上海市青草沙水库富营养化和藻类污染情况研究.docx
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上海市青草沙水库富营养化和藻类污染情况研究
科学论文
个人项目
名称：
上海市青草沙水库富营养化和藻类污染情况研究
（高中）
上海市青草沙水库富营养化和藻类污染情况研究
摘要
多年来，上海一直属于水质型缺水城市，黄浦江水源污染非常严重。
青草沙水库拥有大量优质淡水，2006年，上海市政府决定将青草沙建设成为上海的水源地，以改变上海80%以上自来水源取自黄浦江的格局，全部工程于2010年完工。
青草沙作为目前中国最大的河口型浅层水源水库，研究该水源藻类污染及其毒素污染状况不仅对于保障城市安全供水具有重大现实意义，也可为我国未来其他地区的河口水源提供借鉴。
本研究对青草沙库区总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（CODMn）、叶绿素a（Chl-a）和透明度（SD）等富营养化相关水质指标进行测定，利用SD、TN、TP、Chl-a和CODMn计算富营养化综合指数（CTSIM）以评价青草沙库区富营养化状态。
分析青草沙库区总藻和产毒蓝藻污染水平。
以高效液相色谱法检测溶剂性藻毒素水平。
青草沙水库总藻细胞密度和产毒蓝藻细胞密度范围分别是6.04×106-12.75×106个/L和8.43×106-15.38×106个/L，且都呈现丰水期（藻类增殖期）>平水期>枯水期趋势。
青草沙库区溶解性藻毒素水平为ND-1.64μg/L，丰水期最高。
1.项目背景
上海地处长江和太湖流域下游，为平原感潮河网地区。
上海市城市水源主要由长江和黄浦江供给，分别承担了城市供水的24％和76％。
近年来，由于黄浦江水量有限，水体有机污染较重，水质常处于Ⅳ类水水质标准[1]，严重影响了饮用水水质和安全，其作为饮用水水源日益受到质疑。
而长江径流量巨大，长江口干流水质总体良好，水体中绝大部分指标常年能达到Ⅱ类水标准。
由于地表水是上海城市发展的主要水源，为取得清洁原水，取水口从小水体向大水体、水质差河段向水质好河段转移，原水供应增量从黄浦江向长江水源转移，是一种必然趋势。
由于长江南岸上海境内的岸线已无条件再建边滩水库，上世纪90年代初即有专家学者提出在长江口南北港分流口以下、长兴岛西北侧青草沙水域开发建设上海新水源地的建议。
青草沙水源地原水工程是继上世纪八、九十年代相继开辟黄浦江上游松浦大桥和长江陈行集中式城市供水水源地，以及建设黄浦江上游和长江引水工程后，上海新开辟建设的又一特大型集中式城市供水水源地和原水输配工程。
为改善水质，保障公众健康，满足城市综合发展的需求，上海市筹建了上海市的新水源青草沙水库，并与于2010年12月起开始试运行，2011年6月正式全线通水[2]。
青草沙水源地原水工程供水规模为719万立方米/日，其中11万立方米/日供给长兴岛域，708万立方米/日供给上海陆域市区。
工程建成后供水范围将覆盖长兴岛、中心城区（含浦东、浦西）、南汇区、临港新城和青浦区的现状及规划的16座10万立方米/日以上规模的大中型城镇水厂，服务人口约1000万。
尽管依据长期的水质监测结果，在综合考虑淡水资源、水质情况、供水水量和水源地保护等多方面因素的基础上，将青草沙水库定位于长江口江心的北港，取水口则选址于长江口北港的上游，使青草沙水域具有淡水资源充沛、水质优良稳定、水源易于保护、抗风险能力强等突出优势，其水质较少受上海产业发展的影响，也不制约上海产业的发展，是目前上海境内水质最好、最稳定的饮用水水源地。
