消毒副产物对淡水浮游植物群落的影响
作者：崔慧君、陈白杨
水资源短缺威胁着世界各地经济和社会发展。在此背景下，废水回收利用成为满足日益增长的水需求的重要方式，其中，再生水被广泛应用于市政和生态补给。然而，污水在排放前需经过消毒处理，在此过程中不可避免的产生有毒的消毒副产物（DBPs），主要包括三卤甲烷（THMs）、卤乙酸（HAAs）、卤乙腈（HANs）等。此外，为了阻止新冠肺炎病毒（SARS-CoV-2）的传播，含氯消毒剂被大量应用于废水处理。调查显示疫情后地表水体的部分DBPs浓度上升，引发了全球关于DBPs对淡水生态系统风险的关注。
作为生态系统的初级生产者，浮游植物的生物量、多样性和结构直接影响水生态系统的功能。基于前期对DBPs对“藻-溞-鱼”的毒性研究，我们发现微藻对DBPs相对较敏感，并且污水中的DBPs对浮游植物具有较高的风险熵。天然水体由多种多样的微藻组成，浮游植物对DBPs的敏感性差异表明DBPs很有可能影响浮游植物的群落结构。然而，目前尚未有研究来解释DBPs对浮游植物群落结构的可能改变。
本研究通过单培养和共培养探究了17种DBPs对铜绿微囊藻、斜生栅藻和小环藻的毒性。微囊藻是全球蓝藻水华的典型藻种，栅藻和小环藻是再生水补给河湖的常见优势种。因此，这三株藻的混合培养可以很好代表水体的情况。据我们所知，本研究是首次探究了DBPs对浮游植物群落的影响。
一、单培养时DBPs对三株藻的急性毒性效应
图1显示了DBPs对三株藻的生长抑制均存在较好的浓度-效应关系，DBPs的EC50值范围为0.12 mg/L（MBAN）到 > 500 mg/L（TCM）（图2）。基于EC50值，THMs毒性最低，HANs毒性相对最高。对于HAAs，卤素原子数越多毒性越小。
图1 单独暴露时消毒副产物对微囊藻（圆圈）、小环藻（方形）和斜生栅藻（三角形）生长抑制的浓度-效应曲线。
图2 消毒副产物对微囊藻、小环藻和斜生栅藻的EC50值
DBPs对三株藻的毒性因藻株而异。小环藻对HAAs最耐受，EC50值（81.96-585.5 mg/L）是微囊藻（EC50 0.22-81.68 mg/L）7.17-378.39倍，是栅藻（EC50 1.20-79.07 mg/L）的3.97-76.02倍。然而，栅藻对HANs却表现了最强的耐受性，EC50（1.10-26.29 mg/L）是微囊藻（EC50 0.12-6.63 mg/L）的2.36-10.50倍，是小环藻（EC50 0.38-11.19 mg/L）的2.24-12.57倍。我们此前指出应该用多种营养级生物来评价DBPs的生态风险。结合此研究结果，我们认为水环境的几种优势藻种应该也被考虑从而更全面地评价DBPs的生态风险。
二、DBPs对浮游植物群落的影响
鉴于微囊藻、栅藻和小环藻共存于天然水体中，并且他们对DBPs的耐受性差异较大，我们假设DBPs可能会改变浮游植物的群落结构。因此，我们选取了氯乙酸（MCAA）和氯乙腈（MCAN）作为代表性DBPs，探究了其对浮游植物群落的影响。
很显然，DBPs抑制了浮游植物群落的生长，表现了时间和浓度效应（图3）。暴露于0.1 mg/L MCAA和MCAN时，群落细胞密度分别下降了17%和22%。前期研究表明DBPs之间存在有部分相加和协同作用，表明DBPs即使在环境浓度水平（12.5-381 μg/L）也可能导致水体初级生产力的下降。
图3 共培养中氯乙酸（A）和氯乙腈（B）对浮游植物群落生长的影响。总细胞密度是指铜绿微囊藻、小环藻和斜生栅藻的细胞密度之和，用来代表浮游群落的生长。
不出所料，从共培养获得的微藻对DBPs敏感性结果与单培养时不同。对照组中，小环藻的生长被微囊藻和栅藻严重抑制，96 h时占比甚至小于8%（图4）。MCAA改变了三株藻的比例，表现为小环藻比例逐渐上升（从对照的7%到10 mg/L的44%）和栅藻比例的下降（从对照的48%到10 mg/L的12%）。在低浓度MCAA时（￡ 2 mg/L），微囊藻是最具优势的藻株，整个培养期间占比始终超过50%，在2 mg/L时达到最大70.3%。
MCAN同样改变了浮游植物的群落结构，表现为栅藻比例的逐渐上升和微囊藻、小环藻比例的逐渐下降（图4）。但值得注意的是，尽管微囊藻的生长被抑制，但是即便在40 mg/L MCAN暴露时，其细胞占比仍可达到32%。
图4 共培养中氯乙酸（A）和氯乙腈（B）暴露下三株藻的演替情况。
斜生栅藻、铜绿微囊藻、小环藻
综上，水体不同微藻对DBPs的耐受性存在较大差异。DBPs的大量发生可能打破固有的藻间关系，从而有利于微囊藻水华的发生。
该文于2021年7月发表在Journal of Hazardous Materials，论文题目为“Ecotoxicological effects of DBPs on freshwater phytoplankton communities in co-culture systems”。对此文有兴趣的朋友们可于网址https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126679下载，更多技术细节可联系哈尔滨工业大学（深圳）陈白杨老师（poplar_chen@hotmail.com）。欢迎各位同仁探讨和交流！
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