（环境科学专业论文）山仔水库富营养化现状及其水华微囊藻毒素产生和分布特征研究.pdf

福建师范大学硕士学位论文 浓度范围分别为o 0 3 1 0 2 i _ t g l 、o 0 0 3 1 0 7 扯g l ，其中，两种异构体总体比例 较相当。此外，相关性研究结果表明，两不同结构毒素含量之间没有显著相关性。 关键词微囊藻毒素；富营养化：水质评价；超高效液相色谱( h p l c ) ； 山仔水 库 l l ? ； _ 叠 l a b s t r a c t 一一_ _ - _ _ _ l l l - _ - l i _ - _ i - - - _ - 一 a bs t r a c t s h a i 亿ir e s e r v o i ri st h es e c o n dw a t e rr e s o u r c ei nf u z h o u i t se u t r o p h i c a t i o n d e v e l o p m e n tt r e n di sg e t t i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s l yd u r i n gr e c e n tt e ny e a r s i nt h i s s t u d y , o n eh a n d ，t h ep r e s e n ts i t u a t i o no fw a t e rq u a l i t yi ns h a n z iw a sm o n i t o r e d ，a n d t h es p a t i a la n dt e m p e r a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co fw h i c h ，a sw e l la st h ec o r r e l a t i o n s a m o n ge a c hw a t e rp o l l u t a n ti n d e xw e r ea n a l y z e d m o r e o v e r , t h ep r e s e n ts i t u a t i o no f t h es h a n z ir e s e r v o i re u t r o p h i c a t i o nl e v e lw a sc a l c u l a t e da n da s s e s s m e n t e d o nt h e o t h e rh a n d ，t h em i c r o c y s t i n s ( m c s ) d e t e c t i o nc o n d i t i o n so fu l t r a - p e r f o r m a n c el i q u i d c h r o m a t o g r a p h y ( u p l c ) w e r eo p t i m i z e d o nt h eb a s eo ft h ea b o v er e s e a r c h ，t h es p a t i a l a n dt e m p e r a ld i s t r i b u t i o nf e a t u r e so fm c sw h i c hp r o d u c e di nc y a n o b a c t e r i ab l o o m w e r es y s t e m l ys u r v e y e d ，a n dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h et w om a i ni s o f o r mo fi n t r a - l r a n di n t r a - r rw a sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o no f t h ew a t e rq u a l i t yi n d i e si n c l u d i n gw t 、p h 、d o 、 c o d 、n 0 3 - na n dc h l a ，r e v e a l e ds o m ev a r y i n gr u l e ，b u tt n 、n h 4 - n 、t p 、p o _ pa n d f eh a d n ta n yr u l e o na c c o u n to ft h ec o r r e l a t i o n sa m o n gw