湖库藻华检测与微囊藻毒素细胞性风险评价方法研究——以杭州青山湖水库为例

摘要

随着社会经济的发展，水体富营养化问题日益严重，由此引起的藻华及其毒素直接危及饮用水安全，藻华及毒素的监控技术与水生态健康风险评价方法已成为当今科学研究的热点之一。
　　 本文围绕湖库藻华及其毒素的污染问题，从湖库藻华及其毒素的水生态健康风险、微囊藻毒素(Microcystins，MCs)产生机制和MCs与水质相关性阐述湖库藻华与水质安全研究进展;以杭州市临安青山湖水库为例，研究了湖库微囊藻毒素时空分布规律，探索了湖库藻华主要诱因(NH4+，NO3ˉ等营养盐)及环境因子对有害蓝藻和毒素的调控规律，建立了MCs污染的细胞毒性评价方法;结合实地测定的藻类生物量参数(Chl-a)，构建了水质反演的多元线性回归遥感定量模型，探索了不同形态氮对硅藻指示生物的影响及其敏感性差异。主要研究结论如下:
　　 (1)明确了青山湖主要优势藻类及其季节性演变规律，揭示了调控青山湖藻类演变及藻毒素分布规律的主要环境因子。青山湖全年主要优势藻类为硅藻、蓝藻和绿藻，季节性演变规律为硅藻（冬季）——绿藻（冬春季）——蓝藻（夏秋以微囊藻Microcystis为主、念珠藻Nostoc、鱼腥藻Anabaena和颤藻Oscillatoria为辅）;应用高效液相色谱-质谱联用分析技术(HPLC-MS)和酶联免疫吸附法(ELISA)，检测到青山湖表层水MCs浓度范围为0.00±0.00～1.28±0.05μg/LMCLR，主成分分析的结果表明，MCs的产生主要受TP、水温和蓝藻生物量(CyanobacteriaBiovolume，CBV)调控，而蓝藻的相关丰度与TP呈极显著正相关(r=0.53，p＜0.001)，表明夏季TP负荷的削减可能是青山湖藻华及藻毒素控制和饮用水安全保障的关键。
　　 (2)提出了青山湖夏季典型月的Chl-a浓度遥感反演模型。选用Landsat7ETM+为遥感数据源，采用波段比值法，结合夏季藻华易暴发的2个典型月份实地监测数据，通过多元线性回归建立模型，5月份Chl-a浓度遥感反演模型为:Log(Chl-a)=1.65+0.87*(ETM+1/ETM+3)-3.39*(ETM+2/ETM+3)+0.89*(ETM+3/ETM+4)(R2=0.72，p＜0.01)，8月份Chl-a浓度反演模型为:Log(Chl-a)=2.94-1.37*(ETM+1/ETM+3)+0.40*(ETM+2/ETM+3)-0.20*(ETM+3/ETM+4)(R2=0.92,p＜0.001)，均可以有效反演青山湖中Chl-a浓度分布特征和富营养化状态污染特征，有助于实现藻华识别和早期预警。
　　 (3)建立了基于鱼体淋巴细胞凋亡EC50值的MCs细胞毒性评价方法。选取草鱼淋巴细胞为研究对象，以细胞凋亡半数有效浓度EC50为毒性指标，经1nmol·L-1(约1μg/L)的微囊藻毒素MCLR、MCRR暴露2h，即能检测到典型的细胞凋亡，并且与MCs暴露浓度呈显著的剂量-效应关系;草鱼淋巴细胞经浓度为1nmol·L-1的MCLR、MCRR分别与浓度为1、5、10、50、100nmol·L-1的CHCl2Br、CHClBr2复合暴露2h，亦能检测到细胞凋亡，且呈显著的剂量-效应关系。应用联合作用系数法，分析4个复合暴露实验组(MCLR-CHCl2Br、MCLR-CHClBr2、MCRR-CHCl2Br和MCRR-CHClBr2)的联合作用结果均为相加作用。
　　 (4)明确了3种常见淡水硅藻对不同形态氮胁迫的敏感性差异。为了探索淡水硅藻在富营养化条件下作为蓝藻竞争藻种的可行性，以太湖流域三种典型淡水硅藻(Nitzschiasp.，Cyclotellameneghiniana，Gomphonemaparvulum)为研究对象，透射电镜(TEM)为表征手段，通过观察叶绿体超微结构的变化，结合硅藻光合放氧速率和抗氧化酶系统的响应，表明Cyclotellameneghiniana是氨氮胁迫的敏感指示种，Gomphonemaparvulum和Nitzschiasp.在生长上对的NH4+耐受度高于C.meneghiniana;NH4+对C.meneghiniana的光合系统存在着直接的胁迫，并且NO3-的共存能缓解NH4+直接的光合胁迫作用，可能是由于不同的NO3ˉ转运系统引起。透射电镜(TEM)的结果表明，Nitzschiasp.叶绿体中出现大量的电子密集型的黑色颗粒，硅藻细胞膜完整性的保持可能是对NH4+胁迫的一个过渡适应机制。

