再生水补水的景观水体优势藻种水华爆发阈值条件的确定

于汇洋， 徐志嫱， 龙怡静， 史 可， 曹琛洁

(西安理工大学 水利水电国家级实验教学示范中心， 陕西 西安 710048)

1 研究背景

将再生水作为城市河湖的补充水源，不仅可置换出大量的新鲜水资源，改善城市的生态环境，还可为工业、市政杂用等其他用途提供水资源储备。再生水已在许多国家和地区得到应用，例如，北京的奥林匹克湖、西安的护城河、美国的埃尔西诺(Elsinore)湖、韩国的西娃(Shihwa)湖等[1-4]。但再生水中有机物含量、氮磷浓度、pH值、含盐量等水质指标均大于天然水[5-6]，加之城市水系一般流动性较差，所以，用再生水补入城市水系极易引发藻类水华等生态风险问题[7-8]。

氮磷营养盐、光照和温度对藻类水华爆发的影响显著[9]。在淡水湖泊中，正常代谢的藻类最佳生长营养盐浓度比(N/P)约为16 ∶1，此时藻细胞的生长主要受磷浓度的限制，当水温大于15 ℃时，容易诱发蓝藻水华[10-11]，而以再生水补水的城市景观水体中蓝藻和绿藻为优势藻种(占比达60%以上)，易发生蓝绿藻水华[12]。所以氮磷浓度，尤其是磷浓度，是造成富营养化的决定性因素，通过限制磷输入可控制富营养化湖泊中有害藻类的生长[13]。温度对水体富营养化的影响显著，温度的波动能够影响藻细胞生长代谢速率[14]，在城市湖泊中较高的营养水平指数和叶绿素a(Chl-a)浓度会出现在春夏季[13]。在天然水体中，绿藻在低温时相较蓝藻更加具有竞争力，更易成为优势群体，而温度较高时则相反[15-16]。再生水的补入可能会引起浮游植物的种群组成发生改变[17]，温度变化引发的藻种之间的竞争优势是否还遵循上述藻类的竞争规律还需进一步论证。光照是藻细胞光合作用必不可少的条件，光照会给藻类的生长提供充足的能量，但光照强度过于强烈反而会抑制其生长。例如，小球藻在5 500 lx照度下生长繁殖状况最佳，当照度超过9 000 lx时，会对其生长繁殖产生抑制作用[18]。由于不同的研究区域气温及光照强度均存在一定差异，造成再生水补水的水体中优势藻种的组成也不尽相同，不同优势藻种对光照强度的反应效果可能也存在一定的差异。但目前有关再生水补水的水体中藻类在营养盐浓度、温度和照度共同影响下生长趋势的研究成果还不多见，对再生水补水的水体中水华爆发的条件和规律还缺乏全面的认识。

本文以西安市护城河为例开展藻类生长影响研究。护城河东、西两段(长度约6.2 km)分别用大峪水库地表水和西安市清远中水有限公司生产的再生水进行补水，监测结果显示[2]，再生水补水段的TN、TP、PO43-平均浓度均高于地表水补水段，尤其是PO43-浓度高出9倍以上。在春夏季，地表水补水段的Chl-a浓度基本维持在50 mg/m3以下，再生水补水段Chl-a浓度大部分时间段大于100 mg/m3，更易爆发藻类水华[19]。所以，要解决有害藻类水华问题，需结合研究区域再生水补水水体的水质变化规律，从对藻类影响最显著的氮磷浓度、光照和温度3个因素入手，明确藻类爆发的阈值条件，从而为再生水补水水体藻类水华的控制提供理论依据。

2 实验材料与研究方法

2.1 实验材料

(1) 实验水样。本研究选取西安市护城河再生水补水段原水和再生水厂出厂水作为实验用水，并按N/P(总氮浓度与总磷浓度之比)的平均值对水质进行适当调控后作为实验水样。由西安市护城河再生水补水段和再生水厂出水水质的监测结果(表1、2)可知，再生水中的总氮主要以硝态氮的形式存在(占比约为85%～95%)，磷主要以正磷酸盐为主(占比约为80%～90%)，春夏季再生水补水段N/P平均值为17.5 ∶1，再生水厂出厂水中N/P平均值为30 ∶1。

表1 西安市春夏季护城河再生水补水段原水水质参数

表2 西安市护城补充再生水的出厂水水质参数

(2)藻类生长水环境。本研究分3种氮磷营养水环境工况进行藻类生长研究。

工况1：根据护城河再生水补水水源(再生水出厂水)氮磷平均浓度进行调控，即氮、磷的调控值为：TN=9 mg/L，TP=0.3 mg/L，N/P=30 ∶1；

工况2：根据护城河再生水补水段2019年春夏季水体氮磷平均浓度进行调控，即氮、磷的调控值为：TN=3.5 mg/L，TP= 0.2 mg/L，N/P=17.5 ∶1；