但是，长江口水源质量受制于上游水量水质、河口水质环境及河口咸潮变化等多种复杂因素。
上海陆域污水排放影响预测研究表明，在当前排污情况下，青草沙水域CODCr浓度达到《GB3838-2002地表水环境质量标准》Ⅱ类，但若上游来水水质及长江口南支陆域污染源无法得到有效控制，则现有的青草沙水域水质质量将无法得到保证。
此外，河口是流域与海洋的枢纽，也是流域物质流的归宿之地，流域和河口地区日益加剧的人类活动及其资源开发，将使得河口水质海岸环境产生变异。
长江流域（包括长江口）高强度的开发必然导致长江河口地区水质环境的显著变化。
长江河口徐六泾以下在20世纪80年代初水质优良，而现在根据陆地水质标准基本为Ⅱ类，岸边水质及南港局部河段为Ⅲ类或不足Ⅲ类。
河口拦门沙地区附近水质也呈显著恶化趋势，硝酸盐含量近20年增加近4倍。
然而，根据2000年中国海洋环境质量公报显示，长江自徐六泾以下均属劣Ⅳ类水质。
虽然陆地水质和海洋水质标准有所差异，但近20年来长江河口水质恶化趋势则是一致的。
近年来由于长江流域农药、化肥施用量的增加和工业化、城市化进程的加快，大量污染物排泄入海，长江河口及邻近海域营养盐、污染物含量显著增加[3]。
长江口及邻近海域已成为我国沿海水质恶化范围最大、富营养化乃至赤潮多发的区域。
于此同时，每年11月至4月枯水季节，长江河口地区由于潮汐涨潮，使海洋大陆架高盐水团沿着河口逆河道向上游回流，盐水扩散、内河含盐量急剧升高，水体变咸，形成咸潮，对长江口水源地产生极大影响，直接影响蓄淡避咸水库的规模。
长江口北支海水倒灌对青草沙水源地影响很大，研究表明，若大通流量连续低于10000m3/s时，北支高浓度盐水在大潮期大量进入南支，对南支及青草沙水源地产生极为明显的影响。
南北港咸潮入侵是影响青草沙盐水入侵的另一来源。
由于长江河口三级分汊、四口入海，盐水入侵机理非常复杂，其海水倒灌、咸潮入侵现象，极有可能使得长江河口污染物及营养盐等回流，从而影响长江水源地水质，使得青草沙水域在不远的将来呈现富营养化状态成为可能。
而水体富营养化不仅是包括长江在内的我国水系需要关注的问题，也是全球所重视的现实环境问题。
水体富营养化对生态环境、动物生命及人类生活的影响受到前所未有的关注[4]。
水体富营养化产生的重要问题之一是水体的藻类大量增殖，形成水华/赤潮，影响水体生态环境和水体水质质量。
藻类污染形成的水华能抑制水体中其他生物种群生长，生物多样性降低。
此外，藻类增殖需要大量营养盐和溶解氧，水华发生影响了水与空气中的氧的正常交换，致使水体处于贫氧和缺氧状态，导致藻类大量死亡，使水体产生异味、变臭，同时，死亡藻类的细胞破裂将释放毒素进入水体，从而对生态环境、水生生物和人群健康产生不同程度的危害。
已知的藻类毒素主要包括微囊藻毒素（MCs）、神经类毒素和脂多糖[4,5]。
其中，MCs由蓝藻产生，属环七肽类肝毒素，也是淡水水体中最常见藻类毒素[6]。
MCs是确定促癌剂，可产生多种毒效应，巴西曾经发生因藻类毒素污染肾透析用水而导致61名患者因肾衰竭而死亡的严重教训[7]；中国江苏启东和海门等原发性肝癌高发区的居民，曾有长期饮用受藻类毒素污染的饮水史，而相关的流行病学研究认为饮水藻类毒素污染是原发性肝癌的重要危险因素[8,9]。
青草沙水源地是改善上海市人民饮用水质量、确保饮用水安全的重要战略工程。
