太湖贡湖湾水源地微囊藻毒素和含硫衍生污染物研究

【摘要】： 富营养化日益严重的太湖贡湖湾水源地,面临有毒蓝藻的代谢产物微囊藻毒素和蓝藻腐烂分解或次生代谢含硫衍生物的污染威胁。微囊藻毒素是肝癌和肠癌的促发剂,通过生物累积或食物链从肝癌、肠癌高发到生育畸形等多方面对人类健康构成威胁。蓝藻腐烂分解含硫衍生污染物引起水源地水质恶化,使感官水质下降。为保障水源地供水安全,论文依托国家科技支撑计划课题“水源地取水口蓝藻水华削减与水质改善技术研究及示范”专题“水源地取水口蓝藻毒素以及衍生污染物监测”,以太湖贡湖湾水源地及其蓝藻应急消减工程示范区为研究区域,基于卫星遥感影像数据进行太湖蓝藻水华的暴发动态监测；基于酶联免疫吸附测试技术建立快速、简洁的微囊藻毒素检测方法,监测蓝藻应急消减工程示范区实施物理、生物控藻措施后,围格内、外水柱中微囊藻毒素的差异,为水源地水华蓝藻应急消减提供理论基础；基于青海弧菌Q67建立水源地水质急性毒性快速诊断方法,为水源地微囊藻毒素快速、应急监测提供技术支持；建立抽提-固相萃取预浓缩-高效液相色谱检测方法测试水源地生态系统各环境介质中累积的微囊藻毒素；以蓝藻粗提液研究微囊藻毒素对水稻种子萌发和梨形环棱螺的生物毒性；通过实验室内模拟蓝藻腐烂分解过程,建立SPME-GC/MS方法定性检测蓝藻腐烂分解产生的异味物质,定量研究蓝藻腐烂分解的含硫衍生污染物释放规律。主要研究结果如下： (1)应用卫星遥感影像数据监测太湖贡湖湾历年的蓝藻水华暴发动态,监测到2005年以来,以前很少发生蓝藻水华的贡湖湾,每年开始有大面积蓝藻水华覆盖,2007年以后发生水华的频率明显增加。2009年7、8月在贡湖湾发生大面积蓝藻水华。从太湖贡湖湾的历史水质数据发现,1987年-2003年太湖贡湖湾水质指标平稳波动(TP最高0.1mg·L-1),NH3-N缓慢上升。2005年贡湖水质迅速恶化,NH3-N最高达1.42mg·L-1,TP最高达0.25mg·L-1,Ch1-a最高达47.6μg·L-1。2009年在研究区域内测得TP最高达0.269mg·L-1,水华暴发时Ch1-a最高达703.04μg·L-1。 (2) 2009年3月至2010年2月水源地水柱中溶解态微囊藻毒素浓度范围为ND-0.554μg·L-1。围格外各样点水柱中溶解态MCs 3、4月,7、8月和12月浓度较高。围格外各样点水柱中总MCs自水华暴发后明显增加,10月出现下降趋势。空白对照围格5水样中溶解态MCs低于其它围格,可能是由于生物控藻措施的生态胁迫效应和浮水植物的聚藻效应增加了围格内溶解态微囊藻毒素的释放。围格内各样点水柱中总MCs在蓝藻水华暴发后明显增加。除围格1总MCs低于空白对照围格5外,围格2、3、4总MCs均高于空白对照围格5。由此推断围格1采取的鲢鳙鱼控藻效果优于其它生物控藻工程措施。 (3)围格内溶解态MCs由于生态胁迫效应高于同时期围格外水柱中溶解态MCs,水动力条件较好的围格外采样点9和10溶解态MCs含量较低,但受外源MCs污染的风险也较大。水柱中总MCs除围格1外,围格内总MCs平均浓度高于围格外水柱中总MCs,围格和浮水植物减弱了水动力条件,营造了蓝藻水华原地暴发的环境条件,因此利用围格等物理控藻工程阻挡外源水华蓝藻污染是可行的,但不适用于消减局部水域蓝藻。浮水植物在工程示范区内控藻效果较差,容易促使微囊藻聚集,并有可能因为生态胁迫效应加剧溶解态MCs污染。 (4)基于淡水发光菌青海弧菌Q67建立了水源地水质的急性毒性快速诊断方法。确定了pH值5.0-9.0、起始菌密度10万-20万和测试时间20-30min为青海弧菌Q67急性毒性测试体系的最佳测试条件。微囊藻毒素MC-LR单一污染物发光细菌Q67半数发光抑制浓度(EC50)为1.96mg·L-1。 (5)将青海弧菌用于检测微囊藻毒素的毒性时,Q67急性毒性效应不同于对重金属、有机污染等毒性物质的毒性效应,测试微囊藻毒素导致的微毒水体时,毒性效应不仅表现为轻微抑制发光,更多情况下表现为刺激发光。太湖贡湖湾水源地蓝藻应急消减工程区围格内各样点水质Q67急性毒性测试结果变化比较一致,3、4月水质急性毒性效应为刺激发光,6、7、8月为轻微抑制发光,9、10月为强刺激发光。