工况3：根据护城河再生水补水段实际TN和TP浓度现状和未来再生水厂提标改造到准Ⅳ类水质标准要求，同时考虑TN浓度进一步降低比较困难[20-21]，再生水补水段TN浓度仍按工况2考虑，再生水厂经提标后，TP浓度将执行《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅳ类标准，此过程在实验室使用磷吸附剂实现，该工况氮、磷的调控值为：TN=3.5 mg/L，TP= 0.1 mg/L， N/P=35 ∶1。

(3)优势藻种的扩培。护城河再生水补水段春夏季主要的优势藻种为水华微囊藻、普通小球藻和四尾栅藻[2]。从中国科学院淡水藻种库分别购置了水华微囊藻(FACHB-1028)、普通小球藻(FACHB-8)和四尾栅藻(FACHB-1468)，采用配置好的BG-11培养基在恒温培养箱中进行优势藻种的扩培，培养条件为温度T=20～25 ℃、光照强度=1 000～2 000 lx、光暗比=12 h ∶12 h，培养时间为20～30 d。

(4)藻液的配制。将扩培好的3种优势藻液分别在显微镜下计数，根据计数得出的培养基中的藻密度以及设计实验中的藻密度和水样体积计算实验所需藻液量。将适量的藻液放入无菌的离心管内，以4 000 r/min转速离心15 min，去掉上清液，添加NaHCO3溶液(15 mg/L)至离心管原始刻度，循环上述步骤3次，即可洗掉藻液中的营养盐成分，得到实验所需藻液。

2.2 实验方法

(1)单因素实验。

①藻类生长最佳温度的确定：以工况2为实验水样(模拟西安市护城河再生水补水段水质)，对实验水样进行杀菌后，分别接种水华微囊藻(藻密度为1.0×104cell/mL，Chl-a 浓度为2 mg/m3)、普通小球藻(藻密度为1.0×104cell/mL，Chl-a浓度为5 mg/m3)、四尾栅藻(藻密度为1.0×104cell/mL，Chl-a浓度为10 mg/m3)，在光照强度= 5 000 lx、光暗比=12 h ∶12 h条件下，观测不同温度(15、20、25、30、35、40 ℃)的藻类生长情况，确定藻类生长的最佳温度。测试指标为3种藻种的藻密度和Chl-a浓度。

②藻类生长最佳光照强度的确定：以工况2为实验水样，以上述①中所确定的最佳生长温度为控制条件，在光暗比=12 h ∶12 h的条件下，观测不同光照强度(0、1 000、3 000、5 000、7 000、9 000 lx)下3种优势藻种的生长情况，以确定最佳光照条件。

③以上述①和②中所确定的最佳温度和光照强度为控制条件，在光暗比=12 h ∶12 h的条件下，观测3种工况下3种优势藻种的生长情况。

上述每组实验均设3个平行样，藻类培养时间为10 d。

(2)藻类爆发实验。

①水华微囊藻爆发条件实验：以单因素实验中获得的水华微囊藻最佳温度和光照强度为控制条件，在工况2(模拟护城河再生水补水段水质)的水样中接种水华微囊藻(藻密度=1×104cell/mL)，在光暗比=12 h∶12 h条件下，观测水华微囊藻藻密度变化情况，获得其水华爆发的条件。

②普通小球藻爆发条件实验：以单因素实验中获得的普通小球藻最佳温度和光照强度为控制条件，在工况1(模拟再生水厂出水水质)的水样中接种普通小球藻(藻密度=1.0×104cell/mL)，在光暗比=12 h ∶12 h条件下，观测普通小球藻藻密度变化情况，获得其水华爆发的条件。

③四尾栅藻爆发条件实验：以单因素实验中获得的四尾栅藻最佳温度和光照强度为控制条件，在工况1(模拟再生水厂出水水质)的水样中接种四尾栅藻(藻密度=1.0×104cell/mL)，在光暗比=12 h ∶12 h条件下，观测四尾栅藻藻密度变化情况，获得其水华爆发的条件。

上述每组实验均设3个平行样，藻类培养时间为10 d。

2.3 分析与计算方法

藻密度采用浮游生物框计数法计算；Chl-a浓度采用叶绿素荧光测定仪和丙酮-超声法(校核叶绿素仪)测定；藻类抑制率计算公式如下：

IR=(1-N/N0)×100%

(1)