a t e rp o l l u t a n ti n d e x ，t h e r e w a sa l a r g ed i s t i n c t i o nb e t w e e ns u r f a c ea n db o t t o mw a t e re n v i r o n m e n t ( 2 ) t h ee u t r o p h i c a t i o nl e v e l a s s e s s m e n tr e s u l to ft h es h a n z ir e s e r v o i rw a s b e t w e e nm o d e r a t en u t r i t i o nt om o d e r a t ee u t r o p h i c a t i o n , b a s e do nt h er e l a t e dw a t e r q u a l i t yi n d i e sm o n i t o r e dd a t ad u r i n gj u l yt od e c e m b e r i n2 0 0 8 ( 3 ) t h eb e s tc h r o m a t o g r a p h yc o n d i t i o no fu p l c ：c h r o m a t o g r a p h yc o l u m nw a s a c q u i t yu p l c t m b e h c 1 8 ( 1 7 1 t m ，1 0 x5 0 m m ) ；m o b i l ep h a s ew a sm e t h a n o l ：w a t e r ( 0 1 t f a ) = 5 7 ：4 3 ；t h ef l o wo fm o b i l ep h a s ew a so 3 m l m i n ；c o l u m nt e m p e r a t u r e w a s3 0 c ；d e t e c t e dw a v e l e n g t hw a s2 3 8 n m ；i n j e c t i o nv o l u m ew a s1 0 “l i tn e e d s g r a d i e n t e l u t i o nf o rd e t e c t i n gt h ee n v i r o n m e n ts a m p l ew h i c hi sd i f f i c u l tt ob e s e p a r a t e d ，b u tm o s to ft h et i m ee q u a ld e g r e eo fe l u t i o nw a se n o u g h ( 4 ) a m o n gt h e i n t r a c e l lo fm c l r 、m c - r r 、 m c 一( l r + r r ) a n d m c - ( l r r r ) ，t h e r ew e r e n th a da n yd i s t i n c tr u l eo nt h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o no ft h e r e s e r v o i r t h ei n t r a - l rc o n c e n t r a t i o nr a n g ew a s0 0 1p 炉1 1 4 3i t g l ，a n d0 0 0 3 p 舻1 1 9l x g lf o ri n t r a r r t h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o no ft h ep r o p o t i o n a lv a l u e so f m c 一( l r r r ) w e r er u l e l yc h a n g e d i i i 足 - 一 ， 尺 福建师范大学硕士学位论文 ( 5 ) a st ot h ec y a n o b a c t e r i ab l o o mi nh o r i z o n t a l d i s t r i b u t i o nf e a t u r e sw e r ea s f o l l o w s ：o nt h es u r f a c el a y e r ，t h er a n g ec o n t e n to fm c - l ra n dm c - r rw e r e 0 0 5 1 1 4 3 “g la