电厂温排水对铜绿微囊藻生长影响的模拟研究

张 露，黄莹莹，陈雪初*，彭 欣，顾世勇（.上海交通大学环境科学与工程学院，上海 0040；.浙江省海洋水产养殖研究所，浙江 温州 5005；.上海市闵行区环境监测站，上海 000）

电厂温排水对铜绿微囊藻生长影响的模拟研究

张 露1，黄莹莹1，陈雪初1*，彭 欣2，顾世勇3（1.上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240；2.浙江省海洋水产养殖研究所，浙江 温州 325005；3.上海市闵行区环境监测站，上海 201100）

以水华藻种铜绿微囊藻为例，在实验室内模拟内陆电厂温排水中温升和游离余氯的联合作用，研究其对铜绿微囊藻生长与光合活性的影响.结果表明，在适宜铜绿微囊藻生长的温度范围内，一定程度的温升会促进其生长，且水域温度本底值较低时，温升更有利于铜绿微囊藻的生长.铜绿微囊藻对游离余氯非常敏感，在大于0.1mg/L情况下，光合活性会下降，抑制作用非常明显，联合作用下，温升对于0.1mg/L游离余氯作用下铜绿微囊藻光合活性的恢复具有一定的促进作用，对于0.2mg/L作用下则没有.电厂排水口铜绿微囊藻会受到很强烈的抑制作用，藻细胞受到严重破坏，当加氯方式为连续加氯时，0.1mg/L余氯作用下的水域，微囊藻生长也会受到抑制.

温排水；温升；游离余氯；铜绿微囊藻

温排水对浮游植物的影响已引起学者的广泛关注，以往研究仅限于滨海电厂、核电站温排水对于海洋浮游植物的影响，对于取用淡水为直流冷却水的内陆电厂，其温排水中的温升和余氯对淡水中浮游植物影响的试验研究却鲜有报道［1-3］.一般认为，温升会促进藻类的生长繁殖，在20～35℃范围内，生物量随温升有较大增加，会提高水华爆发的风险［4-5］.但这仅仅说明了温升单一因素下对于藻类的增殖有促进作用，忽视了温排水中余氯对藻类生长的抑制作用.电厂由于提供热机冷源和各种冷却的需要，需要大量的冷却水，为防止冷凝器附着生物形成绝热层，影响冷却效果甚至堵塞冷却系统，需向循环冷却水中加入一定量的氯，以清除管道中附着的藻类微生物，因此温排水中一般都含有一定浓度余氯［6-7］.本文选取淡水中典型有害水华藻种——铜绿微囊藻为研究对象［8］，研究温升和游离余氯的单独作用以及联合作用对铜绿微囊藻生长和光合作用的影响，探讨内陆电厂温排水与受纳水体蓝藻增殖的关系，为内陆电厂对其附近水域生态风险评价提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用的铜绿微囊藻藻种购自中科院武汉水生生物研究所，培养温度为25℃，光照强度约为2500lx，光暗比设定为14h:10h，扩大培养后用于试验.用于配制游离余氯溶液的安替福民（分析纯）购自上海国药集团化学试剂有限公司.

1.2 试验方法

配置BG-11培养基，混匀后，在高温高压灭菌锅中灭菌50min，冷却后接种处于对数生长期的铜绿微囊藻，恒温适应5～7d，再用无菌BG-11培养基稀释后分装到250mL锥形瓶中进行试验.试验所用控温装置如下:在水族箱中使用DYMAX的一款迷你加温棒，附带LED数显温控器，使水温达到所需温度，并使用小型潜水泵让水温均匀，用温度计进行水温的实时监测.游离余氯只在试验开始前加入，之后不再添加，光照强度2500lx，光暗比设定为14h:10h，每组设3个平行样，每天人工摇动锥形瓶2～3次，所有玻璃仪器使用前均经过高温灭菌处理.

1.2.1 温升影响试验 分别以21℃和28℃为对照组，试验组设置4℃的温升，即25℃和32℃，不加余氯，试验周期为10d.

1.2.2 游离余氯影响试验 设置温度条件为25℃，次氯酸钠现用现配，不加游离余氯的样品为空白对照组，试验组分别加入0.05，0.10，0.15，0.20mg/L游离余氯，试验周期为5d.

1.2.3 温度和游离余氯耦合影响试验 设置试验温度为28，31，34℃.28℃作为空白对照组，不添加余氯，31℃和34℃作为试验组，分别加入0.10，0.20mg/L的游离余氯，形成31℃-0.1mg/L、31℃—0.2mg/L、34℃—0.1mg/L和34℃—0.2mg/L的4个试验组，试验周期为10d.

