水源水藻類污染及菌群演替變化

王語(yǔ)笑

（廣州市自來(lái)水有限公司，廣東 廣州 510160）

自然界中由于氮和磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量少，藻類的生長(zhǎng)受到制約，不能大量生長(zhǎng)。但是近年來(lái)由于人類大量排放含有豐富氮磷元素的生活污水和和工業(yè)廢水，未經(jīng)處理直接排入江河湖泊后，使水體的營(yíng)養(yǎng)成分提高，導(dǎo)致地表水源的藻類過(guò)度生長(zhǎng)。藻類的相對(duì)密度在1左右，由于接近水的密度，大多數(shù)藻類懸浮在水體表面，藻類的大量繁殖會(huì)給飲用水的處理帶來(lái)嚴(yán)重影響。除此之外，藻類和水體伴生微生物是淡水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在結(jié)構(gòu)和功能上均有不可替代的地位。藻類能夠?yàn)樗锾峁┭鯕?，微生物則能夠分解水中有機(jī)物，使得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)中得以循環(huán)，從而維持生態(tài)平衡?；谠孱惡臀⑸锏拿芮嘘P(guān)系，藻類大量繁殖時(shí)，微生物能夠通過(guò)改變周圍環(huán)境特征從而對(duì)藻類群落建立相互作用，因此，藻類繁殖能夠顯著改變微生物群落結(jié)構(gòu)的組成。

1.藻類對(duì)自來(lái)水生產(chǎn)的影響

自來(lái)水廠的凈水過(guò)程經(jīng)常遭受藻類問(wèn)題的困擾，特別是混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒四大組合的傳統(tǒng)常規(guī)凈水工藝。高藻類原水進(jìn)入自來(lái)水廠后，對(duì)藥耗、生產(chǎn)工藝以及凈水構(gòu)筑物池壁都會(huì)產(chǎn)生不利的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 藥耗增加

在藻類的光合作用下，水中pH值升高，溶解氧增加，導(dǎo)致礬花密度降低，沉淀去除率降低，需要投加的混凝劑用量就會(huì)增加。此外，水中的藻類以及藻類產(chǎn)生的有機(jī)物，也會(huì)增加消毒劑和混凝劑的使用劑量。由于水中藻類帶負(fù)電難以混凝，藻類的代謝物糖酸會(huì)與混凝劑水解產(chǎn)物出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，其生成的絡(luò)合物會(huì)大量附著于絮體顆粒的表面，這會(huì)對(duì)顆粒的碰撞、絮凝產(chǎn)生影響，如果不增加混凝劑用量，就會(huì)影響自來(lái)水的質(zhì)量。同時(shí)，藻類產(chǎn)生的有機(jī)物會(huì)與水中的氯、氨氮發(fā)生反應(yīng)，在自來(lái)水的生產(chǎn)中，水管網(wǎng)中的游離氯必須要達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，就不得不增加次氯酸鈉用量，這不僅會(huì)增加了自來(lái)水的生產(chǎn)成本，也會(huì)導(dǎo)致水中的消毒副產(chǎn)物增加，影響了人們的用水安全。

