气候变暖和营养物质匮乏正在改变太湖中微囊藻毒素的时空分布特征

《Journal of Environmental Management》：Climate warming and nutrient depletion are altering the spatiotemporal dynamics of microcystin in lake Taihu

微囊素浓度在太湖呈时空异质性，气候变暖加剧了水体富营养化与蓝藻水华，总氮通过pH和叶绿素a的级联效应促进毒素积累，未来三年温度升高可能导致毒素释放增加30%-80%。

　　

邓代兰|何书宇|张凯业|薛青菊|谢立强

中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与流域科学国家重点实验室，中国南京，211135

摘要

气候变暖和富营养化正在改变湖泊系统中蓝藻水华的动态以及微囊藻毒素（MC）的释放情况，尽管其背后的驱动因素和未来风险尚未完全阐明。通过对太湖的历史数据（2008–2019年）和现场采样（2023–2024年）进行综合分析，我们发现年度MC浓度显著下降（2008–2009年达到峰值），高污染区域从北部湾转移到了湖泊东部地区（2008–2019年对比2023年）。健康风险评估一致表明儿童面临的风险高于成人，生态毒性分析显示底栖生物是相对敏感的生物指示物。进一步的研究表明，温度与MC浓度之间存在显著的正相关关系，这种关系可能部分通过其与叶绿素-a的相关性来介导，而总氮与较高的MC水平相关，并可能通过涉及pH值和叶绿素-a的级联相关性发挥作用。预测模型估计，在氮负荷为0.5–1.5 mg/L或2.0–2.5 mg/L的情况下，当水温超过35°C时，MC浓度会超过1 μg/L。线性外推得出的估计结果表明，在未来气候条件下（2028–2029年；2033–2034年），较温暖的冬季和夏季可能会使浮游植物生物量峰值提前约三个月。这预计将加剧有毒蓝藻的优势地位，导致MC释放量增加30–80%，从而加剧太湖生态系统的毒性和人类健康暴露风险。本研究为减少富营养化湖泊中的毒素提供了优先干预策略。

引言

有害藻类水华（HABs）对全球水资源安全构成严重威胁，主要受气候变化和富营养化的驱动（O'Neil等人，2012年；Ai等人，2023年）。温度升高可能会加剧和延长HAB的爆发（Paerl和Huisman，2008年；Gobler等人，2017年），氮（N）和磷（P）的输入显著促进了蓝藻的增殖（Huisman等人，2018年）。据报道，超过59%的有害藻类会产生称为微囊藻毒素（MCs）的有毒次级代谢物，其中微囊藻毒素-LR（MC-LR）是最强效的肝毒素之一（Xia等人，2018年；Wang等人，2021年；Haggard等人，2023年）。因此，世界卫生组织（WHO）为饮用水中的MC-LR制定了严格的指导标准（1 μg/L）和娱乐用水中的标准（20 μg/L）（世界卫生组织，1998年，世界卫生组织，2003年；Ibelings等人，2015年）。

过量的外部营养物质输入是富营养化和蓝藻优势地位的关键驱动因素（Horst等人，2014年；Newell等人，2024年；Li等人，2025年）。营养物质浓度的变化显著影响水华物种组成和MC合成途径（Graham等人，2004年；Chen等人，2021年；Shan等人，2020年）。尽管全球一些水体的营养物质控制措施显著减少了营养物质负荷，但持续的气候变暖继续导致水温升高，使得温度条件成为水华发生的关键因素（Chapra等人，2017年；Zhang等人，2024年；Li等人，2025年）。气候变暖和富营养化正在改变淡水湖泊中有害蓝藻水华的动态（Horst等人，2014年；Wang等人，2021年；Cui等人，2024年；Li等人，2025年）。然而，这两种压力如何协同调节微囊藻毒素的产生和释放的潜在驱动因素和未来风险尚未完全阐明。实验研究表明，温度升高可能会通过影响代谢速率、上调毒素合成基因（mcy基因簇）（Pineda-Mendoza等人，2015年；Chapra等人，2017年；Haggard等人，2023年；Li等人，2025年）以及改变细胞膜通透性来促进某些微囊藻菌株的MC合成和释放。然而，这些效应的强度和方向高度依赖于菌株特异性、营养物质条件和其他环境因素的相互作用（Otten等人，2012年；Pineda-Mendoza等人，2015年；Wang等人，2021年；Haggard等人，2023年）。因此，在气候变暖的背景下，明确其与营养物质减少在共同决定天然湖泊中MC的环境浓度和时空模式中的相互作用对于风险管理至关重要。阐明这种相互作用对于估计未来的毒素风险至关重要。