n d0 0 1 一1 1 6 1 x g l ，r e s p e c t i v e l y m c l rw a st h em a i ni s o f o r m i n t h em i d d l el a y e r ，t h er a n g eo fc o n t e n to fm c l ra n dm c r rw e r eo 0 3 1 0 9 i _ t g l a n do 0l 一1 0 7 p g l ，r e s p e c t i v e l y , b u tt h em a i ni s o f o r mo ft h em i d d l el a y e rw a s m c - r r a tt h e b o t t o m ，h er a n g eo fc o n t e n to fm c l ra n d m c r rw e r e 0 0 3 1 0 2 1 x g la n d0 0 0 3 1 0 7 p g l ，r e s p e c t i v e l y , a n dt h e i rt w ow e r ea b o u tt h es a m e m o r e o v e r , a n o t h e rc o n c l u s i o nw a sd r a w nt h a t i th a d n tas i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n b e t w e e ni n t r a - i 瓜a n di n t r a - r r k e y w o r d sm i c r o c y s t i n s ；e u t r o p h i c a t i o n ； w a t e r q u a l i t y a s s e s s m e n t u l t r a p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y c t s p l c ) ； s h a n z ir e s e r v o i r s i v 一 i r ， 中文文摘 一- l i _ _ _ - _ l _ - - - - _ _ _ _ l l _ i _ _ - _ _ i - _ - _ _ - _ _ - _ _ - _ _ _ - l - l - _ l 一 中文文摘 由于人类对水资源的保护意识淡薄，水资源的破坏程度日趋严重，水体富营 养化已成为当今全球面临最重要的环境问题之一。山仔水库是福州第二水源地， 现已对福州市民供水，其水质的优劣直接影响市民的身心健康，其作用不言而喻。 但建库十几年的水质监测结果显示，山仔水库水质富营养趋势日趋明显，饮用水 水体富营养化将直接导致蓝藻大量生长，产生“水华”；部分“水华”藻类会产 生毒素，称之为藻毒素。微囊藻属是其中分布最广的一种蓝藻，大约有5 0 - 7 5 的微囊藻水华产生m c s ，该毒素具有强烈的肝毒性和肿瘤促进作用。因此，监测 研究饮用水水源地水质现状、藻毒素的含量及污染状况和评价水体富营养化状况 对于控制水体富营养化和藻毒素污染，减轻对人体的危害，保护人民的身体健康， 具有重要的意义。 本课题旨在优化m c s 检测方法，并以山仔水库为例，监测分析在垂直方向 上的山仔水库胞内m c s 的含量水平以及水体的水质参数之间、不同结构m c s 之 间的相关关系、了解其在水体中的污染状况、影响m c s 含量的环境条件以及评 价水体的富营养化情况。其中本硕士论文主要分为以下五个部分来阐述： 第一部分绪论 简述本研究的选题背景和意义，简要介绍了水体富营养化现状、危害以及评 价方法；m c s 的产生、结构、性质、危害、毒性机理及治理方法；概括讲述了 m c s 的几种检测技术：生物分析法、物理化学分析法、生物化学分析法；介绍 了富营养化水体m c s 的生物接触以及其在水体中的迁移转化，并简述了本课题 研究的主要内容、技术路线和创新点。 第二部分山仔水库水质富营养化现状调查与评价 首先介绍了山仔水库的自然环境状况及社会经济概况，回顾分析了山仔水库 富营养化发展历史；其次研究分析了山仔水库水质现状与时空分布特征；接着分 析了水华发生期各水环境因子之间的相关关系；最后对其富营养化现状进行了综 合评价。结果表明，( 1 ) 从氮磷比来看，其中藻类生长受到p 限制的是坝前在7 月和9 月份、1 0 月份的库心和七里处。而受到n 限制的是7 月库心、9 月份的 库心与七里、1 2 月份的三个采样站点处。其它的则均是适合藻类生长。