1.2 堵塞濾池

地表水源中常見(jiàn)的藻類有硅藻、藍(lán)藻、綠藻等等，有的水源中還有金藻、裸藻、甲藻等，這些藻類的尺寸不一，會(huì)嚴(yán)重影響飲用水的凈水質(zhì)量。一些藻類的密度相對(duì)較小，即便采用了絮凝沉淀的方式也很難去除，經(jīng)過(guò)處理后，沒(méi)有被去除的藻類會(huì)大量聚集，覆蓋在濾池上方，特別是砂濾池上方更加常見(jiàn)，如果附著量太大，就會(huì)影響水流的正常通過(guò)，這會(huì)增加維護(hù)時(shí)間，還需額外的投入資金。在該種情況下，即便是增加反沖洗強(qiáng)度，效果也不甚理想。另外，藻類還會(huì)釋放出一些氣體，這類氣體會(huì)導(dǎo)致濾池出現(xiàn)阻塞，尤其是藻類光合作用會(huì)產(chǎn)生氧氣，對(duì)濾池的影響更大。在我國(guó)，曾經(jīng)有多個(gè)自來(lái)水廠出現(xiàn)了這樣的情況，如，武漢東湖水廠在未進(jìn)行改造前，受到藻類水華的影響，濾池每隔2～3小時(shí)就需沖洗一次，而此前只需每隔12小時(shí)沖洗一次，反復(fù)沖洗大大增加了水量消耗，甚至達(dá)到了制水量的20%，給工作人員帶來(lái)了沉重壓力，也引發(fā)了供水緊張的問(wèn)題?？傮w來(lái)看，有幾類藻類容易導(dǎo)致濾池堵塞，如硅藻門(mén)中的小環(huán)藻、星桿藻、直鏈藻；綠門(mén)藻中的盤(pán)星藻屬、水綿藻、小球藻等等。

Pakmer等研究了藻類對(duì)濾池過(guò)濾效果的影響，當(dāng)藻類數(shù)量小于50萬(wàn)個(gè)/升時(shí)，不會(huì)引起濾池堵塞，當(dāng)藻類數(shù)量達(dá)到50萬(wàn)～100萬(wàn)個(gè)/升時(shí)，濾池稍有堵塞現(xiàn)象；當(dāng)藻類數(shù)量為100～200萬(wàn)/升時(shí)，濾池有明顯堵塞現(xiàn)象；當(dāng)藻類數(shù)量大于200萬(wàn)/升時(shí)，濾池會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞。我國(guó)水廠也有類似情況，如武漢東湖水廠在工藝改造前，在藻類影響下，濾池反沖洗周期由原來(lái)的12小時(shí)縮短為2～3小時(shí)，反沖洗水量最高可達(dá)制水量的20%。

1.3 附著凈水構(gòu)筑物池壁

藻類很容易附著在池壁、混凝土的表面，對(duì)水廠的正常生產(chǎn)、運(yùn)行造成不利影響。藻類的物理與化學(xué)作用也會(huì)產(chǎn)生腐蝕，導(dǎo)致池壁老化，同樣，粗糙的構(gòu)筑物表面又給藻類寄生提供繁殖場(chǎng)所。另一方面，藻類長(zhǎng)期附著生長(zhǎng)，會(huì)形成生物粘泥，既影響凈水過(guò)程中的感官質(zhì)量，又增加了洗池的頻率和費(fèi)用，以及工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.4 藻類對(duì)水質(zhì)的影響

藻類產(chǎn)生的氣味中含有致臭物質(zhì)土臭素和2-甲基異冰片，雖然對(duì)健康無(wú)明顯危害，但是臭味非常嚴(yán)重，常使自來(lái)水用戶的用水體驗(yàn)不愉快。藍(lán)、綠藻在一定的環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生對(duì)健康有害的毒素，嚴(yán)重情況下，飲用含有藻毒素的自來(lái)水會(huì)引起腸道疾病，甚至可能會(huì)有致疾、致突變的危害。目前，我國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中微囊藻毒素-LR的限制為0.001mg/L。常規(guī)凈水工藝對(duì)藻毒素的去除效率較低，需采用活性炭或臭氧處理。由于消毒劑投加的增加，產(chǎn)生的氯化消毒副產(chǎn)物也增加，導(dǎo)致飲用水中的致突變性增強(qiáng)。另外，藻類也會(huì)對(duì)管網(wǎng)與管網(wǎng)水質(zhì)產(chǎn)生影響，穿透濾池的藻類能夠與水中殘留生物結(jié)合，為微生物的生長(zhǎng)、繁殖提供了基質(zhì)，讓細(xì)菌大量生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致管網(wǎng)中滋生海綿動(dòng)物、線蟲(chóng)等，這類生物去除難度非常高，若情況嚴(yán)重，還會(huì)堵塞水龍頭與水表。藻類與細(xì)菌繁殖還會(huì)引發(fā)二次污染，讓管網(wǎng)水質(zhì)的色度上升、水變得渾濁、細(xì)菌總數(shù)增加，而水中無(wú)機(jī)離子也會(huì)與金屬氧化物之間發(fā)生反應(yīng)，讓各類無(wú)機(jī)顆粒結(jié)合，在沉積較厚的情況下，會(huì)引起垢下腐蝕、腐殖質(zhì)腐化，嚴(yán)重影響管網(wǎng)水質(zhì)，會(huì)直接縮短管網(wǎng)的服務(wù)年限。

