波动入流下浅溪来源微囊藻毒素（microcystins）对暖单季混合型（warm-monomictic）水库的模拟贡献

《Hydrobiologia》：Modeled contribution of shallow stream-derived microcystins to warm-monomictic reservoirs under fluctuating inflows

　　

有害藻华（harmful algal blooms, HABs）日益被视为发生在水文连接水道中的现象。已知支流输入通过促进营养盐负荷和/或蓝细菌细胞影响湖泊藻华，但溪流来源毒素对受纳水体的贡献仍知之甚少。在此，研究人员量化了美国中南部受纳水库中溪流蓝藻毒素（cyanotoxins）的发生及潜在贡献，该地区以暖单季混合型（warm-monomictic）水库和波动入流（flashy inflows）为特征。50%的采样支流可检出微囊藻毒素（microcystins），浓度通常与湖内浓度处于同一数量级。为确定湖内微囊藻毒素可能有多少来源于溪流，研究人员开发了空间显式模型（spatially explicit models），纳入毒素负荷、平流（advection）、涡扩散（Eddy diffusion）以及非生物和生物毒素衰减（abiotic and biotic toxin decay），并使用由HAWQS生成的入流。模型模拟表明，在持续负荷情景下，浅溪通常贡献<5%，但最高可达9.2%的湖内微囊藻毒素，水库上游部分受影响最大。由于即使低浓度蓝藻毒素也可能影响氮循环过程的相对活性，溪流来源微囊藻毒素可能通过干扰反硝化（denitrification）帮助稳定藻华。

研究人员针对美国中南部暖单季混合型（warm-monomictic）水库及其支流溪流，评估浅溪来源微囊藻毒素（microcystins）对受纳水库的模拟贡献。有害藻华（harmful algal blooms, HABs）被认为是具有生态、经济和公共健康影响的复杂环境事件。内陆HAB研究长期聚焦静水系统，河流和溪流研究相对滞后，管理策略也常针对单一的下游受纳湖，而未充分考虑上游过程。支流输入可通过营养盐负荷和/或蓝细菌细胞影响湖泊藻华；但溪流来源蓝藻毒素（cyanotoxins）对受纳水体的贡献仍不清楚。已有报道显示淡水溪流和河网中广泛存在蓝藻毒素，全球河流也出现藻华，但溪流来源蓝藻毒素对受纳水库的贡献未知。微囊藻毒素进入受纳水体后会发生生物和非生物衰减，其中生物降解主要由mlr基因簇介导，mlrA基因表达和丰度与微囊藻毒素降解速率相关，但生物降解潜力在时间和系统间变异很大。非生物衰减受温度和pH影响，典型环境条件下半衰期约为十周或更长。暖单季混合型水库研究不足，每年仅一次混合事件，且全年大部分时间稳定分层，不同于研究较多的温带双季混合湖。气候变化和升温可能进一步强化这类系统的长期分层，并预计使部分双季混合湖转为单季混合。暖单季混合系统因仅一次混合诱导的演替重置，可能对维持害藻的正反馈尤为敏感。藻类生物量升高时反硝化受扰，氮循环相关基因与蓝藻毒素呈负相关，即使微囊藻毒素浓度为0.15至0.50 μg L^?1也可能如此。若反硝化被抑制，氮可能积累并进一步促进害藻和产毒。美国中南部还以极端降水事件和波动入流为特征，长期低流后快速冲刷事件可向受纳水体输送蓝细菌细胞和毒素；夏季较低水力置换和长期分层可能使负荷毒素滞留。因此，研究人员假设支流溪流中蓝藻毒素广泛存在，且溪流来源蓝藻毒素占湖内可测量微囊藻毒素的一部分。

研究人员于2022年4月在美国中南部20条支流溪流及对应水库采样。由于并非所有系统都检出微囊藻毒素，且并非所有区域都有水文校准所需数据，仅对支流微囊藻毒素可检出且校准数据充足的系统建模。所有水库均为富营养或超富营养，跨越明显的西东降水梯度，代表经历波动入流的暖单季混合系统。每个水库设近坝深水站和淹没河道上标准6 m浅水站，采集表层水和底层水；每个湖采集一个主要支流岸边样。全水样冻存用于总微囊藻毒素测定，湖内DNA用于评估生物降解和产毒基因。研究人员用HAWQS估算总入流，并校准至USGS流量后外推至2022年；建立空间显式多patch模型，纳入毒素负荷、平流、涡扩散、非生物和生物衰减，模拟7、14、30和60天负荷期，并将模型结果与实测湖内浓度比较。

关键技术方法概括如下：样本来自2022年4月美国中南部20条支流及对应水库，选取支流微囊藻毒素可检出且有足够校准数据的系统。总微囊藻毒素经冻融后采用酶联免疫吸附测定（enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA），分光光度读数，检测限为0.15 μg L^?1。入流使用HAWQS v1.0（基于土壤和水评估工具，Soil and Water Assessment Tool, SWAT）估算，并以USGS日均流量进行校正和外推至2022年。湖内DNA经宏基因组测序，以BLASTp计数mlrA和mcyE基因。模型为空间显式多patch，含平流、涡扩散、非生物衰减（70天半衰期，0.0099 d^?1）和生物衰减（0.22 d^?1），负荷期7、14、30和60天，采用四阶Runge–Kutta方法求解。