( 2 ) p h 、 水温、c h l a 和d o 在垂直方向上总的来看是沿水深有减小趋势，但c h l a 在后几 个月份底层有所增加，这主要是因为在藻的衰亡期，不少藻死亡后沉到水下，从 v a ， 福建师范大学硕士学位论文 而导致底层c h l a 浓度增加。而n 0 3 - n 和t p 在垂直方向上总的来看是沿水深有 增加趋势，t p 底层之所以比较大，这可能与底泥中营养元素的释放有关，再加 上表层的藻比较，从而消耗了不少的磷，使磷的值下降。( 3 ) 从表层水体来看， 其中有水温与p 0 4 3 。，p h 与t p ，n h 3 - n 与p 0 4 3 ，n h 3 - n 与c o d u 。，n h 3 - n 与 c h l a ，t p 与c h l a 以及p 0 4 3 - 与c h l a 存在显著正相关；而水温与c o d m n ，p h 与 c o d m n ，p h 与c h l a ，d o 与t n ，t n 与m p ，p 0 4 3 与c o d m 。以及c o d m n 与 c h l a 间存在极显著正相关；对底层水体来说，其中有水温与d o 以及d o 与c h l a 间存在极显著负相关，t n 与c h l a 以及c h l a 与t n t p 间存在显著负相关，t p 与c o d m 。以及p 0 4 3 - 与c o d m 。均存在显著正相关；而t n 与t n t p ，t p 与f e ， p 0 4 3 与f e 以及c o d m 。与f e 问均存在极显著正相关，其他则都不存在显著相关。 ( 4 ) 水体富营养化程度七里 库心 坝前。坝前断面只在7 月达到了轻度富营养， 其他均为中营养；库心断面在1 0 月份达到中度富营养，其他时期均为中营养； 而七里断面只有1 2 月为中营养，多数月份都已经达到富营养。因此，该水库目 前已经处在中营养中度富营养状态之间。 第三部分微囊藻毒素的u p l c 检测条件优化 本论文对m c l r 、m c r r 、m c y r 三种m c s 的u p l c 检测条件进行了优 化研究，即对u p l c 检测三种藻毒素的色谱柱、流动相、流动相酸度、柱温、流 动相流速、波长以及梯度洗脱进行了优化选择。结果发现，最优色谱条件为： a c q u i t yu p l c 刑b e h c 1 8 柱( 1 7 9 i n ，1 0 5 0 m m ) 色谱柱、流动相为甲醇：水= 5 7 ：4 3 并加入o 1 t f a 、柱温3 0 、流速o 3m l m i n ，波长2 3 8n n l ，进样量1 0 皿， 而梯度沈脱在必要的时候用，因为多数时候等度洗脱就能满足要求。该方法检出 限可达0 5 0 n g 。 第四部分山仔水库水华微囊藻毒素的产生和分布特征 通过对山仔水库2 0 0 8 年7 1 2 月份的m c s 的污染水平连续监测，了解了2 0 0 8 年7 1 2 月份山仔水库胞内m c s 的污染水平及主要形态，并应用s p s s 分析了不 同结构m c s 之间的相关关系。结果显示：( 1 ) 从垂向分布来看，两不同结构 m c l r 与- r r 的浓度、m c ( i ，r + r r ) 以及m c ( l r r r ) ，3 个采样站点七里、库 心和坝前基本没有明显的相似规律。七里站点的m c l r 在9 月和1 0 月的表层 0 5 m 的值比较高，分别达到2 1 2 9 9 l 和1 1 4 3 9 9 l ，而m c r r 的浓度普遍都比 较低；库心站点的m c l r 在1 0 月的表层o 5 m 与5 m 处的含量较高，分别达到 6 9 2 肛g f l 和1 6 0 “g l ，而m c r r 的浓度也普遍都比较低。而坝前站点m c l r v i 气 中文文摘 只有9 月1 0 m 处的值比较高，达到1 0 8 t g l ，其他位置相对都比较低。总体上， 七里和库心站点微囊藻胞内毒素主要是m c l r 。而坝前站点m c - r r 和m c l r 含量较为均衡，并且都相对明显低于七里、库心两个站点。( 2 ) 对水体表层来说， m c l r 的浓度值范围为0 0 5 p g i 一1 1 4 3 1 t g l ，浓度的最高值出现在七里断面， 最小值在坝前；m c r r 的值最大在8 月库心处( 1 1 6 9 9 l ) ，最小在9 月库心 ( o 0 1 r t g l ) ；两毒素总量最大值在1 0 月七里处( 1 1 5 4 1 t g l ) ，最小值为1 2 月坝前( o 1 6 嵋l ) 。从两不同结构的毒素浓度分布来看，表层胞内毒素多数以 m c l r 为主。