深层水库中控制蓝藻水华的早期靶向低剂量氯-膨润土处理方法

《Journal of Hazardous Materials》：Early-Stage Targeted Low-Dose Chlorine-Bentonite Treatment for Cyanobacterial Bloom Control in Deep Reservoirs

　　

摘要

蓝藻水华可能对全球的供水安全构成威胁。以往的研究多在蓝藻水华已经出现且生物量较高时，采用各种化学处理方法（如天然/改性黏土、氧化剂）来控制水华。然而，对于水华的早期阶段，由于此时蓝藻生物量较低，且对化学物质的敏感度更高，相关研究却较少。在本研究中，我们采用了一种新方法：在深水饮用水库Kengkou的蓝藻水华早期阶段，使用低剂量氯气与膨润土联合处理，以此控制水华。处理前后，我们对蓝藻生物量、水质参数以及微真核生物群落进行了分析。结果表明，通过极低剂量的氯气（0.002毫克/升）和膨润土（0.2毫克/升）联合处理，能够通过絮凝沉降和光合作用抑制有效消除蓝藻水华，处理后不存在总氰毒素和溶解性氰毒素的危害。同时，水质也得到了显著改善，pH值、浊度以及化学需氧量均有所下降。七周后，微真核生物群的α多样性增加了11.5%，绿藻门、隐藻门和硅藻门的相对丰度分别增加了2.7倍、2.4倍和6.3倍，这说明处理后生态状况得到了良好恢复。总体而言，低剂量氯气与膨润土联合处理是一种有望用于蓝藻水华早期控制的手段，且具有显著的环境和生态效益。

引言

作为全球性的环境问题，蓝藻水华对生态系统健康以及娱乐用水和饮用水的安全构成了严重威胁[20]、[21]、[9]。蓝藻能够产生多种代谢产物，包括微囊藻毒素和柱孢藻毒素等有害氰毒素，以及甲基异龙脑醇和土臭素等影响水味的物质。氰毒素与肝脏、消化系统及神经系统疾病有关[40]。而那些影响水味的物质则会让公众对水质安全产生担忧，并引发相关投诉[59]。

为降低蓝藻水华对供水安全的危害，有必要采取应急管理策略来控制水源地的水华。目前，人们广泛使用絮凝剂、氧化剂和杀藻剂等化学处理方法，通过消除水华来快速改善水质[20]、[24]、[25]、[39]、[49]、[56]。天然或改性黏土这类絮凝剂能够降低蓝藻生物量及营养物质（如磷）的含量[11]、[25]、[36]、[37]、[42]、[43]、[66]、[67]。氯气因其强大的灭藻能力和氧化氰毒素的作用，而被广泛用作廉价的杀藻剂或氧化剂[15]、[19]、[29]。近年来，将絮凝剂与杀藻剂或氧化剂结合使用的综合处理方法，其消除水华的效果优于单独使用其中任何一种方法[30]、[36]、[61]。例如，Li等人的研究[30]表明，氯气与膨润土联合处理的细胞去除率和光合作用抑制效果，要优于单独使用这两种物质。不过，这些研究主要针对的是湖泊或水库等水源地出现严重水华时的高生物量情况。因此，还需要进一步研究预防性和早期干预策略，以减少水华带来的生态和公共卫生影响。

蓝藻种群的生长过程可分为四个阶段：滞后期、对数生长期（指数生长期）、稳定期和衰退期，这对应着水体中蓝藻水华的四个阶段：早期（启动期）、形成期、维持期和消散期[29]、[62]。目前，文献中记载以及实际应用中的几乎所有蓝藻水华控制策略，都主要着眼于形成期或维持期。在这些阶段，蓝藻生物量会显著增加，无风时还会在水面形成可见的浮渣，由此带来的环境和公共卫生风险也会日益明显[25]。在这些阶段控制水华需要使用高剂量的化学物质，这可能会进一步加剧环境风险。比如，过度使用氯气处理密集的水华，会与藻类有机物发生反应，产生大量消毒副产物，从而对水生生物和人类健康构成威胁[18]。而使用高剂量的天然黏土（超过1000毫克/升）或改性黏土（100-700毫克/升），则会增加水体浊度，而且残留的改性成分（如铝、镧）可能会在水中和沉积物中积累，带来更多的环境问题[11]、[2]。

相比之下，蓝藻水华的早期阶段往往容易被水资源管理者忽视，因为其造成的环境影响较小。此时蓝藻生物量相对较低，水体也不会出现明显的变色现象。在早期阶段，蓝藻细胞处于滞后期，它们会调整新陈代谢并合成必要的酶，但细胞分裂仍然很少。Xian等人最近的研(1)

在处理之前，溶解氧含量的上升趋势是判断蓝藻水华早期阶段的可靠指标。

(2)

低剂量联合处理（氯气+膨润土）能够有效消除蓝藻水华。

内容片段

化学物质

本研究选用氯气与膨润土联合处理的方式，用于消除Kengkou水库中的蓝藻水华，因为这种处理方式在控制水华方面的效果，要优于单独使用氯气或膨润土的处理方法（见图S1）。所用的氯气试剂为工业级次氯酸钠（中国刘河生产），其有效氯含量为10%（质量/体积比）。膨润土本身毒性较低，且市面上有大量供应。

蓝藻生物量的去除效率

实验室测试结果显示，蓝藻生物量的去除效果与处理剂量相关（见图4a）。低剂量处理（0.05毫克/升氯气与10-20毫克/升膨润土联合使用）可使叶绿素a的浓度降低75.4%-91.0%，而高剂量处理（0.1毫克/升氯气与10-20毫克/升膨润土联合使用）则能在12-24小时内将叶绿素a浓度降至检测下限以下（见图4a）。膨润土具有使细胞聚集并沉降的絮凝作用，而足够的氯气处理则能改变细胞表面结构，破坏其光合作用功能。

结论

本研究表明，在蓝藻水华早期阶段使用低剂量氯气与膨润土联合处理，是一种用于深水饮用水库水华管理的创新且可行的方法。主要研究结果如下：

• (1)
  在实施处理之前，溶解氧含量的上升趋势可作为判断蓝藻水华早期阶段的可靠依据。
• (2)
  低剂量氯气与膨润土联合处理能够有效消除蓝藻水华。

未引用参考文献

[63]

CRediT作者贡献说明

Viktor A. Gabyshev：撰写——初稿撰写，项目管理工作。Hichem Nasri：撰写——审阅与编辑。Olga I. Belykh：撰写——审阅与编辑。Andrey Yu. Krasnopeev：撰写——审阅与编辑。Shengda Wang：方法学研究，实地调查工作。Fengzhuang Lin：实地调查工作。Xi Li：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿撰写，项目监督，项目管理工作，方法学研究，实地调查工作，资金申请，数据整理，研究概念设计。Na Lin：实地调查工作。Weijun Song：

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利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFF1301302）、国家自然科学基金（NSFC）（项目编号42207071）以及政府委托项目（项目编号IUE-HZ-202203-012）的支持。

Xi Li|Shengda Wang|Weijun Song|Bastiaan W Ibelings|Yiruo Xia|Miquel Lürling|Nesrine Imene Hame|Hichem Nasri|Viktor A. Gabyshev|Andrey Yu. Krasnopeev|Olga I. Belykh|Na Lin|Fengzhuang Lin|Qijin Chen

中国科学院城市环境研究所先进环境技术国家重点实验室，中国厦门361021