该工程建成后，全市的供水水源状况将得到极大改善，全市70%的供水水源将是优质的长江水，不仅可使取用长江水源水厂的出水水质达到国家新颁布的生活饮用水卫生标准，提供全市的自来水供水水质总体水平，改善城市形象和人民生活质量，提升城市软实力。
而且能大量节省水厂净水工艺改造和实施生产废水处置工程所需的资金、土地和生产运行成本，对上海的可持续发展具有重大意义。
因此，研究青草沙库区的藻类污染状况及其毒素水平对于预防控制藻类污染及其爆发，为上海市民提供安全饮水具有重要现实意义。
2.研究目的
鉴于以上分析，本研究的目标是1）检测青草沙水库库区水质和富营养化相关指标，利用富营养化指数评价青草沙库区的富营养化状况；2）在藻细胞计数及藻属鉴定的基础上，分析库区藻类和藻类毒素污染水平；3）分析叶绿素a藻类和藻毒素污染的相关。
3.研究方法
3.1采样点和采样时间
3.1.1青草沙水库采样点分布
根据青草沙库区的水文、地形、地貌特征和供水区域，结合研究目的和功能分区，本研究在库区设置10个监测点，各监测点分布如图1所示：
分别为库首（1#）、垦区（2#、3#和4#）、库中（5#、6#和7#）、库尾（8#、9#和10#），其中10#为水库出水口。
图1.青草沙库区采样点分布图
表1.青草沙库区不同深度采样点设置原则
水深（m）
采样点数
说明
≤5
1（水面下0.5m处）
水深＜1m，采1/2水深处
5~10
2（水面下0.5m、水底上0.5m处）
﹥10
3（水面下0.5m、水深1/2处、水底上0.5m处）
3.1.2采样时间
分别于2013年1月（枯水期）、5月（平水期）和7月（丰水期、藻类增殖期）在青草沙上述设置的采样点进行采样。
3.2富营养化水平评估
3.2.1富营养化相关指标检测
富营养化相关指标包括现场测定透明度（SD），实验室测定总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（CODMn）、叶绿素a（Chl-a），测定方法为国标法（GB3838-2002）。
方法见表2，对照国家地表水环境质量标准（GB3838-2002）对青草沙水库和黄浦江水体进行评价。
表2.富营养化相关评价指标、方法来源和评价标准限值
水质评价指标
测定方法
国家地表水环境质量标准Ⅲ类水质限值（GB3838-2002）
透明度（SD）
Secchi盘
总氮（TN）
GB3838-2002
1mg/L
总磷（TP）
GB3838-2002
0.05mg/L
高锰酸盐指数（CODMn）
GB3838-2002
6mg/L
叶绿素-a（Chl-a）
GB3838-2002
10mg/m3
3.2.2富营养化状态评价
富营养化状态评价采用国际通用的富营养化指数法，分别对SD，Chl-a，TN，TP及CODMn等5种指标进行评价[10]，利用公式计算各个指标的富营养指数，并赋予各个指标相应权重，并计算综合富营养化指数（CTSIM）。
TSIM（SD）=10×（2.46+（3.69-1.53×㏑（SD））/㏑2.5）（1.1）
TSIM（Chl-a）=10×（2.46+㏑（Chla）/㏑2.5）（1.2）
TSIM（TP）=10×（2.46+（6.7+1.15×㏑（TP））/㏑2.5）（1.3）
TSIM（TN）=10×（2.46+（3.93+1.35×㏑（TN））/㏑2.5）（1.4）
TSIM（CODMn）=10×（2.46+（1.50+1.36×㏑（CODMn））/㏑2.5）（1.5）
各指标单位：
SD（m）,Chla（mg/m3）,TP（mg/L）,TN（mg/L）,CODMn（mg/L）
