張 露，黃瑩瑩，陳雪初*，彭 欣，顧世勇（.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 0040；.浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所，浙江 溫州 5005；.上海市閔行區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，上海 000）

電廠溫排水對(duì)銅綠微囊藻生長影響的模擬研究

張 露1，黃瑩瑩1，陳雪初1*，彭 欣2，顧世勇3（1.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所，浙江 溫州 325005；3.上海市閔行區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，上海 201100）

以水華藻種銅綠微囊藻為例，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬內(nèi)陸電廠溫排水中溫升和游離余氯的聯(lián)合作用，研究其對(duì)銅綠微囊藻生長與光合活性的影響.結(jié)果表明，在適宜銅綠微囊藻生長的溫度范圍內(nèi)，一定程度的溫升會(huì)促進(jìn)其生長，且水域溫度本底值較低時(shí)，溫升更有利于銅綠微囊藻的生長.銅綠微囊藻對(duì)游離余氯非常敏感，在大于0.1mg/L情況下，光合活性會(huì)下降，抑制作用非常明顯，聯(lián)合作用下，溫升對(duì)于0.1mg/L游離余氯作用下銅綠微囊藻光合活性的恢復(fù)具有一定的促進(jìn)作用，對(duì)于0.2mg/L作用下則沒有.電廠排水口銅綠微囊藻會(huì)受到很強(qiáng)烈的抑制作用，藻細(xì)胞受到嚴(yán)重破壞，當(dāng)加氯方式為連續(xù)加氯時(shí)，0.1mg/L余氯作用下的水域，微囊藻生長也會(huì)受到抑制.

溫排水；溫升；游離余氯；銅綠微囊藻

溫排水對(duì)浮游植物的影響已引起學(xué)者的廣泛關(guān)注，以往研究僅限于濱海電廠、核電站溫排水對(duì)于海洋浮游植物的影響，對(duì)于取用淡水為直流冷卻水的內(nèi)陸電廠，其溫排水中的溫升和余氯對(duì)淡水中浮游植物影響的試驗(yàn)研究卻鮮有報(bào)道［1-3］.一般認(rèn)為，溫升會(huì)促進(jìn)藻類的生長繁殖，在20～35℃范圍內(nèi)，生物量隨溫升有較大增加，會(huì)提高水華爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)［4-5］.但這僅僅說明了溫升單一因素下對(duì)于藻類的增殖有促進(jìn)作用，忽視了溫排水中余氯對(duì)藻類生長的抑制作用.電廠由于提供熱機(jī)冷源和各種冷卻的需要，需要大量的冷卻水，為防止冷凝器附著生物形成絕熱層，影響冷卻效果甚至堵塞冷卻系統(tǒng)，需向循環(huán)冷卻水中加入一定量的氯，以清除管道中附著的藻類微生物，因此溫排水中一般都含有一定濃度余氯［6-7］.本文選取淡水中典型有害水華藻種——銅綠微囊藻為研究對(duì)象［8］，研究溫升和游離余氯的單獨(dú)作用以及聯(lián)合作用對(duì)銅綠微囊藻生長和光合作用的影響，探討內(nèi)陸電廠溫排水與受納水體藍(lán)藻增殖的關(guān)系，為內(nèi)陸電廠對(duì)其附近水域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的銅綠微囊藻藻種購自中科院武漢水生生物研究所，培養(yǎng)溫度為25℃，光照強(qiáng)度約為2500lx，光暗比設(shè)定為14h:10h，擴(kuò)大培養(yǎng)后用于試驗(yàn).用于配制游離余氯溶液的安替福民（分析純）購自上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.

1.2 試驗(yàn)方法

配置BG-11培養(yǎng)基，混勻后，在高溫高壓滅菌鍋中滅菌50min，冷卻后接種處于對(duì)數(shù)生長期的銅綠微囊藻，恒溫適應(yīng)5～7d，再用無菌BG-11培養(yǎng)基稀釋后分裝到250mL錐形瓶中進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)所用控溫裝置如下:在水族箱中使用DYMAX的一款迷你加溫棒，附帶LED數(shù)顯溫控器，使水溫達(dá)到所需溫度，并使用小型潛水泵讓水溫均勻，用溫度計(jì)進(jìn)行水溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).游離余氯只在試驗(yàn)開始前加入，之后不再添加，光照強(qiáng)度2500lx，光暗比設(shè)定為14h:10h，每組設(shè)3個(gè)平行樣，每天人工搖動(dòng)錐形瓶2～3次，所有玻璃儀器使用前均經(jīng)過高溫滅菌處理.

