海河流域东北部地表水水源地藻类及代谢物研究

张 俊，孟宪智，张世禄，周绪申，孔凡青，王 钊，黄艳凤

水利部海河水利委员会 海河流域水环境监测中心，天津 300170

水体富营养化及藻类有毒代谢物问题目前已经成为国际环境问题研究热点[1-3]。据联合国环境规划署公布的数据，全球约有70%的淡水水体出现了水体富营养化污染的现象[4]。对中国531个代表性湖库的生态调查发现，95%以上湖库受到富营养化影响[5]。众所周知，在全国七大流域中，海河流域水资源承载力状况严峻，面临着“有河皆干，有水皆污”的境况[6]。流域内水体中氮磷营养盐浓度普遍较高，夏季气温升高容易导致水源地发生蓝藻水华事件，洋河水库、于桥水库等多个海河流域地表水水源地均出现水体富营养化状况[7-9]。当蓝藻大量繁殖时，水中的溶解氧浓度也迅速降低，造成鱼虾、螺蜘等水生物死亡，水体也遭受污染，导致供水管路堵塞[10]。水华的另一个危害是藻类死亡后的代谢物容易形成异味物质和毒素影响供水安全[11-13]。HERNANDEZ等认为随着富营养化程度加剧，蓝藻暴发代谢形成的微囊藻毒素势必在更大程度上危害人类的健康[14]。因此，地表水水源地藻类及有毒代谢物问题已经逐渐成为饮水安全重大关注问题之一。

1 实验部分

1.1 研究区选择

研究区位于海河流域东北部，主要包括滦河流域下游、冀东沿海地区以及引滦入津沿线。该研究区在海河流域属于水质相对较好区域，多个水库承担天津、唐山、秦皇岛等城市供水任务。但是，近年来该区域地表水水源地在夏季存在着水体富营养化问题，多个水库先后发生蓝藻水华事件，成为该区域饮水安全的一个重要挑战。因此，研究选择该区域6个地表水水源地开展水源地藻类及代谢物相关研究工作，研究区位置见图1。

图1 研究区位置示意图Fig.1 The map of the study area

1.2 样品采集

在2017年夏季，同时采集该区域内潘家口水库、大黑汀水库、于桥水库、桃林口水库、洋河水库、石河水库等6个水库浮游植物和微囊藻毒素样品。根据水源地监测任务，采样点均位于水库水源地取水口附近开阔水域，最直接反映水源地供水水质状况。浮游植物定性样品用25号(0.074 mm)浮游生物网，在水下0.15 m处作“∞”字型拖拽3 min，入样品瓶后加3 mL福尔马林固定，保存于100 mL标本瓶中带回分析；浮游植物定量样品则取1 L水样于样品瓶中，加15 mL鲁哥氏液固定，带回实验室静置后分析。微囊藻毒素样品采集水库表层水样，用0.025 mm孔径不锈钢筛过滤除去水样中大部分浮游生物和悬浮物，取过滤液至1 L棕色玻璃瓶保存，带回实验室开展前处理及分析。

1.3 鉴定与分析方法

1.3.1 浮游植物

浮游植物镜检采用蔡司Scope A1显微镜进行，定性样品分类主要依据形态学分类方法，种类鉴定参照FreshwaterAlgaeofNorthAmerica：EcologyandClassification[15]和《中国淡水藻类——系统、分类及生态》[16]；定量样品带回实验室静置24 h，然后浓缩至30 mL，以浮游生物计数框对其进行计数，根据浓缩倍数计算藻细胞密度。

藻类鉴定分析质控要求主要参考文献报道要求[17]，样品鉴定完毕后，由另一位相关专业人员对样品进行抽检，抽检比例为10%，确保分类鉴定的准确性。

1.3.2 微囊藻毒素

1.3.2.1 仪器与试剂

Agilent 1260液相色谱仪和6410B 三重四极杆质谱(美国)；Symmetry C18柱(150 mm×2.1 mm, 3.5 μm，美国)和Oasis HLB固相萃取柱(500 mg,6 mL，美国)；ASPE 799固相萃取装置(日本)；MC-LR和MC-RR标准溶液(10 μg/mL,美国)。