太湖是中国第三大淡水湖，为无锡、苏州和上海等主要城市提供重要的饮用水来源，同时也提供农业灌溉、水产养殖、旅游和航运等重要的生态系统服务（Wang等人，2017年）。然而，该湖泊长期以来一直遭受点源和非点源污染的严重困扰，导致营养物质负荷显著增加（Kosten等人，2012年；Qin等人，2019年；Lin等人，2023年）。自20世纪80年代以来，水质迅速恶化，藻类水华频繁发生（Kosten等人，2012年；Wang等人，2017年；Kakouei等人，2021年）。2007年的一次严重水华事件引发了重大的饮用水危机，促使政府和研究机构优先采取减少营养物质的策略来缓解富营养化问题（Qin等人，2010年；Tang等人，2016年）。尽管多年来的协调管理努力减少了营养物质浓度，但以微囊藻为主导的有害藻类水华每年仍在太湖中持续存在（Qin等人，2010年；Tang等人，2016年；Shan等人，2020年；Zhang等人，2024年），MC浓度经常超过监管限值（Zhang等人，2021a）。新的证据表明，气候变暖可能会通过促进特定蓝藻类群的生长而加剧这种持续性。因此，在持续的气候变暖和营养物质限制的双重压力下，阐明太湖流域毒素风险的动态变化规律对于预防和控制富营养化湖泊中的毒素具有重要的指示意义。

为了解决这些问题，本研究对太湖（2008–2024年）的季节性周期中的细胞外MC浓度进行了纵向分析。我们结合了机器学习模型和环境协变量分析来实现三个目标：确定时空模式、识别控制MC释放的环境途径以及估计MC的未来风险。我们的发现将为面临气候和人为压力的快速城市化流域的适应性水资源安全规划提供关键见解。

研究区域和数据收集

太湖（北纬30°56′–31°33′，东经119°53′–120°36′）位于快速发展和高度城市化的长江三角洲地区。该湖泊面积为2338平方公里，具有明显的空间异质性（Wang等人，2017年），分为四个不同的区域：北部湾区域、西部湖区、中部湖区 and 东部湖区。2023年8月和11月以及2024年2月和5月期间，在这四个湖区分布了二十个采样点，以确保空间

太湖的水质参数（2008年以后）

自2008年以来，太湖的年际水温波动减小，年平均水温稳定在约18°C，而5月和8月的水温呈现显著上升趋势（图2）。同时（从2008年8月到2019年5月），pH值的变化模式与水温的变化趋势一致，每年都在8月达到峰值。然而，值得注意的是，尽管2023年至2024年间pH值呈下降趋势，但其平均值

讨论

富营养化的基本理论认为，氮和磷是蓝藻水华和微囊藻毒素（MC）产生的主要物质驱动因素（O'Neil等人，2012年；Huisman等人，2018年；Li等人，2023年）。我们的研究发现，总氮可能具有双重作用途径。它不仅与MCs的合成有关，还可能通过pH值和叶绿素-a的级联效应促进MCs的积累。具体来说，作为这一过程的关键结构元素

结论

本研究显示，2008–2024年间太湖中的MC浓度呈下降趋势，但空间风险从北部湾转移到了东部地区，儿童和底栖生物被确定为持续的高风险受体。此外，温度影响叶绿素-a（Chl-a）并间接促进MC的产生，而总氮（TN）与毒素积累相关。阈值分析估计，在氮负荷为0.5–1.5 mg/L或

CRediT作者贡献声明

邓代兰：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据管理。何书宇：方法论、调查。张凯业：方法论、调查。薛青菊：方法论、调查。谢立强：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、调查、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：32471704、42507610）的支持。2023–2024年的环境参数数据由位于无锡市的中国科学院太湖生态系统研究实验室（CERN TLLER）提供。