目录

声明

致谢

摘要

1 综述

1．1 水库藻华与水质安全研究进展

1．1．1 水库藻华及其毒素的水生态健康风险

1．1．2 微囊藻毒素的产生机制

1．1．3 微囊藻毒素与水质相关性

1．2 水库藻华的遥感预警方法研究进展

1．2．1 遥感监测及模型构建方法

1．2．2 基于遥感定量的水质反演技术

1．2．3 不确定性要素分析

1．3 形态氮对淡水硅藻指示生物的影响

1．3．1 淡水硅藻的生态指示功能

1．3．2 淡水硅藻对形态氮的吸收途径及影响因素

1．3．3 形态氮对淡水硅藻光合固碳作用的影响

1．4 论文研究目标和思路

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究思路

2 青山湖水库藻类和毒素分布规律及环境因子的调控作用

2．1 材料和方法

2．1．1 采样分布

2．1．2 实验材料与仪器

2．1．3 实验方法

2．1．4 数据分析方法

2．2 结果

2．2．1 青山湖水质及氮磷污染特征

2．2．2 青山湖富营养化特征

2．2．3 青山湖藻类演变规律及与环境因子相关性

2．2．4 青山湖微囊藻毒素季节分布及与环境因子相关性

2．3 讨论

2．3．1 青山湖潜在氮磷污染源解析

2．3．2 青山湖藻类分布与环境因子的相关性

2．3．4 青山湖微囊藻毒素与环境因子相关性

2．4 小结

3 基于Landsat ETM+遥感数据的叶绿素浓度的反演

3．1 实验部分

3．1．1 研究区域

3．1．2 遥感数据和实地监测数据

3．1．3 实验材料与仪器

3．1．4 分析方法

3．1．5 数据处理

3．1．6 模型的建立

3．1．7 富营养化评价

3．2 结果与讨论

3．2．1 青山湖水体叶绿素分布特征

3．2．2 叶绿素-a与单一波段的相关性分析

3．2．3 叶绿素-a与波段比的相关性分析

3．2．4 线性回归模型的确定

3．2．5 青山湖模型反演的富营养状况

3．3 小结

4 饮用水源地微囊藻毒素污染的细胞毒性评价方法

4．1 实验部分

4．1．1 实验材料与仪器

4．1．2 实验方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 草鱼淋巴细胞凋亡情况

4．2．2 饮用水MCs、DBPs单一暴露的剂量-效应关系

4．2．3 饮用水MCs与DBPs复合暴露的剂量-效应关系

4．2．4 饮用水MCs与DBPs的联合作用

4．3 小结

5 典型淡水硅藻对不同形态氮的敏感性差异

5．1 材料和方法

5．1．1 藻种及培养

5．1．2 丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量的测定

5．1．3 超氧岐化酶(Superoxide dismutase，SOD)活性的测定

5．1．4 过氧化氢酶(Catalase，CAT)活性的测定

5．1．5 叶绿素和光合放氧速率的测定

5．1．6 透射电镜超微结构分析

5．1．7 数据分析

5．2 结果与讨论

5．2．1 典型淡水硅藻对不同形态氮的敏感性差异

5．2．2 典型淡水硅藻抗氧化酶系统响应差异

5．2．3 典型淡水硅藻光合系统的响应差异

5．2．4 典型淡水硅藻叶绿体超微结构变化

5．3 小结

6 研究结论、创新点与展望

6．1 研究结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

作者简介及攻读博士学位期间完成的学术科研论文