从长期干旱到跨流域调水：热带半干旱水库中蓝藻生物量和蓝藻毒素增加的证据

《Harmful Algae》：From prolonged drought to interbasin water transfer: evidence of increased cyanobacterial biomass and cyanotoxins in a tropical semiarid reservoir

　　- 长期监测显示，在跨区域引水（IBWT）后，蓝藻及蓝藻毒素发生了显著变化。- 生物量增加，优势种发生更替，物种丰富度上升，共记录到八个类群。- 微囊藻毒素、河鲀毒素和圆柱石鳖毒素在引水后浓度升高。- 变化主要由营养盐富集、浊度增加和水体容量改变所驱动。- 在持续多年的严重干旱结束后降雨恢复时，这些效应进一步加剧。## 引言在全球缺水地区寻找水安全的努力推动了大型工程解决方案的发展，如跨区域引水工程（IBWT）（Liu等人，2023；Sun等人，2023）。这些项目旨在将水资源从供水区调拨至面临水资源短缺的地区，以支持人类生活用水、灌溉和经济发展（Sun等人，2023）。然而，IBWT代表着重大的人为干预，可能大幅改变受水区水生生态系统的物理、化学和生物完整性。已记录的生态影响包括水动力与泥沙动力学变化、富营养化风险增加、入侵物种和病原体的引入，以及本土生物多样性的丧失（Barbosa等人，2021；Yan等人，2023；Wu等人，2024；Ting等人，2025）。尽管IBWT项目在全球范围内不断扩展（Wang等人，2025），但其生态影响的全面评估——尤其是针对受水区的评估——仍然有限（Ting等人，2025）。现有研究主要关注物理化学参数的变化以及鱼类群落结构的变化，这些是传统的生物指示指标（Davies等，1992；Filho和Buckup，2005；Bellafronte等，2010；Guo等，2020；Barbosa等，2021）。相比之下，浮游植物群落对水文制度变化响应迅速，并在初级生产和养分循环中发挥关键作用，但受到的关注相对较少（Tan等，2023；Wu等，2024）。在浮游植物群落中，蓝藻因其能够形成密集且常有毒的水华而尤其令人担忧（Lürling等，2017；Bonilla等，2023）。这类水华通常在营养盐丰富、水温升高和水体分层稳定等条件下更为有利（Paerl和Paul，2012），它们会严重恶化水质、增加水处理成本，并通过产生蓝藻毒素对人类健康构成严重威胁（Abu-Ali等，2025；Sahu等，2025）。主要蓝藻毒素——包括微囊藻毒素（MCs，肝毒性）、河鲀毒素（STXs，神经毒性）和圆柱石鳖毒素（CYLs，肝毒性和细胞毒性）——与急性中毒、慢性肝损伤以及在严重情况下导致人类和野生动物死亡密切相关（Mutoti等，2023；Campos等，2024；Rocha等，2024）。人类接触蓝藻毒素最常见的方式包括经口摄入、皮肤接触和气溶胶吸入。IBWT对蓝藻动态的影响是复杂且具有高度情境依赖性的。在某些条件下，水流入量增加可能稀释营养盐并降低水华强度（Ting等，2025）。相反，引水也可能通过输入外源营养负荷、改变分层模式或从供水区引入非本地潜在有毒类群而促进蓝藻生长（Fornarelli等，2013）。这些矛盾的响应强调了进一步研究的必要性，特别是在半干旱地区，那里的水生生态系统对水文变异和营养盐富集高度敏感（Barbosa等，2012；Brasil等，2016；Santos-Silva等，2024）。在巴西半干旱地区，已实施了世界上规模最大的跨区域引水工程之一——圣弗朗西斯科河流域综合开发项目（PISF——*Integra??o do Rio S?o Francisco com Bacias Hidrográficas do Nordeste Setentrional*）。该项目于2017年启动，旨在缓解该地区的长期水资源短缺问题。该地区集中了巴西约28%的人口，却仅拥有3%的淡水资源（BRASIL，2024）。项目从巴西第二大河流——圣弗朗西斯科河引水，通过一个总长477公里、包含两条主要引水轴线（北线和东线）的系统，向四个州的多个水库供水，惠及近1200万人（BRASIL，2024）。尽管PISF在成本、治理和长期可持续性等方面引发了政治和经济争论（Pires，2019），但建设工作在2012至2017年严重干旱的紧急法令下加速推进。这场干旱是近几十年来最严重的水文危机之一（Martins等，2015；Walter等，2018）。在此期间，巴西半干旱地区的许多水库蓄水降至极低水平，严重威胁了区域供水，导致广泛的配水限制和社会经济影响（G1 Paraíba，2017）。初步评估报告指出，PISF对受水区水库水质的影响存在差异，具体取决于引水量与水质、当地水文特征以及气候条件，包括项目初期出现的持续干旱和随后的降雨恢复情况（Barbosa等，2021）。虽然系统中第一个连接的水库水质有所改善，但下游水库则出现了水质恶化的迹象，包括浊度和营养状态升高（Barbosa等，2021）。在一些受水区水库中报告的叶绿素a浓度升高，进一步表明蓝藻增殖的风险增加（Barbosa等，2021），这与经验研究和模型研究一致，表明IBWT可能有利于受水区水华的发展（Fornarelli等，2013；Jiang等，2025）。