CTSIM=W（Chl-a）×TSIM（Chla）+W（SD）×TSIM（SD）+W（TP）×TSIM（TP）+W（TN）×TSIM（TN）+W（CODMn）×TSIM（COD）（1.6）
W代表权重，各个指标权重为Chl-a：
0.47，SD：
0.253，TP：
0.147，TN：
0.081，CODMn：
0.049。
评价标准为：
表3.青草沙库区水体富营养化状态分级评价标准[11]
富营养化分级
TSIM（或CTSIM）
贫营养化
＜30
中营养化
30≤TSI≤50
富营养化
＞50
轻度富营养化
50＜TSI≤60
中度富营养化
60＜TSI≤70
重度富营养化
＞70
3.3藻类计数和蓝藻鉴定
1L水样，现场加入15ml鲁戈氏液保存。
摇匀后倒入1L分液漏斗静置48h后去除上清液，沉淀物浓缩至50ml比色管并定容。
将定容后的藻细胞悬液上下颠倒混匀后，吸取100μl至藻类计数框中，显微镜10×40倍下分类计数。
按照《中国淡水藻类》图谱提供的方法[44]进行比对分类，鉴定蓝藻；以对角线法取五格对藻类细胞进行鉴定，至少鉴定200个细胞。
以2、5、8三行对藻细胞密度进行计数。
依据公式2.1计数藻细胞密度：
N=（A×Vs×n）/（Ac×Va）（2.1）
式中：
N—浮游藻类数量，cell/L；
A—计数框面积，mm2；
Ac—计数面积，mm2；
Vs—1L水样沉淀后体积，ml；
Va—计数框容量，ml；
n—计数方格所得的总的藻细胞数
按上述方法，A为400mm2，Vs为50ml，Va为0.1ml，Ac为120mm2。
故计数公式简化为：
N=1667×n[12]。
3.4溶解性藻毒素测定
3.4.1玻璃层析柱的制备
5gODS大柱：
称取5gODS装填于玻璃层析柱中，分别以30ml二氯甲烷、50ml甲醇和50ml超纯水活化，用于水样中藻毒素初步富集提取。
2gODS小柱：
称取1gODS装填于玻璃层析柱中，分别以15ml二氯甲烷、25ml甲醇和25ml纯水活化，用于藻毒素纯化提取和胞内藻毒素富集提取。
ODS柱在使用前柱床内保有水分，在水样富集全过程中避免层析柱干燥。
3.4.2水样前处理
按照本课题组前期建立的方法测定。
5L水样，GF/C滤膜过滤，滤膜﹣20℃保存。
滤液前处理：
利用虹吸作用过5gODS大柱进行富集藻毒素，依次用50ml超纯水和50ml20%甲醇淋洗；带玻璃层析柱干燥后，以50ml80%甲醇（含0.01%TFA）洗脱，将洗脱液收集并用超纯水稀释至甲醇浓度降至20%以下后再过2gODS小柱进行纯化提取；依次以20ml超纯水、20ml20%甲醇淋洗，玻璃层析柱干燥后用20ml80%（含0.01%TFA）洗脱，将洗脱液收集于离心管中，40℃水浴下氮气吹干；残渣定容于1ml甲醇后0.22µm滤器过滤转移于液相瓶中，密封﹣20℃保存待测。
3.4.3高效液相色谱（HPLC）分析
3.4.3.1色谱条件：
流动相：
A相超纯水（含0.05%TFA）、B相乙腈（含0.05%TFA）；流动相流速：
1ml/min；进样量：
20μL柱温：
40℃；检测波长：
238nm；波宽：
2nm。
3.4.3.2定性定量分析：
根据藻毒素标准品的保留时间进行定性；利用标准系列浓度与对应峰面积绘制的标准曲线进行定量。
将浓度为50μg/ml的5种藻毒素贮备液分别稀释成0.005μg/ml~5μg/ml的系列浓度，依次进样，绘制低、高浓度区间的标准曲线以适合满足不同浓度样品的检测.