对水体中层来说，m c l r 的值最大在9 月坝前处，达到1 0 9 p g l ， 最小在1 2 月库心处为0 0 3 9 9 l ：m c 。r r 的范围值0 0 1 1 t 盯r 1 0 7 l t g l _ , ，分别 出现在库心和七里断面；两毒素总量浓度值范围0 0 7 # l ( 1 2 月库心) 2 3 r , g l ( 8 月库心) ；总体来看，中层胞内毒素主导的异构体是m c - r r 。对水 体底层，m c l r 的值最大在9 月库心处，达到1 0 2 p g l ，最小在1 2 月七里处为 0 0 3 9 g l ；m c r r 的值最大在8 月坝前处，达到1 0 7 r t g l ，最小在9 月库心处只 有0 0 0 3 l x g l ：两毒素总量的值最大在8 月坝前处，达到1 1 5 r t g 1 , ，最小在1 2 月 七里处为0 0 8 p g l ：经比较分析，底层胞内毒素中m c l r 与m c r r 总体比例 差不多，有些时候m c l r 相对含量略超过m c - r r 。( 4 ) 从两不同结构毒素的 相关性来看，垂向分布上均不存在显著相关性。而横向分布上，只有9 月表层处 存在显著正相关，相关系数为0 9 9 9 。其他都均不存在显著相关性。总的来说， 两毒素间在垂向和横向分布上均不存在显著相关性。 第五部分结论与建议 概述了本论文的主要结论，并提出本论文的不足之处及有待进一步研究的问 题。 v i i | _ 福建师范大学硕士学位论文 v i i i 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i i 中文文摘v 目录。i x 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状综述2 1 2 1 水体富营养化发生现状与危害2 1 2 2 水体富营养化的评价方法3 1 2 3 微囊藻毒素的产生及稳定性”3 1 2 4 微囊藻毒素的毒性5 1 2 5 微囊藻毒素的治理方法”6 1 2 6 微囊藻毒素的检测方法7 1 2 7 微囊藻毒素的生物接触m 9 1 2 8 微囊藻毒素在水体中的迁移转化一”9 i 3 本文研究内容、技术路线及创新点1 1 1 3 1 本课题研究的主要内容t 1 1 1 3 2 论文研究技术路线1 1 1 3 3 本文创新点1 1 第二章山仔水库富营养化现状调查与评价。1 3 2 1 山仔水库自然和社会环境概况”1 3 2 1 1 自然环境状况1 3 2 1 2 社会经济概况1 4 2 2 山仔水库富营养化发展历史一1 4 2 3 山仔水库水质现状监测与时空分布特征1 6 2 3 1 采样与样品保存1 6 2 3 2 实验仪器与药品1 7 2 3 3 实验方法m m 一一17 2 。3 。4 结果与讨论m m m m 谴 2 4 山仔水库水华发生期各水环境因子之间的相关性分析2 6 2 5 山仔水库富营养化现状综合评价2 8 2 5 1 评价方法2 8 2 5 2 结果与分析“2 9 2 6 本章小结3 l 第三章微囊藻毒素的u p l c 检测条件优化3 3 3 1 前言3 3 3 2 实验器材与试剂- ”3 3 3 2 1 实验仪器一m 3 3 3 2 2 实验试剂3 3 3 3 色谱条件优化3 3 3 3 1 色谱柱的选择一一3 3 i x 福建师范大学硕士学位论文 3 3 2 流动相的选择3 5 3 3 3 流动相酸度的影响3 7 3 3 4 柱温变化对保留值的影响3 8 3 3 5 流动相的流速对分离的影响3 9 3 3 6 检测波长的影响。3 9 3 3 7 梯度洗脱4 0 3 3 8 线性范围与检测限4 0 3 4 本章小结。4 1 第四章山仔水库水华微囊藻毒素的的产生和分布特征4 3 4 1 前言4 3 4 2 材料与方法4 3 4 2 1 采样与样品保存4 3 4 2 2 实验仪器与药品。4 3 4 2 3 实验方法4 4 4 3 结果与讨论4 4 4 3 1 山仔水库水华微囊藻胞内毒素垂向分布变化特征4 4 4 3 2 山仔水库水华微囊藻胞内毒素横向分布变化特征。5 4 4 4 山仔水库水华微囊藻不同结构胞内毒素的相关性分析5 9 4 5 本章小结5 9 第五章结论与建议o 6 3 5 1 结论6 3 5 2 进一步研究的建议6 5 附录6 7 参考文献6 9 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果8 1 j 敦谢8 2 个人简历8 3 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明。