结果部分未设二级小标题，按原文段落可归纳如下。支流微囊藻毒素检出与空间格局方面，通过全水样ELISA，50%采样支流可检出微囊藻毒素，包括EM、WO、BB、WH、WC、BA、SV、RH、TW和PNS；检出主要来自最东部系统，西部系统很少，湖内同期也呈此趋势。最高支流浓度为0.48 ppb，出现在Lake Benbrook支流，低于1 ppb法规限值。支流浓度常与湖内浓度处于同一数量级，许多湖内检测包括表层水和底层水。溪流来源微囊藻毒素模型方面，通过空间显式模型，溪流来源毒素持续在上游patch达峰，向下游patch下降，下游patch常接近零；最低浓度出现在最下游patch 3，WH为patch 4。模拟浓度随负荷期波动，脉冲入流对应明显峰值；结束浓度不一定是峰值，三分之二模型（SV、PNS、TW、BB、WH、WC）在模拟期内浓度下降。不同系统结束模拟浓度跨数个数量级，尽管溪流浓度相似。两种衰减情景下，溪流贡献常<5%，例外为SV、RH和BB上游patch在无生物衰减情景；SV在60天负荷且无生物衰减时达到约9%，摘要中为9.2%。结束浓度对衰减高度敏感，仅非生物衰减与叠加生物衰减的情景差异很大。mlrA和mcyE基因方面，通过湖内宏基因组数据，mlrA（微囊藻毒素降解）基因每个样本为0至23次，均值±标准差为2.92±3.01；mcyE（微囊藻毒素生产）基因为0至5822次，均值±标准差为2476.60±1530.30，表明湖内可发生微囊藻毒素生产，而mlrA途径生物降解可能很低。

讨论部分指出，微囊藻毒素已在全球支流-水库/湖泊系统中被观测到，美国西部、西北部、中部和东部溪流网络也有报道；本研究记录了美国中南部，其出现在50%采样支流和多数受纳湖中。检出频率和幅度在东部系统更高，与前一年西部系统更高相反，一个可能解释是该地区2022年4月比2021年4月经历更严重干旱。这些发现支持HABs及相关毒素可沿水文连续体发生，并可出现在相连的溪流和暖单季混合水库网络中。模型显示，溪流来源微囊藻毒素通常占湖内浓度<5%。支流输入在水库上游段最重要，因为稀释有限；最高模拟贡献出现在Lake Somerville上游patch，为9.2%，对应最长负荷期且无生物衰减。模拟湖内浓度随下游距离急剧下降，因此支流可能作为局部毒素源影响入流点附近区域，而非影响整个水库。溪流浓度相似，湖泊间百分比贡献差异主要由水文和形态决定。波动入流使模型微囊藻毒素呈明显闪动，尤其在上游patch；下游因水体体积增加而稀释。入流估计存在不确定性，HAWQS-derived入流虽经USGS流量校准，但关系强度在 reservoir 间变化，SWAT本身也存在降水数据、参数和校准、模型结构等不确定性，因此结果为估计值。模型模拟结束浓度常非最高浓度，因为非稳态模型中入流事件后毒素经历涡扩散、平流和衰减。mlrA基因低而mcyE基因高，表明采样期通过mlrA途径的生物降解可能可忽略，其他研究也报告自然水体中mlrABCD基因簇读取覆盖低或零星。可能降解微生物需更长时间暴露于微囊藻毒素，或降解由沉积物微生物群落主导，而本研究未分析沉积物。其他生物降解途径，如细胞包膜蛋白酶、碱性蛋白酶和谷胱甘肽转移酶，也可能贡献，但未被遗传检测捕获；因此不能确定哪种衰减情景更接近现实，非生物衰减与联合衰减情景可能界定现实值范围。尽管模型表明多数湖内微囊藻毒素并非溪流来源，即使小贡献也可能有生态后果，但本研究未直接评估生态响应，相关后果应作为未来研究假设。相同湖泊的野外观测显示，即使低浓度微囊藻毒素也可影响氮固定和反硝化等细胞过程；微囊藻毒素-LR在低至0.25 ug/l时也可负面影响硝化速率。蓝藻藻华与硝化、反硝化的负关系已有报道。氮循环破坏特别是反硝化受抑，可能稳定HABs：若湖内氮不能释放到大气，N:P比升高，有利于非固氮HAB类群，如Planktothrix、Pseudanabaena和Oscillatoriales，这些类群曾在相同系统出现。富氮条件还可促进某些类群产毒株，如Microcystis和Planktothrix。支流输入可能因此改变营养循环，尤其在水库上游。未来模型应纳入研究区其他蓝藻毒素如cylindrospermopsins，并随数据增加调整负荷期以反映河流蓝藻HABs的真实持续时间；本研究设计未考虑更细尺度时空异质性，若采样捕获局部藻华可能低估溪流重要性，反之可能高估；湖内总微囊藻毒素测量有限也限制了对水团空间范围及其随时间变化的判断。研究支持HABs及相关毒素沿水文连续体存在，蓝藻毒素较稳定且抗降解，可在远离来源处造成问题，如淡水系统微囊藻毒素导致海獭死亡。模型结果表明支流不太可能是湖内蓝藻毒素的主导驱动，但仍是重要局部来源，影响水库上游段；即使低浓度微囊藻毒素也可能影响受纳水体营养循环。监测应跨越水文连接水道。研究结论翻译如下：本研究表明，微囊藻毒素在美国中南部支流和暖单季混合型水库中广泛存在。模拟结果表明，支流对湖内微囊藻毒素的贡献通常较小（<5%）。百分比贡献的变化可能由水文和形态决定，而非毒素负荷，其中稀释较弱的水库上游部分影响最大。宏基因组数据的基因分析表明，在研究系统春季，通过mlrA基因途径的微囊藻毒素生物降解可能很小。尽管百分比贡献较小，但即使低浓度微囊藻毒素也可对水生系统造成显著影响。支流输入可能以这种方式塑造水库生态系统，尽管其对湖内微囊藻毒素贡献不大。总之，这些发现支持藻华和蓝藻毒素可沿水文连续体发生，监测不应仅聚焦于湖泊和水库。