2.藻類對(duì)微生物群落的影響

在水生生態(tài)系統(tǒng)中，藻類和微生物作為生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的重要調(diào)控者，兩者之間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系如互利共生、競(jìng)爭(zhēng)抑制等，往往對(duì)水體藻華的形成具有關(guān)鍵調(diào)控作用。藻類和微生物之間的關(guān)系復(fù)雜且微妙，它們不僅能夠?yàn)閷?duì)方提供生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而建立互利關(guān)系，也會(huì)因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)生態(tài)位抑制對(duì)方生長(zhǎng)從而形成拮抗關(guān)系。它們是亦敵亦友的關(guān)系，會(huì)隨著生長(zhǎng)環(huán)境及自身生理狀況的不同發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。因此，通過(guò)長(zhǎng)期調(diào)研微生物群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，以及與藻類之間的關(guān)系，從而發(fā)現(xiàn)微生物群落結(jié)構(gòu)與藻類的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，對(duì)水體藻華進(jìn)行預(yù)警。

傳統(tǒng)的研究更多的是關(guān)注溫度、光照強(qiáng)度、pH等環(huán)境因素對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響，然而藻華形成過(guò)程微生物的動(dòng)態(tài)變化也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前，學(xué)者對(duì)于地表淡水藻華形成機(jī)制的研究越來(lái)越多，藻華與真菌和細(xì)菌等微生物的關(guān)聯(lián)也逐漸得到研究者的重視。Sun等采用測(cè)序方法，研究鞭毛藻暴發(fā)期間，水體中真菌的群落結(jié)構(gòu)及其與藻類的關(guān)聯(lián)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在藻類暴發(fā)期間，水體中真菌門(mén)水平上主要以子囊菌門(mén)、壺菌門(mén)、黏菌門(mén)和擔(dān)子菌門(mén)為主，屬水平的真菌發(fā)生了顯著變化，爆發(fā)初期以Hysteropatella、Malassezia和Saitoella為主，爆發(fā)期間以及高峰期間Malassezia最為豐富，Saitoella和Lipomyces的數(shù)量在藻華衰退時(shí)期逐漸增多，約占序列的70%，末期Rozella的豐度迅速增加，最高可達(dá)50～60%。結(jié)果分析，Rozella和Saitoella對(duì)鞭毛藻的生長(zhǎng)影響較強(qiáng)，共性真菌在藻華初期占主導(dǎo)，腐殖質(zhì)性真菌在暴發(fā)期占優(yōu)勢(shì)，而致病性真菌在衰退期迅速增長(zhǎng)富集。Chen等采用分子生物技術(shù)研究了太湖微囊藻爆發(fā)對(duì)真核微生物群落結(jié)構(gòu)組成變化的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微囊藻爆發(fā)和衰亡期間，真核微生物會(huì)有短暫的變化，并且真菌會(huì)成為優(yōu)勢(shì)種群。可見(jiàn)，微囊藻生物量積累可以對(duì)真核微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響，真菌與微囊藻生物量的分解可能存在一種腐生關(guān)聯(lián)。綜上所述，藻類大量繁殖能夠顯著改變真核微生物群落結(jié)構(gòu)的組成。