8 4 x 广 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 近年来，全世界有许多湖泊都处于富营养化状态，我国大部分湖泊也处于富 营养化状态，并且都有着不同程度的蓝藻水华现象。据联合国环境规划署发布的 全球环境展望2 0 0 4 年年度报告显示，在全球范围内所调查的6 6 个主要水域中， 有4 0 左右正遭受中、重程度富营养化的影响【1 】。而我国达到富营养化的湖泊也 已经超过- 了7 0 t 2 1 。水体的富营养化往往导致江河、湖泊、水库中藻类尤其是蓝 藻异常繁殖生长形成水华，使水体中透明度和溶解氧降低，生物多样性减少，从 而破坏水产资源，影响社会经济效益【3 叫。而更为严重的是许多藻类可以产生毒 素，这些毒素对动物和人类有潜在的危害，对人和动物的饮用水安全构成严重的 威胁【1 0 l 。因此，淡水水体中的蓝藻毒素已成为全球性的环境问题。 藻毒素是指富营养化水体中部分藻类在生长过程中产生的二级毒性代谢物。 而由铜绿微囊藻、水华鱼腥藻、颤藻、念珠藻等产生的微囊藻毒素是其中出现频 率最高、毒性最强、急性危害最大的一种细胞内毒烈】。微囊藻毒素( m i c r o c y s t i n s ， m c s ) 是一种环状七肽毒素，该毒素具有强烈的肝毒性【1 2 】和肿瘤促进作用，现已 发现6 0 多种亚型【1 3 】。m c s 不但化学性质稳定，加热至沸腾较长时间仍不易分解， 耐强酸、强碱，而且毒性最强、分布较广，具有较强的危害性。有学者通过危险 度评价研究认为微囊藻毒素、肝炎病毒、黄曲霉毒素是我国南方肝癌高发的3 大 环境危险因素【1 4 】。由于以地表水为饮用水源地的人有摄入m c s 的危险而受到危 害。因此，监测水体环境中的m c s 含量以及研究m c s 的环境行为具有重要的现实 意义，j o - j - t ；足刈作为饮川水水源地的湖泊、河流和水库中的m c s 进行监测殳有重 要意义。 由于经济活动的迅速发展，工农业排污的增加，大量氮、磷排入水体中，使 得我省湖、库水体富营养化污染较为普遍。2 0 0 5 年全省开展监测的1 1 个湖泊水库 水质达标率仅为3 3 3 ，；在“十五”期间呈下降的趋势，总氮、总磷等营养元素是 主要的超标项目。目前，作为福州市第二水源地的山仔水库其富营养化研究得到 广泛关注，研究发现山仔水库的水体呈现不同程度的富营养化，且藻类爆发的季 节以蓝藻为主，但是尚缺乏m c s 的系统研究。另外，目前我国在检测产品方面的 研究尚未建立行之有效的检测手段，只是推荐了h p l c 检测m c s 的参考方法，这 福建师范大学硕士学位论文 一方法操作步骤繁琐、过高的成本和m c s 的标准品的缺乏成为国内开展分析研究 工作的限制条件。本课题旨在优化m c s 检测方法，并以山仔水库为例，监测分析 在垂直方向上的山仔水库胞i 为m c s 的含量水平以及水体的水质参数之间、不同结 构m c s 之间的相关关系、了解其在水体中的污染状况、影响m c s 含量的环境条件 以及评价水体的富营养化情况。 1 2 国内外研究现状综述 1 2 1 水体富营养化发生现状与危害 近年来，各种水生生态系统的富营养化问题的重要性已经越来越被人们所认 识。富营养化是指湖泊、水库、河口、海湾等缓慢流动的水体及某些近海水体中 氮、磷等营养物质过量，从而引起藻类和一些浮游植物的迅速繁殖，水体溶解氧 量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。其中发生在淡水中的富营 养化主要是由蓝藻或绿藻造成的，称为“水华”【b 】。如我国云南省的滇池，几乎 每年都发生以铜绿微囊藻为主的水华。 根据最近的调查，欧洲、非洲、北美洲和南美洲分别有5 3 、2 8 、4 8 和 4 1 的湖泊存在不同程度的富营养化现象，亚太地区5 4 的湖泊处于富营养化状 态【1 6 】。我国是一个多湖泊的国家，目前湖泊富营养化问题也日趋严重。研究表明： 我国6 0 以上的湖泊、水库处于富营养化的水平。其中重富营养和超富营养的占 2 0 ，使得富营养化成为我国湖泊目前与今后相当长一段时期内的重大水环境问 题【1 7 】。 在富营养水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻。藻类在光合 作用过程中，消耗大量c 0 2 ，使水体p h 异常升高，严重影响水体中其他生物的生 理活动，导致生物群落结构的改变。水华生物的大量死亡分解，水体溶氧被大量 消耗，水体形成还原状态，生物分解产生大量甲烷、硫化氢等有害气体，系统内 部环境恶化，形成富营养水体的恶性循环。