1.3 分析测定与数据计算

游离余氯浓度:测定采用SYL-1B余氯仪（DPD法，检测限为0.01mg/L，精度为0.01mg/L）.

藻细胞密度:采用微生物血球计数板直接计数法，在OLYMPUS CKX41倒置光学显微镜下进行细胞计数.

叶绿素a浓度与光系统Ⅱ最大光化学效率（Fv/Fm）:用型号为PHYTO-PAM的浮游植物荧光仪（WAlZ，Germany）测定，在室温下进行，Fv/Fm测定时暗适应时间不少于5min.

相对细胞叶绿素a含量和生长抑制率分别用下式计算:

相对细胞叶绿素a含量=试验组细胞叶绿素a含量/对照组细胞叶绿素a含量.

生长抑制率（%）=（对照组细胞密度—试验组细胞密度）/对照组细胞密度×100%

2 结果与分析

2.1 温升对铜绿微囊藻的影响

我国中东部湖库春秋平均水温约为21℃，夏季平均水温约为28℃［5，9］.资料显示，温排水排口附近7℃温升范围较小，仅为0.1～0.2km2，4℃温升范围较大，约2～3km2，因此，分别以21℃和28℃作为对照，设置4℃的温升，图1为温升前后铜绿微囊藻细胞密度的比值.结果表明，试验温度均适宜铜绿微囊藻的生长，4℃的温升会促进其生长，且水域温度本底值越低，温升越有利于铜绿微囊藻的生长.同时还测定了藻细胞的叶绿素a含量和Fv/Fm，结果显示在不同温度下各组差别不大（P＞0.05），试验范围内温度对其没有明显影响.

图1 温升前后铜绿微囊藻细胞密度的比值Fig.1 Ratio of cell density of Microcystis aeruginosa at low and high temperatures

2.2 游离余氯对铜绿微囊藻的影响

研究发现［10-11］，余氯浓度高于0.03mg/L时即对浮游植物产生抑制作用，在低于0.03mg/L时浮游植物的初级生产力才可得到完全恢复.当温度为25℃，光照度为2500lx时，在接种了铜绿微囊藻的BG-11培养基中，游离余氯衰减情况如表1所示，浓度越高，衰减到0.03mg/L所用时间相对越长.

资料显示，0.1mg/L余氯范围约0.2～1km2， 0.05mg/L余氯范围约0.5～2km2.因此，选取游离余氯最低浓度为0.05mg/L.表2显示了在25℃温度下，不同游离余氯浓度作用下铜绿微囊藻的生长抑制率.当游离余氯浓度为0.05mg/L时，对微囊藻生长没有明显影响；当游离余氯浓度≥0.1mg/L时，第5d的生长抑制率达到了约90%，微囊藻生长受到了明显的抑制作用.通过镜检发现细胞已大多呈空化状态，细胞体积变得很小，表明藻细胞已受到明显破坏.

图2为不同浓度的游离余氯处理下铜绿微囊藻Fv/Fm的变化，Fv/Fm值反映了光系统Ⅱ活性的大小，可直接衡量藻类的光合作用能力，可以看到Fv/Fm对于余氯的响应非常迅速，当加入的游离余氯浓度仅为0.05mg/L时，1d后Fv/Fm值就已从0.54降低到0.27，之后慢慢恢复到原有水平；游离余氯浓度为0.2mg/L时，Fv/Fm值甚至接近于0，且随着时间推移，活性也不能恢复.图3表示铜绿微囊藻细胞的相对叶绿素a含量，即试验组细胞叶绿素a含量与对照组细胞叶绿素a含量的比值，在加入的游离余氯浓度大于0.1mg/L时，铜绿微囊藻的相对细胞叶绿素a含量极低.结果表明，游离余氯浓度越高，Fv/Fm值越低，微囊藻的光合作用能力越低，相对细胞叶绿素a含量越低.

表1 不同浓度游离余氯衰减到0.03mg/L以下所需时间Table 1 Required time for free residual chlorine to decay below 0.03mg/L

图2 不同游离余氯浓度作用下铜绿微囊藻Fv/Fm的响应曲线Fig.2 Photosynthetic efficiency （Fv/Fm） of Microcystis aeruginosa treated with various free residual chlorine concentrations

表2 不同游离余氯浓度作用下的生长抑制率（%）Table 2 Growth inhibition ratio of Microcystis aeruginosa as a function of chlorine concentration and length of exposure （%）

