水源水藻类污染及菌群演替变化

王语笑

（广州市自来水有限公司，广东 广州 510160）

自然界中由于氮和磷等营养物质含量少，藻类的生长受到制约，不能大量生长。但是近年来由于人类大量排放含有丰富氮磷元素的生活污水和和工业废水，未经处理直接排入江河湖泊后，使水体的营养成分提高，导致地表水源的藻类过度生长。藻类的相对密度在1左右，由于接近水的密度，大多数藻类悬浮在水体表面，藻类的大量繁殖会给饮用水的处理带来严重影响。除此之外，藻类和水体伴生微生物是淡水生态系统的重要组成部分，在结构和功能上均有不可替代的地位。藻类能够为水生生物提供氧气，微生物则能够分解水中有机物，使得营养物质在生态系统中得以循环，从而维持生态平衡。基于藻类和微生物的密切关系，藻类大量繁殖时，微生物能够通过改变周围环境特征从而对藻类群落建立相互作用，因此，藻类繁殖能够显著改变微生物群落结构的组成。

1.藻类对自来水生产的影响

自来水厂的净水过程经常遭受藻类问题的困扰，特别是混凝、沉淀、过滤、消毒四大组合的传统常规净水工艺。高藻类原水进入自来水厂后，对药耗、生产工艺以及净水构筑物池壁都会产生不利的影响，主要表现在以下几个方面：

1.1 药耗增加

在藻类的光合作用下，水中pH值升高，溶解氧增加，导致矾花密度降低，沉淀去除率降低，需要投加的混凝剂用量就会增加。此外，水中的藻类以及藻类产生的有机物，也会增加消毒剂和混凝剂的使用剂量。由于水中藻类带负电难以混凝，藻类的代谢物糖酸会与混凝剂水解产物出现化学反应，其生成的络合物会大量附着于絮体颗粒的表面，这会对颗粒的碰撞、絮凝产生影响，如果不增加混凝剂用量，就会影响自来水的质量。同时，藻类产生的有机物会与水中的氯、氨氮发生反应，在自来水的生产中，水管网中的游离氯必须要达到一定的标准，为了达到标准，就不得不增加次氯酸钠用量，这不仅会增加了自来水的生产成本，也会导致水中的消毒副产物增加，影响了人们的用水安全。

1.2 堵塞滤池

地表水源中常见的藻类有硅藻、蓝藻、绿藻等等，有的水源中还有金藻、裸藻、甲藻等，这些藻类的尺寸不一，会严重影响饮用水的净水质量。一些藻类的密度相对较小，即便采用了絮凝沉淀的方式也很难去除，经过处理后，没有被去除的藻类会大量聚集，覆盖在滤池上方，特别是砂滤池上方更加常见，如果附着量太大，就会影响水流的正常通过，这会增加维护时间，还需额外的投入资金。在该种情况下，即便是增加反冲洗强度，效果也不甚理想。另外，藻类还会释放出一些气体，这类气体会导致滤池出现阻塞，尤其是藻类光合作用会产生氧气，对滤池的影响更大。在我国，曾经有多个自来水厂出现了这样的情况，如，武汉东湖水厂在未进行改造前，受到藻类水华的影响，滤池每隔2～3小时就需冲洗一次，而此前只需每隔12小时冲洗一次，反复冲洗大大增加了水量消耗，甚至达到了制水量的20%，给工作人员带来了沉重压力，也引发了供水紧张的问题。总体来看，有几类藻类容易导致滤池堵塞，如硅藻门中的小环藻、星杆藻、直链藻；绿门藻中的盘星藻属、水绵藻、小球藻等等。

Pakmer等研究了藻类对滤池过滤效果的影响，当藻类数量小于50万个/升时，不会引起滤池堵塞，当藻类数量达到50万～100万个/升时，滤池稍有堵塞现象；当藻类数量为100～200万/升时，滤池有明显堵塞现象；当藻类数量大于200万/升时，滤池会出现严重堵塞。我国水厂也有类似情况，如武汉东湖水厂在工艺改造前，在藻类影响下，滤池反冲洗周期由原来的12小时缩短为2～3小时，反冲洗水量最高可达制水量的20%。

1.3 附着净水构筑物池壁

藻类很容易附着在池壁、混凝土的表面，对水厂的正常生产、运行造成不利影响。藻类的物理与化学作用也会产生腐蚀，导致池壁老化，同样，粗糙的构筑物表面又给藻类寄生提供繁殖场所。另一方面，藻类长期附着生长，会形成生物粘泥，既影响净水过程中的感官质量，又增加了洗池的频率和费用，以及工人的劳动强度。