1.3.2.2 水样的前处理

水样(500 mL)用甲酸酸化至pH为4～5，过0.45 μm纤维滤膜，去除样品中的悬浮颗粒物。分别用5 mL甲醇和5 mL水活化Oasis HLB柱。在真空泵的负压作用下，使待测溶液以稳定速度通过小柱，流速为1～2滴/s。用5 mL纯水清洗固相萃取柱，干燥柱子10 min。用6 mL甲醇洗脱，洗脱液在微弱氮气流下吹至近干，用初始流动相(20%甲醇溶液)定容至1 mL，过0.45 μm尼龙注射器滤膜，待测。

1.3.2.3 色谱-质谱条件

流动相为0.1%甲酸溶液(A)和甲醇(B)，柱温为35 ℃，流速为0.3 mL/min，进样量为10 μL。梯度洗脱程序为0～8 min，20%～80% B；8～10 min，80% B；10～12 min，80%～20% B；12～25 min，20% B。电喷雾离子源；正离子扫描；锥孔气为氮气(液氮罐供气)；碰撞气为高纯氮气；参数优化方式为SCAN模式和productor模式；检测方式为MRM模式。

1.3.2.4 标准曲线、回收率及检出限

量取一定量LR和RR标准溶液，用20%甲醇溶液稀释成1 mg/L混合标准液。然后依次稀释成浓度为100、50、10、5、1 μg/L标准液。MC-LR和MC-RR标准曲线的线性关系较好，相关系数分别为0.999 5和0.999 1。MC-LR和MC-RR的仪器检出限分别为0.06、0.1 μg/L。MC-LR和MC-RR样品回收率为88.5%和72.6%。浓缩倍数为1 000，以100%回收率计算，方法检出限理论值为0.06、0.1 ng/L。

1.3.2.5 质量控制和质量保证

样品分析过程中根据《水环境监测规范》(SL 219—2013)中的质控要求，通过样品空白、空白加标、样品平行样等方法保证监测成果质量。研究水样中仪器检出限为0.06、0.1 μg/L。MC-LR和MC-RR回收率为88.5%和72.6%，回收率3次平行测定相对标准偏差为4.90%和12.60%。

2 结果与讨论

2.1 水库藻类及富营养化情况

2017年夏季采样鉴定结果表明：研究区的6个水库中，洋河水库和于桥水库藻密度相对较高，桃林口、潘家口、大黑汀水库相对较低。另外，水库中藻密度较高时，水库中优势种群以蓝藻类为主，于桥水库蓝藻门所占比例达到98.8%，而藻密度较小时，蓝藻门所占比例会有所下降，桃林口水库蓝藻门仅占17.7%。由此可见，当水库藻类增长暴发时，蓝藻门成为水体中浮游植物的主体。基于藻密度指标的湖泊水体营养类型评价标准[18](表1)，由6个水库藻密度鉴定结果计算了各水库富营养化状态，结果表明：于桥水库、洋河水库为极富营养水体，石河水库为中营养水体，潘家口水库和大黑汀水库为贫中营养水体，桃林口水库为贫营养水体，详见表2。该研究区水源地曾经多次报道发生水体富营养化事件[7-9]，在生态文明建设要求下，目前水体质量得到明显改善。特别值得一提的是，作为京津冀重要水源地(也是引滦入津重要水源)，潘家口、大黑汀水库水质受到大规模网箱养殖影响，水质类别一度出现劣Ⅴ类[9]，并且夏季到来后水库藻密度均较高[19]。在国家有关部门和河北省政府要求下，2016年11月初开始集中清理潘家口、大黑汀水库网箱。研究结果表明，网箱清理后潘家口、大黑汀水库水质明显改善，水库富营养化程度明显好转。虽然目前于桥水库和洋河水库水体富营养化程度还较高，但随着上游调水潘家口、大黑汀水库水质好转，于桥水库水体富营养化程度势必也会有明显改善。洋河水库富营养化主要原因是上游水土流失带来大量营养盐，随着国家对水土保持工作重视程度的提高，洋河水库水体富营养化状况会较快得到改善。