式中：IR为藻类抑制率，%；N0为初始藻密度，cell/mL；N为产生抑制后的藻密度，cell/mL。

3 结果与分析

3.1 温度对藻类生长的影响

采用工况2实验水样在光暗比=12 h ∶ 12 h、光照强度=5000 lx的条件下，水华微囊藻、普通小球藻和四尾栅藻3种优势藻的藻密度和Chl-a浓度随生长温度(T=15～40 ℃)的变化情况如图1所示。由图1可知，随着温度的逐步升高，3种藻种的生长速率呈先增大后减小的趋势。当温度T=25 ℃时，普通小球藻和四尾栅藻的藻密度达到最大，分别为74.3×104和38.1×104cell/mL，此时水样中两种藻类的Chl-a浓度也达到峰值，分别为368和376 mg/m3。而水华微囊藻的最佳生长温度为30 ℃，此时其藻密度和Chl-a浓度分别为105.2×104cell/mL和209 mg/m3。之后，随着温度的进一步升高，3种藻种的生长速率开始下降，当T=40 ℃时，水华微囊藻、普通小球藻和四尾栅藻的藻密度分别降至15.8×104、0.7×104和0.7×104cell/mL，说明高温环境对3种优势藻的生长有抑制作用。在模拟再生水补水的水体中，水华微囊藻的生长最为旺盛，其次为普通小球藻和四尾栅藻。相比较而言，水华微囊藻在较高温度(30 ℃左右)的再生水补水条件下生长旺盛，竞争优势较强，而普通小球藻和四尾栅藻等绿藻在中温(25 ℃左右)条件下具有一定的竞争优势。

图1 3种优势藻的藻密度和Chl-a浓度随生长温度的变化情况(工况2实验水样)

3.2 光照强度对藻类生长的影响

在工况2实验水样、光暗比=12 h ∶12 h、水华微囊藻生长温度T=30 ℃以及普通小球藻和四尾栅藻生长温度T=25 ℃的条件下，3种优势藻的藻密度和Chl-a浓度随光照强度(0～9 000 lx)的变化情况如图2所示。

由图2可知，光照强度为0时，藻类无法生长，随着光照强度的增强，藻类开始生长繁殖，藻密度和Chl-a浓度随之增大。当光照强度为5 000 lx时，普通小球藻的藻密度和Chl-a浓度达到最大，分别为74.3×104cell/mL和368 mg/m3。之后，随着光照强度的进一步增加，普通小球藻的生长受到抑制，当光照强度达到9 000 lx时，藻密度降为零，这也与相关研究规律基本一致[18]。四尾栅藻适宜的光照条件为7 000 lx，此时四尾栅藻的藻密度为63.4×104cell/mL，Chl-a浓度为629 mg/m3。水华微囊藻随着光照强度的增加而持续生长，当光照强度达到9 000 lx时，水华微囊藻的藻密度高达 134.0×104mg/m3。可见，在春夏季的高温以及强照度条件下，水华微囊藻在再生水补水的水体中更容易成为优势藻，爆发水华的风险较高。

图2 3种优势藻的藻密度和Chl-a浓度随光照强度的变化情况(工况2实验水样)

3.3 氮磷浓度对藻类生长的影响

3种优势藻分别在其最佳的生长温度和光照强度下(水华微囊藻为：T=30 ℃，光照强度=9 000 lx；普通小球藻为：T=25 ℃，光照强度=5 000 lx；四尾栅藻为：T=25 ℃，光照强度=7 000 lx)，在3种工况(氮磷比N/P分别为30 ∶1、17.5 ∶1、35 ∶1)的实验水样中培养10 d，水华微囊藻、普通小球藻和四尾栅藻的藻密度和Chl-a浓度变化情况如图3所示。由图3可知，普通小球藻和四尾栅藻在氮磷浓度相对较高的工况1(再生水出厂水)条件下更易生长，其藻密度和Chl-a浓度分别可达122×104、81×104cell/mL和593、794 mg/m3。而水华微囊藻更易在氮磷比相对较低的工况2(再生水补水)的水环境中生长，藻密度最大可增加至134×104cell/mL，增长率达133%。通过对再生水出厂水进行水质提升后(主要措施为降低TP浓度，即工况3)，3种优势藻的生长趋势均得到减缓，因总磷浓度降低(由TP=0.3 mg/L降至TP=0.1 mg/L)使得水华微囊藻、普通小球藻、四尾栅藻的藻密度分别由工况1的104×104、122×104和81×104cell/mL减小到85×104、53×104和48×104cell/mL，其抑制率分别为18.3%、56.6%和40.7%。

图3 3种优势藻在不同工况下的藻密度和Chl-a浓度变化情况(最佳生长温度和光照强度)

根据实验所得的3种优势藻的藻密度与Chl-a浓度平均值分别进行一元线性回归分析，水华微囊藻、普通小球藻和四尾栅藻的藻密度与Chl-a浓度的回归方程分别为y=1.9730x+0.4390(R2=0.9978，n=108，P<0.05)、y=4.8270x+0.6855(R2=0.9966，n=108，P<0.05)和y=9.9102x+0.0067(R2=0.9994，n=108，P<0.05)。3个拟合方程的拟合优度R2值均接近1，说明3种优势藻的藻密度与Chl-a浓度之间均符合线性关系(n=108，P<0.05)，且显著性较高。