不同时段各样点水柱溶解态MCs的平均浓度和Q67样点平均急性毒性效应之间相关性较明显,相关系数为0.643。考虑到微囊藻毒素对青海弧菌Q67急性毒性效应的独特性,水样Q67急性毒性相对发光率低于80%或刺激发光相对发光率高于120%,可作为水质急性毒性综合评价无毒趋向微毒的参考指标。 (6) 2009年贡湖湾蓝藻水华以惠氏微囊藻为主,藻浆产毒能力9月初的藻类最大(174.27μgMC-LR·g-1DW、162.69μg MC-RR·g-1DW)。富集在野生茭白、四角野菱和红菱三种植物各器官内的微囊藻毒素以茭白叶内富集量最高(10.44μg MCs·g-1 DW),四角野菱幼果中微囊藻毒素的富集量为1.97μMC-LR·g-1DW、0.69μg MC-RR·g-1DW,高于四角野菱根的生物富集量。梨形环棱螺体内富集的MC含量与2005年在太湖梅梁湾和2006年在巢湖螺类测得的富集量相当(环棱螺(整体动物)的MCs最大值为4.66μg·g-1DW)。野生白鲢肠和肝脏中MC-LR的最大富集量分别为7.22μg·g-1 DW和7.63μg·g-1 DW,MC-RR的最大富集量分别为5.51μg·g-1 DW、3.75μg·g-1 DW。白鲢鱼肉中MC的富集量(3.69μg·g-1DW)与2006年在太湖梅梁湾采集的白鲢(1.65μg·g-1DW)相比稍有增加。太湖贡湖湾水源地采集的底泥样品中测得MC最大值为1.18μgMC-LR.g-1 DW和O.72μg MC-RR·g-1DW。4组样品共测试12个样品,只有1个样品中未检出MC-LR.(7)不同浓度梯度的微囊藻毒素对水稻种子萌发的生理学指标如吸水率、发芽率、根系活力TTC、叶绿素含量以及叶绿素a与叶绿素b的比值等均表现出高浓度微囊藻毒素的抑制效应较强。梨形环棱螺对微囊藻毒素的蓄积作用明显,蓄积系数为1.86。梨形环棱螺的MC-LR半致死剂量约为15.49 - 28.79μg·L-1。外推向人群时,人类的MC-LR安全限量参考浓度为0.025μg MC-LR eq·kg-1 BW(0.015-0.029μg MC-LR eq·kg-1 BW).(8)蓝藻腐烂分解时微囊藻毒素的最大释放量出现在第3或第4天,最大释放量MC-LR和MC-RR分别是本底值的60倍和64倍,最大浓度分别为8.32μg MC-LR·L-1、14.04μg MC-RR·L-1,换算成蓝藻的产毒能力分别为2.46μg MC-LR·g-1 FW和4.31μgMC-RR·g-1FW.(9)建立了固相微萃取-气质联用技术(SPME-GC/MS)检测含硫衍生污染物的方法。在水源地水样、蓝藻腐烂水样和腐烂藻样中以SCAN扫描方式均检测出β-环柠檬醛、吲哚、苯酚、甲基苯酚和硫醇硫醚类等蓝藻代谢产物或次生代谢产物。蓝藻腐烂产物异味物质的组份分析证实2007年5月底贡湖湾的污水团是大量蓝藻堆积腐烂所致。(10)蓝藻腐烂水样中二甲基三硫的最大释放量出现在第7天或第8天,最大释放量达本底值的383倍。腐烂藻样释放的二甲基三硫10天内分别在第3天和第9天出现峰值；腐烂水样中二甲基二硫的释放过程平缓,持续时间较长；蓝藻腐烂水样二甲基硫在第8天或第9天出现最大释放量,其释放过程缓慢,释放量波动范围较大。基于上述研究结果,太湖贡湖湾水源地正经受着水华蓝藻代谢产物和含硫衍生物的污染威胁,建立完善的蓝藻水华预警体系和采取有效的蓝藻消减工程措施是水源地取水安全的重要保障。由于青海弧菌应用在微囊藻毒素污染的水体测试时生物急性毒性效应的独特性,应用青海弧菌Q67快速诊断蓝藻水华水质变化的快速诊断技术还需进一步完善；SPME-GC/MS定性地检测出蓝藻腐烂分解释放的含硫衍生异味物质,但由于从水样中萃取挥发性含硫有机物的回收率和重现性都较低,有待继续摸索和选择更有效的样品预处理方法进行精确定量以及分析蓝藻腐烂分解产物的释放规律。

【关键词】：太湖贡湖湾 微囊藻毒素 含硫衍生污染物 酶联免疫吸附测定 高效液相色谱 青海弧菌Q67 固相微萃取 气相质谱联用技术
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：X173;X524
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