將執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，此過程在實(shí)驗(yàn)室使用磷吸附劑實(shí)現(xiàn)，該工況氮、磷的調(diào)控值為：TN=3.5 mg/L，TP= 0.1 mg/L， N/P=35 ∶1。

(3)優(yōu)勢藻種的擴(kuò)培。護(hù)城河再生水補(bǔ)水段春夏季主要的優(yōu)勢藻種為水華微囊藻、普通小球藻和四尾柵藻[2]。從中國科學(xué)院淡水藻種庫分別購置了水華微囊藻(FACHB-1028)、普通小球藻(FACHB-8)和四尾柵藻(FACHB-1468)，采用配置好的BG-11培養(yǎng)基在恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行優(yōu)勢藻種的擴(kuò)培，培養(yǎng)條件為溫度T=20～25 ℃、光照強(qiáng)度=1 000～2 000 lx、光暗比=12 h ∶12 h，培養(yǎng)時(shí)間為20～30 d。

(4)藻液的配制。將擴(kuò)培好的3種優(yōu)勢藻液分別在顯微鏡下計(jì)數(shù)，根據(jù)計(jì)數(shù)得出的培養(yǎng)基中的藻密度以及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中的藻密度和水樣體積計(jì)算實(shí)驗(yàn)所需藻液量。將適量的藻液放入無菌的離心管內(nèi)，以4 000 r/min轉(zhuǎn)速離心15 min，去掉上清液，添加NaHCO3溶液(15 mg/L)至離心管原始刻度，循環(huán)上述步驟3次，即可洗掉藻液中的營養(yǎng)鹽成分，得到實(shí)驗(yàn)所需藻液。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)單因素實(shí)驗(yàn)。

①藻類生長最佳溫度的確定：以工況2為實(shí)驗(yàn)水樣(模擬西安市護(hù)城河再生水補(bǔ)水段水質(zhì))，對實(shí)驗(yàn)水樣進(jìn)行殺菌后，分別接種水華微囊藻(藻密度為1.0×104cell/mL，Chl-a 濃度為2 mg/m3)、普通小球藻(藻密度為1.0×104cell/mL，Chl-a濃度為5 mg/m3)、四尾柵藻(藻密度為1.0×104cell/mL，Chl-a濃度為10 mg/m3)，在光照強(qiáng)度= 5 000 lx、光暗比=12 h ∶12 h條件下，觀測不同溫度(15、20、25、30、35、40 ℃)的藻類生長情況，確定藻類生長的最佳溫度。測試指標(biāo)為3種藻種的藻密度和Chl-a濃度。

②藻類生長最佳光照強(qiáng)度的確定：以工況2為實(shí)驗(yàn)水樣，以上述①中所確定的最佳生長溫度為控制條件，在光暗比=12 h ∶12 h的條件下，觀測不同光照強(qiáng)度(0、1 000、3 000、5 000、7 000、9 000 lx)下3種優(yōu)勢藻種的生長情況，以確定最佳光照條件。

③以上述①和②中所確定的最佳溫度和光照強(qiáng)度為控制條件，在光暗比=12 h ∶12 h的條件下，觀測3種工況下3種優(yōu)勢藻種的生長情況。

上述每組實(shí)驗(yàn)均設(shè)3個(gè)平行樣，藻類培養(yǎng)時(shí)間為10 d。

(2)藻類爆發(fā)實(shí)驗(yàn)。

①水華微囊藻爆發(fā)條件實(shí)驗(yàn)：以單因素實(shí)驗(yàn)中獲得的水華微囊藻最佳溫度和光照強(qiáng)度為控制條件，在工況2(模擬護(hù)城河再生水補(bǔ)水段水質(zhì))的水樣中接種水華微囊藻(藻密度=1×104cell/mL)，在光暗比=12 h∶12 h條件下，觀測水華微囊藻藻密度變化情況，獲得其水華爆發(fā)的條件。

②普通小球藻爆發(fā)條件實(shí)驗(yàn)：以單因素實(shí)驗(yàn)中獲得的普通小球藻最佳溫度和光照強(qiáng)度為控制條件，在工況1(模擬再生水廠出水水質(zhì))的水樣中接種普通小球藻(藻密度=1.0×104cell/mL)，在光暗比=12 h ∶12 h條件下，觀測普通小球藻藻密度變化情況，獲得其水華爆發(fā)的條件。