1.4 藻类对水质的影响

藻类产生的气味中含有致臭物质土臭素和2-甲基异冰片，虽然对健康无明显危害，但是臭味非常严重，常使自来水用户的用水体验不愉快。蓝、绿藻在一定的环境下会产生对健康有害的毒素，严重情况下，饮用含有藻毒素的自来水会引起肠道疾病，甚至可能会有致疾、致突变的危害。目前，我国生活饮用水卫生标准中微囊藻毒素-LR的限制为0.001mg/L。常规净水工艺对藻毒素的去除效率较低，需采用活性炭或臭氧处理。由于消毒剂投加的增加，产生的氯化消毒副产物也增加，导致饮用水中的致突变性增强。另外，藻类也会对管网与管网水质产生影响，穿透滤池的藻类能够与水中残留生物结合，为微生物的生长、繁殖提供了基质，让细菌大量生长，甚至导致管网中滋生海绵动物、线虫等，这类生物去除难度非常高，若情况严重，还会堵塞水龙头与水表。藻类与细菌繁殖还会引发二次污染，让管网水质的色度上升、水变得浑浊、细菌总数增加，而水中无机离子也会与金属氧化物之间发生反应，让各类无机颗粒结合，在沉积较厚的情况下，会引起垢下腐蚀、腐殖质腐化，严重影响管网水质，会直接缩短管网的服务年限。

2.藻类对微生物群落的影响

在水生生态系统中，藻类和微生物作为生态系统结构与功能的重要调控者，两者之间错综复杂的关系如互利共生、竞争抑制等，往往对水体藻华的形成具有关键调控作用。藻类和微生物之间的关系复杂且微妙，它们不仅能够为对方提供生长所需要的营养物质而建立互利关系，也会因为竞争生态位抑制对方生长从而形成拮抗关系。它们是亦敌亦友的关系，会随着生长环境及自身生理状况的不同发生动态变化。因此，通过长期调研微生物群落结构的动态变化，以及与藻类之间的关系，从而发现微生物群落结构与藻类的动态变化规律，对水体藻华进行预警。

传统的研究更多的是关注温度、光照强度、pH等环境因素对藻类生长的影响，然而藻华形成过程微生物的动态变化也发挥着至关重要的作用。目前，学者对于地表淡水藻华形成机制的研究越来越多，藻华与真菌和细菌等微生物的关联也逐渐得到研究者的重视。Sun等采用测序方法，研究鞭毛藻暴发期间，水体中真菌的群落结构及其与藻类的关联。结果发现，在藻类暴发期间，水体中真菌门水平上主要以子囊菌门、壶菌门、黏菌门和担子菌门为主，属水平的真菌发生了显著变化，爆发初期以Hysteropatella、Malassezia和Saitoella为主，爆发期间以及高峰期间Malassezia最为丰富，Saitoella和Lipomyces的数量在藻华衰退时期逐渐增多，约占序列的70%，末期Rozella的丰度迅速增加，最高可达50～60%。结果分析，Rozella和Saitoella对鞭毛藻的生长影响较强，共性真菌在藻华初期占主导，腐殖质性真菌在暴发期占优势，而致病性真菌在衰退期迅速增长富集。Chen等采用分子生物技术研究了太湖微囊藻爆发对真核微生物群落结构组成变化的影响。结果发现，微囊藻爆发和衰亡期间，真核微生物会有短暂的变化，并且真菌会成为优势种群。可见，微囊藻生物量积累可以对真核微生物群落结构产生很大的影响，真菌与微囊藻生物量的分解可能存在一种腐生关联。综上所述，藻类大量繁殖能够显著改变真核微生物群落结构的组成。

Su等在2013年8月至2014年7月对太湖水体中细菌群落结构组成与细菌群落结构组成在受到蓝藻华影响后的变化进行调查，发现细菌群落组成的总体变化受微囊藻影响，细菌群落生物多样性指数与微囊藻的丰度以及细胞内藻毒素浓度呈显著的负相关，即微囊藻及相关藻毒素通过降低来细菌群落结构的生物多样性。Li等在太湖进行原位试验，研究了不同生物量的微囊藻在积累和分解期间，细菌群落组成短期内的动态变化。结果发现微球菌和军团菌的相对丰度与微囊藻生物量的分解之间具有显著相关性，分析发现在微囊藻的积累和分解期间，自由生活和颗粒附着的细菌群落组成发生了明显变化，主要是因为微囊藻分解引起产生的叶绿素a、溶解性有机碳、溶解氧等的变化对细菌群落的变化产生很大影响，微球菌和军团菌与微囊藻分解之间可能存在腐生关联。毛莉等以三峡库区小江支流为研究对象，研究蓝藻水华对细菌群落结构的影响，结果发现水华优势蓝藻为鱼腥藻，占总生物量的67%，水华中末期，细菌群落变化显著，中期主要以玫瑰单胞菌等细菌为主，末期以芽孢杆菌等细菌为优势菌，且变形菌门及放线菌门细菌相对丰度明显增加，暗示了细菌群落结构组成与蓝藻水华生消变化可能具有相关性。