然而，迄今为止尚无任何研究专门评估IBWT如何影响半干旱地区受水区水库中蓝藻群落的组成、生物量以及关键的蓝藻毒素浓度。此外，大多数现有评估依赖短期监测或低频采样，这可能忽视了快速的生态响应和瞬态水华事件，而这些对于理解蓝藻动态和毒素变异尤为关键。因此，本研究利用高频时间序列数据，调查了PISF引水启动前后受水区水库中蓝藻和蓝藻毒素的动态变化，并识别了与时间变化相关的主要物理和化学变量。具体而言，我们探讨了以下问题：(i) 引水启动前后，蓝藻生物量、优势类群以及关键蓝藻毒素（MCs、STXs和CYLs）浓度有何差异？(ii) 哪些环境变量（如营养盐、浊度等）在不同时期与蓝藻优势类群更替和毒素浓度变化关联最为密切？理解这些模式可以为管理策略提供支持，并有助于IBWT项目的长期环境可持续性。## 章节摘要### 研究区域本研究在Epitácio Pessoa水库（6°51'31"S至8°26'21"S；34°48'35"W至37°2'15"W）开展，该水库也称为Boqueir?o水库，位于巴西北部帕拉伊巴州帕拉伊巴河流域（图1）。该水库建于1956年，是圣弗朗西斯科河流域综合开发项目（PISF）的主要受水系统之一，通过向19个市镇及约100万人供水（包括坎皮纳格兰德等）发挥着重要的社会经济作用。### 蓝藻组成、水华风险分类及优势类群在整个研究期间共鉴定出27个蓝藻物种。PISF前阶段记录了18个物种，PISF后/持续干旱阶段记录了20个物种，PISF后/季节性降雨恢复阶段记录了20个物种（补充表S1）。*Coelosphaerium* sp.仅在PISF前阶段出现，而8个物种仅在引水启动后才出现。其中，*Aphanocapsa annulata*、*A. koordersii*、*Dolichospermum circinale*、*Merismopedia tenuissima*、*M. glauca*等。### 讨论我们长期的、高频的时间序列数据显示，在巴西半干旱地区的一个受水区水库中，跨区域引水（IBWT）后蓝藻动态和蓝藻毒素浓度发生了显著变化。在圣弗朗西斯科河流域综合开发项目（PISF）启动后，我们记录了更高的蓝藻生物量、更频繁的WHO警戒2级事件、优势类群的更替，以及MCs、STXs和CYLs浓度的增加。物种丰富度也增加了。### 结论跨区域引水与半干旱地区受水区水库中蓝藻动态和毒素产量的显著变化相关。引水后，我们观察到生物量升高、优势类群更替、物种丰富度增加以及MCs、STXs和CYLs浓度升高。这些变化发生在引水、持续干旱和随后水文恢复共同作用的时期。这些变化并未逆转所观测到的趋势……### 作者贡献**Juliana Santos Severiano：** 概念构思、数据整理、方法论、正式分析、初稿撰写、调查、验证、可视化、审阅与编辑。**Camila Ferreira Mendes：** 概念构思、正式分析、初稿撰写、调查、指导、验证、可视化、审阅与编辑。**Tatiane Medeiros Queiroz：** 调查、可视化、审阅与编辑。**Dayrla Kelly Gomes Rocha：** 审阅与编辑。### 未引用参考文献Brasil, Ministério da Saúde 2021, Brittain等人, 2000, Brookes和Ganf, 2001, Carvalho等人, 2008, Guiry和Guiry, 2024, Harke等人, 2016, Kokociński等人, 2013, Mazmouz等人, 2010, Negri等人, 1997, Nguyen等人, 2012, ?sterholm等人, 2020, Pereira等人, 2004, Ramos等人, 2021, Severiano等人, 2022, Snaddon等人, 1999, Vézie等人, 1998, Tonk等人, 2005, Yéprémian等人, 2007, Yilmaz等人, 2018### CRediT作者贡献声明**Juliana dos Santos Severiano：** 审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念构思。**Camila Ferreira Mendes：** 审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、指导、调查、正式分析、概念构思。**Tatiane Medeiros Queiroz：** 审阅与编辑、可视化、调查。**Dayrla Kelly Gomes Rocha：** 审阅与编辑。---Juliana dos Santos Severiano | Camila Ferreira Mendes | Tatiane Medeiros Queiroz | Dayrla Kelly Gomes Rocha | Emmanuelly da Silva Oliveira | ênio Wocyli Dantas | José Etham de Lucena Barbosa