③四尾柵藻爆發(fā)條件實(shí)驗(yàn)：以單因素實(shí)驗(yàn)中獲得的四尾柵藻最佳溫度和光照強(qiáng)度為控制條件，在工況1(模擬再生水廠出水水質(zhì))的水樣中接種四尾柵藻(藻密度=1.0×104cell/mL)，在光暗比=12 h ∶12 h條件下，觀測四尾柵藻藻密度變化情況，獲得其水華爆發(fā)的條件。

上述每組實(shí)驗(yàn)均設(shè)3個(gè)平行樣，藻類培養(yǎng)時(shí)間為10 d。

2.3 分析與計(jì)算方法

藻密度采用浮游生物框計(jì)數(shù)法計(jì)算；Chl-a濃度采用葉綠素?zé)晒鉁y定儀和丙酮-超聲法(校核葉綠素儀)測定；藻類抑制率計(jì)算公式如下：

IR=(1-N/N0)×100%

(1)

式中：IR為藻類抑制率，%；N0為初始藻密度，cell/mL；N為產(chǎn)生抑制后的藻密度，cell/mL。

3 結(jié)果與分析

3.1 溫度對藻類生長的影響

采用工況2實(shí)驗(yàn)水樣在光暗比=12 h ∶ 12 h、光照強(qiáng)度=5000 lx的條件下，水華微囊藻、普通小球藻和四尾柵藻3種優(yōu)勢藻的藻密度和Chl-a濃度隨生長溫度(T=15～40 ℃)的變化情況如圖1所示。由圖1可知，隨著溫度的逐步升高，3種藻種的生長速率呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)溫度T=25 ℃時(shí)，普通小球藻和四尾柵藻的藻密度達(dá)到最大，分別為74.3×104和38.1×104cell/mL，此時(shí)水樣中兩種藻類的Chl-a濃度也達(dá)到峰值，分別為368和376 mg/m3。而水華微囊藻的最佳生長溫度為30 ℃，此時(shí)其藻密度和Chl-a濃度分別為105.2×104cell/mL和209 mg/m3。之后，隨著溫度的進(jìn)一步升高，3種藻種的生長速率開始下降，當(dāng)T=40 ℃時(shí)，水華微囊藻、普通小球藻和四尾柵藻的藻密度分別降至15.8×104、0.7×104和0.7×104cell/mL，說明高溫環(huán)境對3種優(yōu)勢藻的生長有抑制作用。在模擬再生水補(bǔ)水的水體中，水華微囊藻的生長最為旺盛，其次為普通小球藻和四尾柵藻。相比較而言，水華微囊藻在較高溫度(30 ℃左右)的再生水補(bǔ)水條件下生長旺盛，競爭優(yōu)勢較強(qiáng)，而普通小球藻和四尾柵藻等綠藻在中溫(25 ℃左右)條件下具有一定的競爭優(yōu)勢。

圖1 3種優(yōu)勢藻的藻密度和Chl-a濃度隨生長溫度的變化情況(工況2實(shí)驗(yàn)水樣)

3.2 光照強(qiáng)度對藻類生長的影響

在工況2實(shí)驗(yàn)水樣、光暗比=12 h ∶12 h、水華微囊藻生長溫度T=30 ℃以及普通小球藻和四尾柵藻生長溫度T=25 ℃的條件下，3種優(yōu)勢藻的藻密度和Chl-a濃度隨光照強(qiáng)度(0～9 000 lx)的變化情況如圖2所示。

由圖2可知，光照強(qiáng)度為0時(shí)，藻類無法生長，隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，藻類開始生長繁殖，藻密度和Chl-a濃度隨之增大。當(dāng)光照強(qiáng)度為5 000 lx時(shí)，普通小球藻的藻密度和Chl-a濃度達(dá)到最大，分別為74.3×104cell/mL和368 mg/m3。之后，隨著光照強(qiáng)度的進(jìn)一步增加，普通小球藻的生長受到抑制，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到9 000 lx時(shí)，藻密度降為零，這也與相關(guān)研究規(guī)律基本一致[18]。四尾柵藻適宜的光照條件為7 000 lx，此時(shí)四尾柵藻的藻密度為63.4×104cell/mL，Chl-a濃度為629 mg/m3。水華微囊藻隨著光照強(qiáng)度的增加而持續(xù)生長，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到9 000 lx時(shí)，水華微囊藻的藻密度高達(dá) 134.0×104mg/m3。可見，在春夏季的高溫以及強(qiáng)照度條件下，水華微囊藻在再生水補(bǔ)水的水體中更容易成為優(yōu)勢藻，爆發(fā)水華的風(fēng)險(xiǎn)較高。