图3 相对细胞叶绿素a含量Fig.3 Relative chlorophyll-a content of Microcystis aeruginosa

2.3 温升和游离余氯联合作用对铜绿微囊藻的影响

表3 联合作用下的生长抑制率（%）Table 3 Inhibition ratio of Microcystis aeruginosa under different conditions of temperature and chlorine concentration （%）

图4 联合作用下铜绿微囊藻Fv/Fm的响应曲线Fig.4 Combined effect of temperature and chlorine concentration on photosynthetic efficiency （Fv/Fm）of Microcystis aeruginosa

联合作用试验中，为了模拟实际情况中温度和游离余氯随时间和距离的的衰减，分别设置了3℃温升和6℃温升以及0.1mg/L和0.2mg/L这两个浓度.28℃—0mg/L表示28℃温度下，不添加游离余氯的空白对照组；34℃—0.1mg/L和34℃—0.2mg/L表示34℃温度（6℃温升）下，添加游离余氯浓度为0.1mg/L和0.2mg/L的两个试验组，分别模拟排口较近距离和排口附近；31℃—0.1mg/L和31℃—0.2mg/L表示31℃温度（3℃温升）下，添加游离余氯浓度为0.1mg/L和0.2mg/L的两个试验组，前者模拟排口较远距离，后者在实际情况中出现较少.结果显示，31℃—0.2mg/L和34℃—0.2mg/L试验组中，微囊藻生长受到显著抑制，抑制率在第10d分别达到了99.35%和99.32%（表3）.镜检发现细胞大多呈现空化状态，细胞体积变小，细胞受到严重破坏，甚至一个月之后再进行检测，也没有任何恢复，说明破坏作用是不可逆的.

图5 联合作用下铜绿微囊藻的相对细胞叶绿素a含量Fig.5 Combined effect of temperature and chlorine concentration on relative chlorophyll-a content of Microcystis aeruginosa

联合作用下铜绿微囊藻Fv/Fm的响应曲线如图4所示.对照组Fv/Fm值变化不大，31℃—0.1mg/L和34℃—0.1mg/L两个试验组中Fv/Fm值仅1d即降到0.1以下，之后逐渐恢复，在第5d恢复至对照组的水平.恢复后的Fv/Fm值达到0.5以上，但图2中25℃温度下，0.1mg/L游离余氯浓度作用下的试验组中第5d的Fv/Fm值不到0.5，说明温升对于0.1mg/L游离余氯作用下铜绿微囊藻光合活性的恢复具有一定的促进作用；31℃—0.2mg/L和34℃—0.2mg/L两个试验组中微囊藻Fv/Fm值始终处于低水平，对比图2中25℃温度下，0.2mg/L游离余氯浓度作用下的试验组，说明温升不会促进0.2mg/L游离余氯作用下铜绿微囊藻光合活性的恢复.图5表示联合作用下铜绿微囊藻的相对细胞叶绿素a含量，31℃—0.2mg/L和34℃—0.2mg/L两个试验组中微囊藻相对细胞叶绿素a含量极低，而31℃—0.1mg/L 和34℃—0.1mg/L两个试验组中相对细胞叶绿素a含量大于1，表明这两个试验组中藻细胞叶绿素a含量比对照组高.

3 讨论

水体富营养化往往伴随着浮游藻类的过量增长［12］，微囊藻是湖库水华的常见优势藻种，其中以铜绿微囊藻造成的灾害尤甚［13］.铜绿微囊藻喜好高温，在水温30～35℃时生长最佳［14］，本试验中，水温在21～32℃范围内，微囊藻生物量随温升逐渐增加.铜绿微囊藻对游离余氯非常敏感，当游离余氯浓度为0.05mg/L时，虽然光合活性迅速降低，但是很快恢复，因此该浓度可以认为是一个安全浓度，当游离余氯浓度≥0.1mg/L时，铜绿微囊藻受到明显抑制，这与杨佳等［15］的试验结果基本一致.

光合活性与藻类的生长是密切相关的，Fv/Fm值反映着光系统Ⅱ活性的大小，可直接表征藻类的光合作用.结果表明，铜绿微囊藻的Fv/Fm值对于余氯的响应非常迅速，一旦加入氯，Fv/Fm值均迅速降低，当氯逐渐衰减，低浓度作用下的Fv/Fm值又会慢慢恢复，但游离余氯浓度达到0.2mg/L时，光合系统受到严重损坏，之后亦不会恢复，温升也不会对其恢复有促进作用.这表明光合活性能够预测藻类生长的趋势，Fv/Fm值能够作为藻类生长状况的一个指标.有资料显示［16］，温排水含有游离余氯，余氯对浮游植物生长的抑制正是由于其对光合系统的破坏作用.

