蓝藻有害藻华的综合管理：将除藻处理与毒素降解菌的引入相结合

《Journal of Hazardous Materials》：Integrated Management of Cyanobacterial Harmful Algal Blooms: Coupling Algaecide Treatment with Bioaugmentation of Toxin Degraders

【字体：大中小】 时间：2026年07月14日 来源：Journal of Hazardous Materials 10.6

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美国俄亥俄州托莱多市尼奇克大厅3006号，邮编43606，托莱多大学土木与环境工程系，邮件收件箱307

摘要

蓝藻有害藻华是全球日益严重的问题，它不仅会通过释放蓝藻毒素、干扰正常处理流程以及增加处理成本来威胁饮用水安全，还会使水处理变得更为复杂。虽然化学除藻剂被广泛用于快速抑制藻华，但它们往往会导致蓝藻细胞破裂，释放出细胞内的毒素，这进一步增加了处理的难度，尤其是对于那些缺乏先进基础设施的小型供水设施而言。利用能够降解毒素的细菌进行生物强化是一种可持续的补充策略，不过目前尚不清楚除藻剂会对这些生物强化细菌产生何种影响。本研究探讨了一种将除藻剂应用与生物强化相结合的综合策略，旨在同时控制蓝藻有害藻华及其中的蓝藻毒素。在实验室和中型生态系统实验中，研究了两种基于铜的除藻剂（SeClear?和Algimycin? PWF）以及两种基于过氧化氢的除藻剂（PAK?27和Oximycin?P5）与一种能够降解微囊藻毒素的细菌 sp. IM1的协同作用。在四种除藻剂及其不同浓度组合中，PAK?27与IM1的兼容性最佳，只有在低剂量且在处理后24小时再引入IM1时，才能观察到显著的毒素去除效果。实验室实验表明，先使用中等剂量的PAK?27，然后再进行IM1生物强化处理，可使叶绿素a含量减少76.7%，溶解态微囊藻毒素LR浓度降低96.6%。在湖泊中型生态系统中，最高剂量的PAK?27与IM1结合使用后，可使叶绿素a含量减少77.6%，蓝藻数量减少96%，并在3天内将微囊藻毒素浓度降至1μg/L以下。微生物群分析显示，蓝藻数量大幅减少，与此同时绿藻、硅藻和异养生物的数量有所增加，而且IM1的丰度与毒素浓度呈负相关。这些研究结果表明，将基于过氧化氢的除藻剂与针对性的细菌生物强化策略相结合，可有效快速降低受蓝藻有害藻华影响的水体中的毒素浓度，并帮助恢复微生物群落平衡。

引言

蓝藻有害藻华是全球淡水系统面临的一个重大问题，它对生态系统健康和饮用水安全构成了严重威胁[1]。这类藻华不仅会因为水质变色、产生异味等外观问题而影响水质，更关键的是，它们还会释放蓝藻毒素和细胞内有机物[2]、[3]，进而进一步损害水质。在饮用水处理过程中，蓝藻细胞还可能进一步破裂，导致更多蓝藻毒素和细胞内有机物释放，从而影响处理后的饮用水质量。

蓝藻毒素是一类多样的次级代谢产物，包括肽类、氨基酸、脂多糖和聚酮类物质，大约50%到70%的蓝藻都能产生这类毒素[4]。在各类蓝藻毒素中，微囊藻毒素因其在蓝藻有害藻华中的高出现率、稳定性和强毒性而尤其值得关注。微囊藻毒素能够在水环境中长期存在，且难以通过化学或物理方法降解[5]、[6]、[7]。其中，微囊藻毒素LR因其极高的毒性和持久性而尤为危险。在蓝藻大量繁殖的水域中，微囊藻毒素LR的浓度可高达1,800μg/L，远远超过人体安全的暴露水平[1]。鉴于这一风险，世界卫生组织规定了饮用水中微囊藻毒素LR的最大浓度为1μg/L，而美国环境保护署则建议为婴儿和免疫功能低下人群设定更严格的健康警戒值，为0.30μg/L[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。

为了从源头控制蓝藻有害藻华的蔓延，许多供水机构通常会使用除藻剂作为控制手段。虽然除藻剂已被广泛应用了一个多世纪，用于减少蓝藻数量，但它们常常会导致蓝藻细胞意外破裂，进而释放出细胞内的微囊藻毒素[13]。更为棘的是，传统的处理方法，如混凝-絮凝-沉淀、砂滤和氯化处理，对于已经释放出的微囊藻毒素几乎无效。虽然光催化、颗粒活性炭、UV-C/H2O2处理以及反渗透等先进处理方法能够实现更高的去除效率，但这些方法需要大量的资金投入和运营成本[1]、[14]、[15]。

在实际操作中，许多中小型水处理厂主要依赖传统处理工艺。因此，这类供水机构往往只能在藻华发生时采取应急措施，比如投加粉末活性炭。例如，在2014年托莱多水危机期间，近50万居民失去了饮用水供应，不得不紧急投加高剂量的粉末活性炭，同时还需额外使用其他处理化学品，总计花费数十万美元[16]。同样，在2018年俄勒冈州塞勒姆市的藻华事件中，也需增加粉末活性炭的投加量并调整处理工艺，这导致了大量处理残留物，需要进一步处理和处置[16]。尽管粉末活性炭被广泛用于去除蓝藻毒素，但其效果取决于投加剂量和水质状况，过高剂量的使用不仅会增加运营成本，还会产生更多污泥，带来残留物处理难题[17]。此外，粉末活性炭还可能干扰后续的混凝-絮凝-沉淀处理流程，进而影响最终水的质量[18]、[19]。这些问题凸显出迫切需要有效的、快速的、可持续的蓝藻及蓝藻毒素管理策略，以弥补现有处理方法的不足，提升饮用水系统的抵御能力。