表1 水体营养类型评价指标和标准Table 1 Evaluation index and standard of water body nutrition type

2.2 微囊藻毒素

于2017年夏季在海河流域东北部地区水源地潘家口水库、大黑汀水库、于桥水库、洋河水库、桃林口水库、石河水库等采集水样，采用固相萃取-高效液相色谱-串联质谱法分析了样品中微囊藻毒素(表3)。结果表明：于桥水库和洋河水库微水样中水样MC-RR和MC-LR均有检出，但明显低于《生活饮用水卫生规范》中MC-LR的含量不能高于1.0 μg/L的规定。潘家口、大黑汀、桃林口、石河水库均未检出微囊藻毒素。总体上看，目前海河流域东北部地区水源地水体中微囊藻毒素潜在风险较小，但是作为水源地应该受到高度重视，特别是检出微囊藻毒素的于桥水库和洋河水库，应密切关注并监测水体中微囊藻毒素的浓度，确保其对供水人群生命健康不会造成危害。

2.3 水库富营养化与藻毒素相关性分析

微囊藻毒素是富营养化淡水水体蓝藻属分泌产生的一类天然蓝藻毒素，已发现的产生藻毒素的蓝藻约40余种，为蓝藻水华危害最严重的污染物质之一。研究结果表明：水体富营养化程度与微囊藻毒素浓度呈明显正相关(图2)。在富营养化程度高的水体中蓝藻占明显优势，而蓝藻又是微囊藻毒素的主要来源，因此蓝藻暴发导致微囊藻毒素风险明显增大。

表3 海河流域实际水样检测结果Table 3 The result of samples in Haihe River Basin

图2 研究区水源地蓝藻密度与微囊藻毒素关系示意图Fig.2 Schematic diagram of relationship between cyanobacteria density and microcystins in water source of the study area

检测结果表明：呈极富营养状况的于桥水库和洋河水库均检测出一定浓度的MC-LR和MC-RR，而其他中营养或贫营养水库均未检出微囊藻毒素。据相关研究报道，微囊藻毒素是一类性质稳定并主要来源于铜绿微囊藻等蓝藻死亡代谢胞内化合物[20]。另外，鱼腥藻、束丝藻、颤藻等也均能产生微囊藻毒素[21]。研究中发现，于桥水库和洋河水库中蓝藻门主要有微囊藻属(铜绿微囊藻、边缘微囊藻、水华微囊藻等)，鱼腥藻属(假鱼腥藻、类颤藻鱼腥藻)，尖头藻属(螺旋藻)，色球藻属(色球藻)。其中，微囊藻属、鱼腥藻属应该是微囊藻毒素产生的主要来源。

3 结论

研究同时对海河流域东北部6个水库型水源地开展了藻类及微囊藻毒素相关研究工作，研究结果表明：

海河流域东北部6个水库型水源地中水体富营养化程度有明显改善，石河水库为中营养水体、潘家口水库和大黑汀水库为贫中营养水体、桃林口水库为贫营养水体，但是于桥水库、洋河水库水体仍呈极富营养化状态。另外，富营养化程度高的水体中蓝藻占明显优势。

通过固相萃取-液相色谱-串联质谱法同时检测了水样中MC-LR和MC-RR，潘家口、大黑汀、桃林口、石河等4个水库均未检出，而在于桥、洋河水库中均检出MC-RR和MC-LR，但是浓度均低于《生活饮用水卫生规范》标准限制。

水源地富营养化程度与微囊藻毒素浓度呈明显正相关，蓝藻暴发导致微囊藻毒素风险明显增大。因此，在蓝藻暴发期间(特别是暴发后期)应加密监测，确保微囊藻毒素浓度不会对供水人群健康造成危害。