Su等在2013年8月至2014年7月對(duì)太湖水體中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成與細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成在受到藍(lán)藻華影響后的變化進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌群落組成的總體變化受微囊藻影響，細(xì)菌群落生物多樣性指數(shù)與微囊藻的豐度以及細(xì)胞內(nèi)藻毒素濃度呈顯著的負(fù)相關(guān)，即微囊藻及相關(guān)藻毒素通過(guò)降低來(lái)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的生物多樣性。Li等在太湖進(jìn)行原位試驗(yàn)，研究了不同生物量的微囊藻在積累和分解期間，細(xì)菌群落組成短期內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)微球菌和軍團(tuán)菌的相對(duì)豐度與微囊藻生物量的分解之間具有顯著相關(guān)性，分析發(fā)現(xiàn)在微囊藻的積累和分解期間，自由生活和顆粒附著的細(xì)菌群落組成發(fā)生了明顯變化，主要是因?yàn)槲⒛以宸纸庖甬a(chǎn)生的葉綠素a、溶解性有機(jī)碳、溶解氧等的變化對(duì)細(xì)菌群落的變化產(chǎn)生很大影響，微球菌和軍團(tuán)菌與微囊藻分解之間可能存在腐生關(guān)聯(lián)。毛莉等以三峽庫(kù)區(qū)小江支流為研究對(duì)象，研究藍(lán)藻水華對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水華優(yōu)勢(shì)藍(lán)藻為魚(yú)腥藻，占總生物量的67%，水華中末期，細(xì)菌群落變化顯著，中期主要以玫瑰單胞菌等細(xì)菌為主，末期以芽孢桿菌等細(xì)菌為優(yōu)勢(shì)菌，且變形菌門(mén)及放線菌門(mén)細(xì)菌相對(duì)豐度明顯增加，暗示了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成與藍(lán)藻水華生消變化可能具有相關(guān)性。

基于藻類和微生物的大量研究，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)藻類與微生物群落結(jié)構(gòu)存在的相互作用，很可能與藻華發(fā)生及衰退過(guò)程存在相應(yīng)的關(guān)系。在藻類代謝過(guò)程中，能夠產(chǎn)生有利于微生物生長(zhǎng)的溶解性有機(jī)物，同樣的，細(xì)菌也可利用有機(jī)物質(zhì)分解完成自身代謝活動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生一些氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素以供藻類生長(zhǎng)利用，以實(shí)現(xiàn)藻類同微生物的互利共生。藻類同微生物也存在對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)或者抑制作用，這種作用是通過(guò)一種化學(xué)信息的交流方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)誘導(dǎo)物質(zhì)濃度達(dá)到閾值時(shí)，微生物能夠通過(guò)群感效應(yīng)引發(fā)諸如產(chǎn)生有毒物質(zhì)等一系列的行為，來(lái)有效抑制藻類的生命代謝活動(dòng)。目前，從自然環(huán)境中分離純化的具有殺藻活性的菌屬有很多，比如海單胞菌屬（Marinomonas）、海旋菌屬（Thalassospira）、副球菌屬（Paracoccus）、鹽單胞菌（Halomonas）等。通過(guò)對(duì)藻類繁殖演替過(guò)程中具有顯著相關(guān)性的微生物進(jìn)行深入研究，能夠探索在藻類暴發(fā)及衰退過(guò)程中微生物起的關(guān)鍵作用。

從藻類爆發(fā)的具體原因來(lái)看，有幾個(gè)方面。一是日照與水溫：光的強(qiáng)度會(huì)影響藻類生長(zhǎng)，在枯水季節(jié)，河水淺、水位低、透光性好，有利于藻類的光合作用，而陰雨天則不利于藻類的繁殖，一般情況下，在冬末春初，藻類更易爆發(fā)；二是水位與流速：如果水流遲緩，會(huì)形成與湖泊環(huán)境類似的水體，水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)在固定的區(qū)域中積累，給水藻的繁殖提供了良好條件；三是氮磷源：在藻類的生長(zhǎng)、發(fā)育與繁殖中，氮、磷兩類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)起著關(guān)鍵作用，在藻類細(xì)胞質(zhì)中，有H、O、C、P、N等元素，根據(jù)當(dāng)前水體富營(yíng)養(yǎng)化的研究顯示，適當(dāng)?shù)牡妆仁菍?dǎo)致藻類爆發(fā)的重要原因。氮磷則主要源自于生活污水、工業(yè)廢水的排放，隨著水體污染的日益嚴(yán)重與污水量的增加，自來(lái)水藻類污染的問(wèn)題也日益嚴(yán)重。