圖2 3種優(yōu)勢藻的藻密度和Chl-a濃度隨光照強(qiáng)度的變化情況(工況2實(shí)驗(yàn)水樣)

3.3 氮磷濃度對藻類生長的影響

3種優(yōu)勢藻分別在其最佳的生長溫度和光照強(qiáng)度下(水華微囊藻為：T=30 ℃，光照強(qiáng)度=9 000 lx；普通小球藻為：T=25 ℃，光照強(qiáng)度=5 000 lx；四尾柵藻為：T=25 ℃，光照強(qiáng)度=7 000 lx)，在3種工況(氮磷比N/P分別為30 ∶1、17.5 ∶1、35 ∶1)的實(shí)驗(yàn)水樣中培養(yǎng)10 d，水華微囊藻、普通小球藻和四尾柵藻的藻密度和Chl-a濃度變化情況如圖3所示。由圖3可知，普通小球藻和四尾柵藻在氮磷濃度相對較高的工況1(再生水出廠水)條件下更易生長，其藻密度和Chl-a濃度分別可達(dá)122×104、81×104cell/mL和593、794 mg/m3。而水華微囊藻更易在氮磷比相對較低的工況2(再生水補(bǔ)水)的水環(huán)境中生長，藻密度最大可增加至134×104cell/mL，增長率達(dá)133%。通過對再生水出廠水進(jìn)行水質(zhì)提升后(主要措施為降低TP濃度，即工況3)，3種優(yōu)勢藻的生長趨勢均得到減緩，因總磷濃度降低(由TP=0.3 mg/L降至TP=0.1 mg/L)使得水華微囊藻、普通小球藻、四尾柵藻的藻密度分別由工況1的104×104、122×104和81×104cell/mL減小到85×104、53×104和48×104cell/mL，其抑制率分別為18.3%、56.6%和40.7%。

圖3 3種優(yōu)勢藻在不同工況下的藻密度和Chl-a濃度變化情況(最佳生長溫度和光照強(qiáng)度)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的3種優(yōu)勢藻的藻密度與Chl-a濃度平均值分別進(jìn)行一元線性回歸分析，水華微囊藻、普通小球藻和四尾柵藻的藻密度與Chl-a濃度的回歸方程分別為y=1.9730x+0.4390(R2=0.9978，n=108，P<0.05)、y=4.8270x+0.6855(R2=0.9966，n=108，P<0.05)和y=9.9102x+0.0067(R2=0.9994，n=108，P<0.05)。3個(gè)擬合方程的擬合優(yōu)度R2值均接近1，說明3種優(yōu)勢藻的藻密度與Chl-a濃度之間均符合線性關(guān)系(n=108，P<0.05)，且顯著性較高。

3.4 水華爆發(fā)狀況分析

由3.1～3.3節(jié)的研究結(jié)果可知，3種藻種的最優(yōu)生長條件分別為：水華微囊藻T=30 ℃，光照強(qiáng)度=9 000 lx，N/P=17.5 ∶1；普通小球藻T=25 ℃，光照強(qiáng)度=5 000 lx，N/P=30 ∶1；四尾柵藻為T=25 ℃，光照強(qiáng)度=7 000 lx，N/P=30 ∶1。按照水華發(fā)生的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)水體中藻密度大于1×104cell/mL時(shí)，水體會發(fā)生富營養(yǎng)化問題，當(dāng)藻密度大于10×104cell/mL時(shí)，水體中會出現(xiàn)水華爆發(fā)現(xiàn)象[22]。3種優(yōu)勢藻在各自最優(yōu)生長條件下的藻密度隨生長時(shí)間的變化情況見圖4。由圖4可知，水華微囊藻生長速度最快，在培養(yǎng)到第3 d時(shí)，藻密度就從初始值1.0×104cell/mL增大至9.1×104cell/mL，已接近水華爆發(fā)的條件(藻密度>10×104cell/mL)，在繼續(xù)培養(yǎng)到第10 d時(shí)，藻密度高達(dá)138×104cell/mL，水體已發(fā)生嚴(yán)重水華。普通小球藻和四尾柵藻在培養(yǎng)到第5 d時(shí)藻密度分別為20.0×104、9.2×104cell/mL，也達(dá)到或接近水華爆發(fā)閾值，到第10 d時(shí)同樣也發(fā)生了較嚴(yán)重的水華?？傮w來看，水華微囊藻和普通小球藻發(fā)生水華爆發(fā)的程度更嚴(yán)重。

