UV-LED技术对淡水浮游植物的灭活效应研究：存活率降低、再生潜力、物种组成变化及蓝藻毒素释放风险分析

《Journal of Applied Phycology》：Inactivation of natural assemblages of freshwater phytoplankton with UV-LED: reduction of viable organisms, regrowth, species composition and potential release of cyanotoxins

本研究针对淡水水体中藻类和蓝藻水华带来的生态风险，系统评估了275 nm UV-LED对自然浮游植物群落的灭活效果。研究发现55.7 mJ cm-2的UV剂量可实现99.9%的活体生物灭活，但最高100 mJ cm-2的处理反而促进蓝藻优势地位并诱导微囊毒素产生，为饮用水安全控制提供了重要警示。

　　

在炎热的夏季，当湖泊、水库等静水水体因富营养化而泛起绿波，这背后隐藏的不仅是生态系统的失衡，更是对公共健康的潜在威胁。藻类和蓝藻（cyanobacteria）的过度繁殖——即所谓的水华（harmful algal blooms, HABs）现象，不仅会造成水体变色、产生异味，更严重的是某些蓝藻能够产生强烈的生物毒素——蓝藻毒素（cyanotoxins）。其中微囊毒素（microcystins）因其肝毒性而备受关注，世界卫生组织（WHO）已明确规定饮用水中微囊毒素-LR（MC-LR）的限值为1μg L^--1。

传统的水体消毒方法如氯消毒虽有效，但会生成令人担忧的消毒副产物（disinfection by-products, DBPs）。紫外线（UV）处理技术因其不产生有害副产物而备受青睐，特别是波长在200-280 nm的UV-C波段，能通过破坏微生物DNA阻止其繁殖。随着科技发展，UV-C发光二极管（LED）正逐步取代传统的汞灯，具有无汞、即开即用、波长可调等优势。

然而，UV处理并非完美解决方案。不同浮游植物物种对UV的敏感性存在差异，处理可能筛选出更具抗性的种群；更重要的是，UV处理缺乏持续消毒效果，存活生物在适宜条件下可能重新繁殖。更令人担忧的是，UV处理是否会改变水体微生物群落结构，甚至诱发毒素产生，这些关键问题尚未得到充分解答。

为此，来自西班牙卡迪斯大学的Leonardo Romero-Martínez研究团队在《Journal of Applied Phycology》上发表了最新研究成果，系统评估了275 nm UV-LED对自然浮游植物群落的灭活效果，并深入分析了处理后的物种组成变化和毒素产生风险。

研究团队采用多种关键技术方法开展实验：从两个具有代表性的水库（Los Hurones饮用水源和Arcos休闲水体）采集自然水样；使用配备275 nm UV-LED的平行光束反应器（collimated beam reactor）进行精确剂量控制；应用最可能数法（Most Probable Number, MPN）评估活体生物浓度；通过生长曲线分析研究处理后的再生潜力；利用FlowCAM流式成像仪分析物种组成变化；采用免疫检测方法测定微囊毒素浓度。

灭活效果评估：MPN方法揭示的高效灭活与"拖尾效应"

MPN分析结果显示，UV处理能显著降低活体浮游植物浓度，即使25 mJ cm^-2的低剂量也能产生明显效果。灭活曲线遵循"对数线性+拖尾"模型（log-linear+tail model），在50 mJ cm^-2剂量前呈现一级动力学特征，随后出现典型的"拖尾现象"——即增加UV剂量不再进一步提高灭活效果。模型计算得出D₁（实现1个对数减少所需的UV剂量）为12.3±4.5 mJ cm^-2，D₃为39.8±8.2 mJ cm^-2，55.7 mJ cm^-2剂量可实现99.9%以上的灭活率。

生长抑制分析：UV处理的局限性及蓝藻的竞争优势

生长曲线分析揭示了UV处理的另一面：尽管处理初期表现出生长抑制，但在光照和营养充足条件下，存活生物仍能重新繁殖。通过计算生长曲线下面积比（A/A_c）评估抑制效果，发现对微藻（以455 nm荧光表征）的ED₅₀（50%抑制剂量）为74.5±10.8 mJ cm^-2，而对蓝藻（以630 nm荧光表征）的ED₅₀高达115.8±51.7 mJ cm^-2，表明蓝藻对UV处理具有更强耐受性。更值得注意的是，低剂量UV处理甚至出现"兴奋效应"（hormesis）——即轻微刺激生物生长，这种现象在蓝藻中更为明显。

物种组成变化：UV处理促进蓝藻优势地位

FlowCAM成像分析揭示了UV处理对浮游植物群落的深远影响。初始水体中以绿藻（Chlorophyta）为优势类群，占24-67%不等。经过14天培养后，UV处理样品中蓝藻比例显著增加，且与UV剂量呈正相关。研究检测到多种潜在产毒蓝藻，包括微囊藻（Microcystis sp.）、浮丝藻（Planktothrix sp.）、鱼腥藻（Aphanizomenon sp.）等，其中许多在原始水样中未被检出，说明UV处理改变了种间竞争关系，为更具UV抗性的蓝藻创造了优势条件。

蓝藻毒素产生：潜在的健康风险

最令人担忧的发现是UV处理可能诱发毒素产生。初始水样中未检测到微囊毒素（<0.5μg MC-LR eq L^-1），但经过14天培养后，高剂量UV处理（75-100 mJ cm^-2）样品中微囊毒素浓度显著升高，在Los Hurones水库水样中甚至超过WHO规定的饮用水安全限值（1μg L^-1）。这表明UV处理不仅未能阻止毒素产生，反而可能通过改变群落结构而增加毒素风险。

研究结论与意义

本研究通过多角度评估揭示了UV-LED处理淡水浮游植物的双重效应：一方面，适当剂量的UV处理能有效降低活体生物浓度；另一方面，处理可能促进蓝藻优势地位并诱发毒素产生，特别是在处理水排放到适宜生长环境时。

这一发现对水体管理实践具有重要指导意义：对于饮用水源和景观水体，单独使用UV处理可能不足以保证水质安全，需结合其他处理措施；UV剂量选择需谨慎，过低剂量可能产生反效果；处理后水的储存条件至关重要，应避免适宜蓝藻再生的环境。

研究强调了评估水处理技术时采用多种方法的重要性——MPN法能准确评估即时灭活效果，而生長抑制分析则更贴近实际环境条件下的长期效果。UV-LED技术作为传统汞灯的有前景替代方案，其应用需充分考虑目标水体的特异性及潜在生态风险。

这项研究不仅为UV-LED在水处理中的应用提供了科学依据，更重要的是提出了一个全面评估水处理技术生态安全性的框架，对未来水资源管理和有害藻华控制策略制定具有重要参考价值。