2.水源水藻類污染的去除方法

2.1 物理法

常用的物理法有：①微濾機(jī)除藻：微濾機(jī)多為孔眼在35μm的濾網(wǎng)，能夠去除50%～70%的藻類，97%～100%的懸浮物，但對(duì)濁度的改善效果不理想；②微電解除藻：微電解能夠殺死水中的細(xì)菌和藻類，可直接破壞藻類的葉綠體結(jié)構(gòu)，讓藻類完全喪失光合作用；③超聲波除藻：高強(qiáng)度的超聲波能夠?qū)υ孱惣?xì)胞壁產(chǎn)生破壞，還能夠分解藻毒素，有著迅速、高效、無(wú)二次污染的優(yōu)勢(shì)；④活性炭吸附：活性炭吸附也有很好的去除效果，但是該種處理方式成本相對(duì)較高。

2.2 化學(xué)法

化學(xué)法也是去除自來(lái)水中藻類的常用方法：①化學(xué)藥劑法：常用的化學(xué)藥劑有氯氣、高錳酸鉀、臭氧、硫酸銅等；②混凝劑強(qiáng)化除藻：混凝劑強(qiáng)化也是去除藻類的有效方式，可以去除藻細(xì)胞，但對(duì)胞外溶解性藻毒素去除效果不明顯，對(duì)此，可適當(dāng)調(diào)整pH值，研究顯示，在pH值在5.5左右時(shí)，對(duì)胞外藻毒素去除率可提升至60%～70%。

2.3 生物法

生物法是利用生物對(duì)藻類的吸附、降解和絮凝作用，將水與藻類分離，部分可被微生物降解、部分沉降，其中最為常見(jiàn)的就是生物接觸氧化法。早在1995年開(kāi)始，清華大學(xué)就嘗試采用生物處理法，結(jié)果顯示，陶粒對(duì)于藻類的去除效果良好，藻類去除率能夠達(dá)到50%～80%，但對(duì)綠藻的去除效果不明顯。還有研究顯示，生物法對(duì)于水中的藻毒素也有一定的去除效果，之所以浮水、池底等自然水體中的藻濃度可維持在較低范圍，其原因就是因?yàn)槠涞撞坑写罅靠山到庠孱惗舅氐奈⑸?。目前，學(xué)界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)能夠降解藻類毒素的微生物，但是，生物處理技術(shù)還處在初級(jí)發(fā)展階段，在實(shí)際的應(yīng)用中，還存在連續(xù)式反應(yīng)器中微生物固定等一系列的問(wèn)題，但可以預(yù)見(jiàn)的是，生物法可能是處理自來(lái)水中藻類最為實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的辦法，在水廠中，可借助微生物來(lái)處理氨氮和藻毒素，還能夠用在水廠的沉淀、混凝以及反沖洗污泥的處理中。

3.討論

藻類繁殖過(guò)程中微生物群落結(jié)構(gòu)的演替能夠解析藻華發(fā)生全過(guò)程微生物所起的關(guān)鍵作用，因此，可通過(guò)對(duì)藻華發(fā)生過(guò)程關(guān)鍵微生物的監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)藻華發(fā)生的提前預(yù)警，這樣能夠從水源開(kāi)始杜絕藻華發(fā)生對(duì)人來(lái)健康生活的危害。除此之外，也可通過(guò)對(duì)具有殺藻作用的微生物進(jìn)行深入研究，引入較為環(huán)保的生物殺藻菌劑，為日后藻華的發(fā)生提供有效的可行的生物除藻方法。