从工艺角度看，采用直流冷却方式的电厂加氯方法主要可分为连续加氯法（使冷却系统中一直保持低浓度的氯，其浓度在冷凝器入口处应不低于0.1～0.5mg/L，此法首先用于滨海电厂）、不连续加氯法（加入氯量与连续法相同，可节省投氯量50%，但其效果不如连续加氯法）和间歇加氯法（短时高剂量加氯，浓度达到5～10mg/L，接着较长时段不加，可有效地防止黏液细菌附着，主要用于淡水系统）.结合试验结果分析，虽然在电厂排水口附近水域温升有利于铜绿微囊藻生长，但由于余氯作用，藻细胞光合作用受到抑制，甚至出现不可逆的细胞损伤；以不连续加氯法和间歇加氯法为例，保守估计排水口附近水域游离余氯浓度为0.2mg/L左右［17-18］，在此条件下，即使存在温升作用，藻类光合活性依然难以恢复，随着时间推移，温排水影响到周围水域，余氯浓度衰减，温度慢慢降低.当游离余氯浓度下降到0.1mg/L时，可以发现微囊藻的光合活性仍然较低，这说明电厂排水口附近水域水华现象的发生概率很低；如果电厂加氯方式为连续加氯，在0.1mg/L游离余氯作用的水域，微囊藻生长一样受到抑制，藻类难以增殖.虽然本研究表明电厂温排水对周边水域微囊藻增殖具有直接抑制作用，但从淡水生态系统角度来看，温排水中的余氯还可能同时会对浮游动物、底栖动物产生负面影响，需要进一步开展系统研究.另外，在单独温升作用下，细胞叶绿素a含量非常接近，而在联合作用下，31℃—0.1mg/L和34℃—0.1mg/L下的细胞叶绿素a含量却较对照组高，即温升与余氯的联合作用对藻细胞叶绿素a含量存在促进作用，这是否暗示受到余氯胁迫时，微囊藻在细胞生理层面上具有反馈机制，有待进一步探索.

4 结论

4.1 铜绿微囊藻对游离余氯非常敏感，当浓度为0.05mg/L时，就会对光合活性造成一定的抑制，但余氯很快会衰减到0.03mg/L以下，活性恢复，藻密度开始增长；当游离余氯浓度大于0.1mg/L时，藻细胞光合活性会下降，生长受到明显抑制；0.2mg/L游离余氯作用下，藻细胞光合活性接近于0，藻细胞发生空化，一个月后也没有恢复.

4.2 通过联合作用试验，发现温升对于0.1mg/L游离余氯作用下铜绿微囊藻光合活性的恢复具有一定的促进作用，对于0.2mg/L作用下则没有.

4.3 采用直流冷却方式的电厂排水口铜绿微囊藻会受到很强烈的抑制作用，藻细胞受到严重破坏，当加氯方式为连续加氯时，0.1mg/L作用下的水域，微囊藻生长也会受到抑制.

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Simulation study on effects of thermal discharge from an electric power plant on Microcystis aeruginosa.

ZHANG Lu1， HUANG Ying-ying1， CHEN Xue-chu1*， PENG Xin2， GU Shi-yong3（1.School of Environmental Science and Engineering， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240， China；2.Zhejiang Mariculture Research Institute， Wenzhou 325005， China；3.Minhang Environmental Monitoring Station， Shanghai 201100， China）. China Environmental Science，2015，35（4）：1181～1186

The influence of elevated temperature and residual chlorine of power plant thermal discharges on Microcystis aeruginosa was investigated. Laboratory experiments were carried out to study the growth and photosynthetic response of M. aeruginosa to a range of temperatures and chlorine concentrations. The results showed that temperature rise favored the growth of M. aeruginosa， especially at a lower ambient temperature. On the other hand， M. aeruginosa was very sensitive to free residual chlorine. When the chlorine concentration exceeded 0.1mg/L， the photosynthetic activity was greatly reduced， indicating the inhibitory growth effects. The inhibition was compensated by increasing water temperature at a chlorine concentration of less than 0.2mg/L. Our results suggest the growth of M. aeruginosa， near outlets of power plants， would be greatly inhibited with severely damaged cells. Moreover， with continuous addition of chlorine， the growth of M. aeruginosa was negatively affected at a chlorine concentration of 0.1mg/L.

thermal discharge；temperature rise；free residual chlorine；Microcystis aeruginosa

X171.5

A

1000-6923（2015）04-1181-06

张 露（1990-），男，湖北荆州人，上海交通大学硕士研究生，主要从事水环境及生态恢复研究.

2014-08-15

浙江省重大科技专项（2012C13005）

* 责任作者， 讲师， cxcsnow@163.com