生物强化技术，即向处理系统中引入能够降解污染物的微生物，为控制微囊藻毒素提供了一种具有可持续性的解决方案[20]、[21]、[22]。包括和在内的能够降解微囊藻毒素的细菌，凭借其强大的代谢能力，能够在多种环境中生存并有效降解微囊藻毒素[23]、[24]、[25]。这类微生物不仅能高效降解微囊藻毒素，还能减少有毒副产品的生成，因此被视为水处理的理想候选菌株[5]、[23]、[24]。因此，有针对性的生物强化措施可以配合除藻剂的使用，加速已释放微囊藻毒素的降解过程。不过，这种综合策略的效果可能会受到除藻剂对有益微生物的抑制作用的制约。由于除藻剂可能会影响这些微生物的存活率和活性，进而延缓或降低毒素的降解速度[13]、[23]，本研究的目的就是评估将除藻剂处理与生物强化相结合用于控制微囊藻毒素的有效性。具体而言，本研究旨在：（i）通过最小抑菌浓度试验，测定能够降解微囊藻毒素的细菌对常见除藻剂的耐受程度；（ii）研究在联合处理条件下微囊藻毒素的释放和降解动态；（iii）在实验室控制试验以及使用天然湖水的中型生态系统实验中，观察细菌的功能反应。通过将研究范围从实验室控制环境扩展到湖泊中型生态系统试验，本研究为将生物强化与除藻剂处理相结合、实现有效控制蓝藻的同时保护有助于微囊藻毒素降解的微生物过程提供了理论框架。最终，这项研究有助于推动开发出既能够快速缓解藻华问题，又能长期保障饮用水质量的综合可持续管理策略。

章节节选

材料与方法

本研究采用了结合实验室实验和中型生态系统实验的多阶段实验设计，实验流程概要见图S1。

除藻剂对IM1生长及生物降解活性的最小抑菌浓度

最小抑菌浓度试验是一种常用的方法，用于确定在实验室控制条件下，阻止微生物生长的最低浓度抗菌剂浓度[38]、[39]。在本研究中，通过该试验来确定抑制IM1菌株生长或生物降解活性的最低除藻剂浓度。

在检测生长抑制效果时，实验分别在富含碳源和营养物质的R2A培养基以及缺碳的BG-11培养基中进行

工程应用意义

随着气温上升以及农业径流导致的富营养化加剧，全球淡水系统中的蓝藻有害藻华现象愈发严重[31]。这类藻华会给水质带来极大挑战，因为蓝藻不仅会产生蓝藻毒素，还会生成影响水质味道和气味的物质，进而威胁饮用水安全并增加处理成本[97]。由于蓝藻具有浮力，常规的混凝-絮凝-沉淀处理方法很难将其彻底清除

结论

本研究证明，将化学除藻剂与细菌生物强化策略相结合，是控制蓝藻有害藻华及其相关毒素的一种有效方法。研究发现，除藻剂处理之后再注入细菌的时间至关重要，只有把握好这个时间，才能在有效控制毒素的同时，将残留的氧化应激影响降到最低。实验室规模的实验表明，在除藻剂被完全分解之后，进行细菌生物强化处理能够取得良好效果。基于铜的

环境影响

淡水系统正日益受到蓝藻有害藻华的威胁，这类藻华给传统的饮用水处理带来了严峻挑战。虽然化学除藻剂能够减轻藻华的严重程度，但它们的使用却可能导致大量蓝藻毒素释放，使得小型水处理设施更容易受到影响。本研究探讨了一种将除藻剂应用与引入能够降解毒素的微生物进行生物强化相结合的综合策略，旨在实现

未引用参考文献

[56]、[57]

CRediT作者贡献说明

Mashuk Siddiquee：撰写——审阅与编辑、方法学、研究实施、数据整理。Mudit Bhatia：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法学、研究实施、定量分析、数据整理。Sina Zalbegi：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化处理、方法学、研究实施、定量分析、数据整理。Afia Sharmin：撰写——初稿、方法学、研究实施、定量分析、数据整理。Seo Youngwoo（Young）：撰写——审阅

关于写作过程中生成式AI及AI辅助技术的声明

ChatGPT、CoPilot和Grammarly仅被用于检查语法和校对句子，本研究的数据分析及论文撰写工作均未使用任何生成式AI工具。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联关系。

致谢

本研究主要由美国陆军工程研究发展中心的水生有害物种研究项目下的有害藻华研究与开发计划资助，相关资助项目编号为W912HZ2120015和W912HZ220045。作者们还要感谢俄亥俄州水资源发展局（编号为8675）以及托莱多大学所提供的支持与基础设施。此外，作者们也对某机构的化学分析师Timnit Asfaha Yosef博士表示衷心的感谢

摘要

引言