基于藻类和微生物的大量研究，学者们发现藻类与微生物群落结构存在的相互作用，很可能与藻华发生及衰退过程存在相应的关系。在藻类代谢过程中，能够产生有利于微生物生长的溶解性有机物，同样的，细菌也可利用有机物质分解完成自身代谢活动，同时产生一些氮磷等营养元素以供藻类生长利用，以实现藻类同微生物的互利共生。藻类同微生物也存在对营养物质的竞争或者抑制作用，这种作用是通过一种化学信息的交流方式来实现，当诱导物质浓度达到阈值时，微生物能够通过群感效应引发诸如产生有毒物质等一系列的行为，来有效抑制藻类的生命代谢活动。目前，从自然环境中分离纯化的具有杀藻活性的菌属有很多，比如海单胞菌属（Marinomonas）、海旋菌属（Thalassospira）、副球菌属（Paracoccus）、盐单胞菌（Halomonas）等。通过对藻类繁殖演替过程中具有显著相关性的微生物进行深入研究，能够探索在藻类暴发及衰退过程中微生物起的关键作用。

从藻类爆发的具体原因来看，有几个方面。一是日照与水温：光的强度会影响藻类生长，在枯水季节，河水浅、水位低、透光性好，有利于藻类的光合作用，而阴雨天则不利于藻类的繁殖，一般情况下，在冬末春初，藻类更易爆发；二是水位与流速：如果水流迟缓，会形成与湖泊环境类似的水体，水中的营养物质会在固定的区域中积累，给水藻的繁殖提供了良好条件；三是氮磷源：在藻类的生长、发育与繁殖中，氮、磷两类营养物质起着关键作用，在藻类细胞质中，有H、O、C、P、N等元素，根据当前水体富营养化的研究显示，适当的氮磷比是导致藻类爆发的重要原因。氮磷则主要源自于生活污水、工业废水的排放，随着水体污染的日益严重与污水量的增加，自来水藻类污染的问题也日益严重。

2.水源水藻类污染的去除方法

2.1 物理法

常用的物理法有：①微滤机除藻：微滤机多为孔眼在35μm的滤网，能够去除50%～70%的藻类，97%～100%的悬浮物，但对浊度的改善效果不理想；②微电解除藻：微电解能够杀死水中的细菌和藻类，可直接破坏藻类的叶绿体结构，让藻类完全丧失光合作用；③超声波除藻：高强度的超声波能够对藻类细胞壁产生破坏，还能够分解藻毒素，有着迅速、高效、无二次污染的优势；④活性炭吸附：活性炭吸附也有很好的去除效果，但是该种处理方式成本相对较高。

2.2 化学法

化学法也是去除自来水中藻类的常用方法：①化学药剂法：常用的化学药剂有氯气、高锰酸钾、臭氧、硫酸铜等；②混凝剂强化除藻：混凝剂强化也是去除藻类的有效方式，可以去除藻细胞，但对胞外溶解性藻毒素去除效果不明显，对此，可适当调整pH值，研究显示，在pH值在5.5左右时，对胞外藻毒素去除率可提升至60%～70%。

2.3 生物法

生物法是利用生物对藻类的吸附、降解和絮凝作用，将水与藻类分离，部分可被微生物降解、部分沉降，其中最为常见的就是生物接触氧化法。早在1995年开始，清华大学就尝试采用生物处理法，结果显示，陶粒对于藻类的去除效果良好，藻类去除率能够达到50%～80%，但对绿藻的去除效果不明显。还有研究显示，生物法对于水中的藻毒素也有一定的去除效果，之所以浮水、池底等自然水体中的藻浓度可维持在较低范围，其原因就是因为其底部有大量可降解藻类毒素的微生物。目前，学界已经发现能够降解藻类毒素的微生物，但是，生物处理技术还处在初级发展阶段，在实际的应用中，还存在连续式反应器中微生物固定等一系列的问题，但可以预见的是，生物法可能是处理自来水中藻类最为实用、经济的办法，在水厂中，可借助微生物来处理氨氮和藻毒素，还能够用在水厂的沉淀、混凝以及反冲洗污泥的处理中。

3.讨论

藻类繁殖过程中微生物群落结构的演替能够解析藻华发生全过程微生物所起的关键作用，因此，可通过对藻华发生过程关键微生物的监测来实现对藻华发生的提前预警，这样能够从水源开始杜绝藻华发生对人来健康生活的危害。除此之外，也可通过对具有杀藻作用的微生物进行深入研究，引入较为环保的生物杀藻菌剂，为日后藻华的发生提供有效的可行的生物除藻方法。