3.4 水华爆发状况分析

由3.1～3.3节的研究结果可知，3种藻种的最优生长条件分别为：水华微囊藻T=30 ℃，光照强度=9 000 lx，N/P=17.5 ∶1；普通小球藻T=25 ℃，光照强度=5 000 lx，N/P=30 ∶1；四尾栅藻为T=25 ℃，光照强度=7 000 lx，N/P=30 ∶1。按照水华发生的统计标准，当水体中藻密度大于1×104cell/mL时，水体会发生富营养化问题，当藻密度大于10×104cell/mL时，水体中会出现水华爆发现象[22]。3种优势藻在各自最优生长条件下的藻密度随生长时间的变化情况见图4。由图4可知，水华微囊藻生长速度最快，在培养到第3 d时，藻密度就从初始值1.0×104cell/mL增大至9.1×104cell/mL，已接近水华爆发的条件(藻密度>10×104cell/mL)，在继续培养到第10 d时，藻密度高达138×104cell/mL，水体已发生严重水华。普通小球藻和四尾栅藻在培养到第5 d时藻密度分别为20.0×104、9.2×104cell/mL，也达到或接近水华爆发阈值，到第10 d时同样也发生了较严重的水华。总体来看，水华微囊藻和普通小球藻发生水华爆发的程度更严重。

图4 最优生长条件下3种优势藻的藻密度随生长时间的变化

4 讨 论

通过对西安市护城河再生水补水段识别出的3种优势藻种开展的温度、光照强度和氮磷营养盐浓度单因素影响实验的结果表明，3种因素对藻类生长的影响显著，3种藻种最佳生长条件具有一定的差异性。在较高的温度和光照强度且N/P值相对较低的水体中，水华微囊藻等蓝藻的生长状况较佳，而在温度适宜、照度相对较弱且N/P值相对较高的水体中，普通小球藻和四尾栅藻等绿藻将会成为优势种群。这与天然水体中温度和光照强度变化引起的蓝藻和绿藻优势种群发生的演替规律相一致[15-16]。但在氮磷浓度较高、N/P值较大的再生水体中，普通小球藻和四尾栅藻等绿藻更容易成为优势藻种[24]。降低氮磷浓度，可在一定程度上抑制藻类的生长[23]，尤其当TP浓度≤ 0.1 mg/m3时，对普通小球藻和四尾栅藻的抑制作用较显著，但对水华微囊藻的抑制作用一般。说明通过降低再生水出厂水的总磷浓度，可在一定程度上缓解再生水补入景观水体后绿藻水华爆发现象，但还需防范再生水补水引起的蓝藻水华。可见，再生水水质的提升和改善可能会引起再生水水体由绿藻优势种群转变为蓝藻优势种群。

对3种优势藻种的藻密度与Chl-a浓度进行的线性回归分析表明，藻密度与Chl-a浓度之间呈显著正相关(P<0.05)。所以，在进行藻类生长状况的观测和评估时，可以选用两者之一作为依据，这也与其他相关研究结果一致[25]。

3种优势藻种在各自的最佳生长条件下生长3～5 d内便可达到水华爆发阈值，且水华微囊藻和普通小球藻的生长速率更快。表明在水华爆发的高风险时段，监测优势藻生长环境变化趋势对于水华控制至关重要。另外，随着藻类生长环境的变化，尤其是氮磷浓度的变化，再生水水体中优势藻类种群结构与竞争关系可能也会发生改变，还需在这方面进行研究和探索，从而为再生水水体水华爆发的阶段演替以及水华控制提供理论支撑。

5 结 论

(1) 明确了3种优势藻种的最佳生长条件。水华微囊藻在T=30 ℃、光照强度= 9 000 lx且N/P较低的再生水补水的水体中较易生长和繁殖，培养3 d便可达到水华爆发的阈值条件；普通小球藻和四尾栅藻在T=25℃、光照强度分别为5 000和7 000 lx且N/P相对较高的再生水出厂水中更易生长，培养5 d即可达到或接近水华爆发的阈值。

(2)3种优势藻种的藻密度与其Chl-a浓度之间呈显著正相关性(P<0.05)。可选用两者之一作为藻类生长状况观测和评估的依据。

(3)降低再生水水体中磷浓度可在一定程度上抑制藻类的生长，尤其当TP浓度≤ 0.1 mg/m3时，对普通小球藻和四尾栅藻的抑制作用显著，藻密度的抑制率分别可达56.6%和40.7%，而对水华微囊藻的抑制率仅为18.3 %。