圖4 最優(yōu)生長條件下3種優(yōu)勢藻的藻密度隨生長時(shí)間的變化

4 討 論

通過對西安市護(hù)城河再生水補(bǔ)水段識別出的3種優(yōu)勢藻種開展的溫度、光照強(qiáng)度和氮磷營養(yǎng)鹽濃度單因素影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，3種因素對藻類生長的影響顯著，3種藻種最佳生長條件具有一定的差異性。在較高的溫度和光照強(qiáng)度且N/P值相對較低的水體中，水華微囊藻等藍(lán)藻的生長狀況較佳，而在溫度適宜、照度相對較弱且N/P值相對較高的水體中，普通小球藻和四尾柵藻等綠藻將會成為優(yōu)勢種群。這與天然水體中溫度和光照強(qiáng)度變化引起的藍(lán)藻和綠藻優(yōu)勢種群發(fā)生的演替規(guī)律相一致[15-16]。但在氮磷濃度較高、N/P值較大的再生水體中，普通小球藻和四尾柵藻等綠藻更容易成為優(yōu)勢藻種[24]。降低氮磷濃度，可在一定程度上抑制藻類的生長[23]，尤其當(dāng)TP濃度≤ 0.1 mg/m3時(shí)，對普通小球藻和四尾柵藻的抑制作用較顯著，但對水華微囊藻的抑制作用一般。說明通過降低再生水出廠水的總磷濃度，可在一定程度上緩解再生水補(bǔ)入景觀水體后綠藻水華爆發(fā)現(xiàn)象，但還需防范再生水補(bǔ)水引起的藍(lán)藻水華?？梢姡偕|(zhì)的提升和改善可能會引起再生水水體由綠藻優(yōu)勢種群轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)藻優(yōu)勢種群。

對3種優(yōu)勢藻種的藻密度與Chl-a濃度進(jìn)行的線性回歸分析表明，藻密度與Chl-a濃度之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。所以，在進(jìn)行藻類生長狀況的觀測和評估時(shí)，可以選用兩者之一作為依據(jù)，這也與其他相關(guān)研究結(jié)果一致[25]。

3種優(yōu)勢藻種在各自的最佳生長條件下生長3～5 d內(nèi)便可達(dá)到水華爆發(fā)閾值，且水華微囊藻和普通小球藻的生長速率更快。表明在水華爆發(fā)的高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段，監(jiān)測優(yōu)勢藻生長環(huán)境變化趨勢對于水華控制至關(guān)重要。另外，隨著藻類生長環(huán)境的變化，尤其是氮磷濃度的變化，再生水水體中優(yōu)勢藻類種群結(jié)構(gòu)與競爭關(guān)系可能也會發(fā)生改變，還需在這方面進(jìn)行研究和探索，從而為再生水水體水華爆發(fā)的階段演替以及水華控制提供理論支撐。

5 結(jié) 論

(1) 明確了3種優(yōu)勢藻種的最佳生長條件。水華微囊藻在T=30 ℃、光照強(qiáng)度= 9 000 lx且N/P較低的再生水補(bǔ)水的水體中較易生長和繁殖，培養(yǎng)3 d便可達(dá)到水華爆發(fā)的閾值條件；普通小球藻和四尾柵藻在T=25℃、光照強(qiáng)度分別為5 000和7 000 lx且N/P相對較高的再生水出廠水中更易生長，培養(yǎng)5 d即可達(dá)到或接近水華爆發(fā)的閾值。

(2)3種優(yōu)勢藻種的藻密度與其Chl-a濃度之間呈顯著正相關(guān)性(P<0.05)?？蛇x用兩者之一作為藻類生長狀況觀測和評估的依據(jù)。

(3)降低再生水水體中磷濃度可在一定程度上抑制藻類的生長，尤其當(dāng)TP濃度≤ 0.1 mg/m3時(shí)，對普通小球藻和四尾柵藻的抑制作用顯著，藻密度的抑制率分別可達(dá)56.6%和40.7%，而對水華微囊藻的抑制率僅為18.3 %。