3.4.3.3质量控制：
以超纯水做实验室空白，加标回收率检验方法的有效性，质控曲线检验仪器稳定性和测定可靠性。
3.5数据处理与统计分析
数据录入与整理采用Excel2010软件进行。
采用SPSS17.0对各藻类密度、藻毒素和叶绿素a指标进行对数转换，使其符合正态分布后，再进行Pearson相关分析。
以P<0.05为差异有统计学意义。
4.研究结果
4.1青草沙水库富营养状态评价
表4可见，青草沙水库水体TN和Chl-a水平不符合国家地表水环境质量标准Ⅲ类水质标准要求；TP整体水平多在0.05mg/L以上，不符合国家地表水环境质量标准Ⅲ类水质标准要求。
CODMn污染水平保符合国家地表水环境质量标准Ⅲ类水质标准要求。
整体而言，青草沙水库各项指标枯水期优于丰水期。
根据CTSIM数据判定，青草沙库区CTSIM指数在58.73-65.62间，处在轻-中度富营养化状态。
表4.上海市青草沙水库富营养化指标及富营养化指数（
±S）
总氮（mg/L）
总磷（mg/L）
CODMn（mg/L）
叶绿素a（mg/m3）
透明度（m）
CTSIM
枯水期
0.60±0.24
0.07±0.06
3.30±0.28
9.62±1.88
0.73±0.24
58.73
平水期
1.61±0.34
0.05±0.01
3.07±0.34
10.71±4.63
0.90±0.40
59.14
丰水期
2.05±0.25
0.12±0.09
3.52±0.64
17.89±6.66
0.71±0.24
65.62
4.2青草沙水库藻类污染情况
由表5可见，青草沙水库总藻密度为6.04×106-12.75×106个/L，且丰水期（藻类增殖期）>平水期>枯水期。
青草沙水库蓝藻密度为0.28×106-1.41×106个/L，丰水期（藻类增殖期）最高，占11.06%。
表5.上海市青草沙水库总藻细胞和蓝藻细胞密度
总藻细胞数均值（106/L）
蓝藻细胞数均值（106/L）
蓝藻百分比（%）
枯水期
6.04
0.40
6.62
平水期
9.10
0.28
3.08
丰水期
12.75
1.41
11.06
4.3青草沙水库藻毒素污染情况
青草沙水库溶解性藻毒素MC-LR水平为ND-1.64μg/L，MC-RR为ND-0.72μg/L，MC-YR水平为ND-0.51μg/L，丰水期（藻类增殖期）溶解性藻毒素水平最高。
表6.上海市青草沙水库溶解性藻类毒素检测结果（
±S）
水样
MC-LR（μg/L）
MC-RR（μg/L）
MC-YR（μg/L）
范围
中位数
范围
中位数
范围
中位数
枯水期
ND-0.04
0.01
ND-0.07
0.02
ND-0.16
0.05
平水期
ND-0.05
0.02
ND-0.23
0.04
ND-0.18
0.03
丰水期
ND-1.64
0.12
ND-0.72
0.10
ND-0.51
0.22
注：
ND表示未检出。
4.4青草沙水库藻密度、藻毒素与叶绿素a相关性分析
表7可见，青草沙水库中叶绿素a与总藻密度呈显著正相关（P<0.01），相关系数达0.85，而与蓝藻密度、溶解性藻毒素则未见有明显相关性。
表7.青草沙水库藻密度、藻毒素与叶绿素a相关性结果
指标
Chl-a
总藻细胞密度
蓝藻细胞密度
溶解性藻毒素
Chl-a
1
总藻细胞密度
0.85a
1
蓝藻细胞密度
0.33
0.54
1
溶解性藻毒素
0.21
0.07
-0.07
1
注：
aP<0.01。
5.结论
青草沙水库是亚洲最大的浅水型河口水库，覆盖了50%以上的上海地区，供应人口超过1000万，藻类及其毒素的爆发影响着一半以上上海居民的健康安全。
以往较少文献报道有关河口型水库藻类污染和藻毒素污染水平，青草沙水库为我们提供了一个良好的调查研究环境，为以后河口型水库的研究提供基础数据。
青草沙水库库区藻类污染，总藻细胞密度和产毒蓝藻细胞密度范围分别是6.04×106-12.75×106个/L和8.43×106-15.38×106个/L，且都呈现丰水期（藻类增殖期）>平水期>枯水期趋势。
青草沙库区溶解性藻毒素水平为MC-LR：
ND-1.64μg/L，MC-RR：
ND-0.72μg/L，MC-YR：
ND-0.51μg/L，丰水期最高。
青草沙水库叶绿素a均与总藻密度呈现显著的正相关性。
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