富营养化对水质的另一个影响是某些 藻类能够分泌、释放有毒性的物质藻毒素，有毒物质进入水体后，可使水生 动物中毒，并通过食物链进而威胁人体健康。世界上2 5 7 0 的蓝藻水华污染可 产生藻毒素1 1 8 1 。目前，有关蓝藻水华引起的野生动物、鱼类、家畜、家禽及宠物 中毒、死亡的报道很多【l9 1 。中毒症状主要有昏迷、肌肉痉挛、呼吸急促、腹泻， 甚至在几小时或数天内死亡。研究表明，中毒主要是由于肝损伤，微囊藻毒素造 成肝内出血甚至肝坏死。微囊藻毒素同样也危害人类健康f 2 0 】。如果经常暴露于含 2 第一章绪论 有毒素的水体，会引起人患皮肤癌、肝癌。有研究证明，饮用含有微囊藻毒素的 人群肝癌发病率明显高于饮用深井水者【2 l 】。因此，藻毒素成为倍受人们关注的重 大环境问题。 1 2 2 水体富营养化的评价方法 水体富营养化评价是对富营养化发展过程中某一阶段营养状况的定量描述。 其目的是通过与湖泊营养状态有关的一系列指标及指标间的相互关系，对湖泊的 营养状态作出准确的判断，了解其富营养化进程及预测其发展趋势，为水体水质 管理及富富营养化防治提供科学依据。国内外很多学者基于世界上几百个湖泊水 质特征的详细调查，对湖泊富营养化程度评价的方法进行了深入的探讨，提出了 多种形式的评价方法，如特征法【2 2 】、参数法【2 3 】、营养状态指数法 2 4 】( 卡尔森营养 状态指数( t s i ) 、修正的营养状态指数、综合营养状态指数( t l d ) 、生物指标评价 法 2 5 - 2 6 1 、营养度指数、法【2 4 1 和评分法【2 7 】等。 进入2 0 世纪8 0 年代后，随着计算机技术的快速发展，使现代数学理论应用于 湖泊富营养化评价中，复杂的数理统计方法能得以实现。密切值瞰】、物元分析【2 9 】、 模糊数学【3 0 】、灰色系统【3 1 】和人工智能【3 2 】等理论方法与计算机技术相结合应用于 湖泊富营养化评价中也相当多。近年来地理信息系统( g i s ) , i 遥感( r s ) 技术开始 逐渐应用于湖泊富营养化监测和评价中【3 3 。3 9 1 。 1 2 3 微囊藻毒素的产生及稳定性 1 2 3 1 微囊藻毒素的产生 富营养化淡水水体中蓝藻的爆发性繁殖可能产生二级毒性代谢物，称为藻毒 素【4 0 1 。一般认为m c 为细胞内毒素，在藻类死亡，细胞破裂后来从细胞内释放到 环境中【4 。但是，已有研究发现，藻类在死亡之前也会向水体中分泌毒素。由于 它的环状结构及其氨基酸的特殊结构，一般认为它不是由核糖体合成，而是由肽 合成酶复合体合成的生物活性小肽。关于m c 的产毒机制主要有两种观点：一种 认为是由遗传学因素主导；另一种认为是环境因素主导。 遗传决定：科学家们通过研究微囊藻属不同种类及品系的1 6 s r r n a 和 2 3 s r r n a 得出，m c s 的产生由毒素肤合成酶基因多基因控制，并由肽合成酶复合 体合成1 4 2 4 3 1 。由遗传决定着微囊藻有毒株和无毒株的毒性，有毒株和无毒株的遗 传差异在于是否存在一种或几种编码毒素合成酶的基因。许多藻属可同时存在毒 藻和非毒藻，毒藻的产毒量往往比非毒藻高出3 个数量级以上【4 4 1 。 福建师范大学硕士学位论文 环境决定：微囊藻毒素受光照、温度、营养盐等多种环境因素的影响，有研 究显示，光强对微囊藻毒素有显著影响，而适于藻细胞生长的温度并不适于毒素 的形成。宋立荣等【4 5 1 对滇池水华铜锈微囊藻和绿色微囊藻的实验室研究中发现， 两种微囊藻在低细胞浓度时，对光强的耐受力差，在低光强下( 1 5i t e m 之s 以) 毒素 产量较高；研究还表明，光强对毒素的影响效果受到培养温度的调节，而在同一 光强下，温度的变化对毒素含量影响甚微。u t l d l e n 掣4 6 】的研究也表明光能是毒素 产生的一个重要制约因子，温度在高光强下对毒素的产生几乎没有影响，只有低 光强下温度才影响毒素的产生。b i e k e l t 4 7 】等人认为微囊藻细胞的能量状态控制着 藻毒素的产生。藻细胞的能量状态用腺苷酸能荷( a t p + 1 2 a d p ：a t p 十a d p 十 a m p ) 表示，影响能荷的其它因素都会间接影响藻毒素的产生，其中光照和营养 的作用最大。 不过无论是遗传决定论还是环境决定论都不是孤立的，它们是相互联系、相 互作用的。虽然遗传因子在毒藻产毒有重要的直接的生理控制作用，但一些形态 学上一致的微囊藻，在产毒能力方面有很大的不同m 8 1 。k a e b e m i c k 等【4 9 】的研究表 明，同一种藻也能根据实验条件的变化，增加或减少它们的毒素产出。 1 2 3 2 微囊藻毒素的化学结构 微囊藻毒素m c s 是一类分子结构为环状七肽类的肝毒素。在微囊藻属 ( m i c o r e y i s t s ) 及其他几种主要的蓝藻属中均有发现，为蓝藻的次生代谢产物。m c s 是1 9 8 2 年b o t e s 等在铜绿微囊藻中发现的，是一种具有肝毒素活性的蓝藻毒素， 并首次采用快速原子轰击质谱( f a b m s ) 确定了其分子结构【5 0 1 ，其结构见图卜1 所示： 环( d 丙氨酸l - x 赤b 甲基d 。异天冬氨酸l - z a d d a - d 异谷氨酸n 甲基脱 氢丙氨酸) ，其中n 甲基脱氢丙氨酸( m d h a ) 为一种特殊氨基酸，含a 、p 不饱和双 键：a d d a ( 3 氨基9 甲氧基2 ，6 ，8 三甲基1 0 苯基4 ，6 二烯酸) 是毒素生物活性 表达所必须的；由于x z 的不同及m a s p 和a d d a 的甲基化或去甲基化产生的差异， 可以形成多种不同的微囊藻毒素异构体。目前已从不同微囊藻菌株中分离、鉴定 7 7 0 多种微囊藻毒素结构【5 l 】。已知存在的最普遍、含量相对较多，毒性较大的主 要是m c l r ，m c r r ，m c y r 等数种，这几种也是可商品购买的。 4 第一章绪论 ( 6 ) d 一异谷氨酸 ( 3 ) d 异天冬氨酸 图1 - 1m c s 的一般结构 f i g 1 1t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo f m c s 1 2 3 3 微囊藻毒素的稳定性 m c s 性质稳定，具有水溶性和耐热性。m c s 极易溶于水，在水中的溶解度 l g l t 5 2 1 。在实验室研究中发现m c s 在水体中的稳定时间与水体的特征有关，水 库水中低浓度m c - l r ( 1 0 l j g l ) 不到1 个星期即发生初级降解，在去离子水中超过 2 7 天毒素依旧很稳定。毒素在消毒的水库中可稳定1 2 天，在自然水库中其不稳定 性是由于生物降解通过a d d a 旁链的修饰而灭活这一机制实现。在色素存在的情 况下，m c s 却被迅速降解，使其活性降低。此外，纯化的m c s 在阳光照射下依然 保持其稳定性，但当毒素暴露在紫外线时即可被水解或发生化学异构和化学键合 反应而使毒性丧失，其半衰期是l o 天。当紫外线波长接近其吸收峰周围( 且p 2 3 8 - - - , 2 5 4 n m ) ，m c s 被迅速地降解。m c s 耐高温，加热煮沸( 水浴1 0 0 。c ，3 0 m i n ) 后不失 活，不挥发，抗p h 变化，可溶于甲醇或丙酮，现行自来水处理工艺的混凝、沉 淀、过滤、加氯均不能有效去除微囊藻毒剥5 3 1 。董传辉【5 4 】等人的调查研究亦表 明采用饮水消毒处理不能完全消除水体中的藻毒素。 1 2 4 微囊藻毒素的毒性 1 2 4 1 中毒事件 目前，世界上许多国家和地区均发生过有关微囊藻毒素污染而引起人类疾病 和动物中毒的事件。对我国一些肝病高发地区的流行病学调查结果显示，原发性 肝癌的发生率与饮用水中的m c s 含量呈正相关。1 8 7 8 年在南澳大利亚的 a l e x a n d r i n a 湖首次发现因泡沫节球藻水华污染饮水导致家畜及禽类死亡。此后有 福建师范大学硕士学位论文 许多关于鸟类、鱼和其它动物蓝藻中毒的报道，其中亦包括了m c s 【5 5 1 。1 9 9 6 年2 月，由于受微囊藻毒素污染，巴西1 2 6 名接受肾透析治疗的病人中，全部出现急 性中毒症状和亚急性迁延性肝中毒症状，其中6 0 人死亡。经h p l c 检测渗透液用 水，其中含有m c l r 、m c r r 和m c a r 。这是首次报道微囊藻毒素直接对人类 健康构成危害的案例【5 6 】。p u s c h n e r 等【5 7 】报道，饮用被蓝藻污染的池塘水后，1 7 5 头牛有2 4 头中毒死亡。现场收集的蓝藻细胞冷冻干燥后提取液，经腹腔注射染毒 可引起小鼠死亡和肝细胞坏死，水样经h p l c 检测，含有m c l r 。日本也发生过 野生鸟类由于微囊藻毒素中毒死亡的案例【5 8 】。在我国东南沿海一些地区如江苏海 门、启东和广西绥远地区的原发性肝癌与饮用水水源中微囊藻毒素高本底含量密 切相关 5 9 - 6 2 】。 1 2 4 2 致毒机理 不同类型的藻细胞产生毒力不同的微囊藻毒素变体，其毒性由其化学组成和 空间构型决定。毒理学研究发现m c s 弓 发肝脏损伤的机理可能是m c s 是一种具有 肝毒性的环状七肽化合物，可作用的主要靶器官是肝脏，作用于肝脏的两种细胞， 即肝细胞和肝巨噬细胞【6 3 1 。除严重的肝损害外，有学者提出蓝绿