1.2.1 溫升影響試驗(yàn) 分別以21℃和28℃為對(duì)照組，試驗(yàn)組設(shè)置4℃的溫升，即25℃和32℃，不加余氯，試驗(yàn)周期為10d.

1.2.2 游離余氯影響試驗(yàn) 設(shè)置溫度條件為25℃，次氯酸鈉現(xiàn)用現(xiàn)配，不加游離余氯的樣品為空白對(duì)照組，試驗(yàn)組分別加入0.05，0.10，0.15，0.20mg/L游離余氯，試驗(yàn)周期為5d.

1.2.3 溫度和游離余氯耦合影響試驗(yàn) 設(shè)置試驗(yàn)溫度為28，31，34℃.28℃作為空白對(duì)照組，不添加余氯，31℃和34℃作為試驗(yàn)組，分別加入0.10，0.20mg/L的游離余氯，形成31℃-0.1mg/L、31℃—0.2mg/L、34℃—0.1mg/L和34℃—0.2mg/L的4個(gè)試驗(yàn)組，試驗(yàn)周期為10d.

1.3 分析測(cè)定與數(shù)據(jù)計(jì)算

游離余氯濃度:測(cè)定采用SYL-1B余氯儀（DPD法，檢測(cè)限為0.01mg/L，精度為0.01mg/L）.

藻細(xì)胞密度:采用微生物血球計(jì)數(shù)板直接計(jì)數(shù)法，在OLYMPUS CKX41倒置光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù).

葉綠素a濃度與光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）:用型號(hào)為PHYTO-PAM的浮游植物熒光儀（WAlZ，Germany）測(cè)定，在室溫下進(jìn)行，F(xiàn)v/Fm測(cè)定時(shí)暗適應(yīng)時(shí)間不少于5min.

相對(duì)細(xì)胞葉綠素a含量和生長抑制率分別用下式計(jì)算:

相對(duì)細(xì)胞葉綠素a含量=試驗(yàn)組細(xì)胞葉綠素a含量/對(duì)照組細(xì)胞葉綠素a含量.

生長抑制率（%）=（對(duì)照組細(xì)胞密度—試驗(yàn)組細(xì)胞密度）/對(duì)照組細(xì)胞密度×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 溫升對(duì)銅綠微囊藻的影響

我國中東部湖庫春秋平均水溫約為21℃，夏季平均水溫約為28℃［5，9］.資料顯示，溫排水排口附近7℃溫升范圍較小，僅為0.1～0.2km2，4℃溫升范圍較大，約2～3km2，因此，分別以21℃和28℃作為對(duì)照，設(shè)置4℃的溫升，圖1為溫升前后銅綠微囊藻細(xì)胞密度的比值.結(jié)果表明，試驗(yàn)溫度均適宜銅綠微囊藻的生長，4℃的溫升會(huì)促進(jìn)其生長，且水域溫度本底值越低，溫升越有利于銅綠微囊藻的生長.同時(shí)還測(cè)定了藻細(xì)胞的葉綠素a含量和Fv/Fm，結(jié)果顯示在不同溫度下各組差別不大（P＞0.05），試驗(yàn)范圍內(nèi)溫度對(duì)其沒有明顯影響.

圖1 溫升前后銅綠微囊藻細(xì)胞密度的比值Fig.1 Ratio of cell density of Microcystis aeruginosa at low and high temperatures

2.2 游離余氯對(duì)銅綠微囊藻的影響

研究發(fā)現(xiàn)［10-11］，余氯濃度高于0.03mg/L時(shí)即對(duì)浮游植物產(chǎn)生抑制作用，在低于0.03mg/L時(shí)浮游植物的初級(jí)生產(chǎn)力才可得到完全恢復(fù).當(dāng)溫度為25℃，光照度為2500lx時(shí)，在接種了銅綠微囊藻的BG-11培養(yǎng)基中，游離余氯衰減情況如表1所示，濃度越高，衰減到0.03mg/L所用時(shí)間相對(duì)越長.

資料顯示，0.1mg/L余氯范圍約0.2～1km2， 0.05mg/L余氯范圍約0.5～2km2.因此，選取游離余氯最低濃度為0.05mg/L.表2顯示了在25℃溫度下，不同游離余氯濃度作用下銅綠微囊藻的生長抑制率.當(dāng)游離余氯濃度為0.05mg/L時(shí)，對(duì)微囊藻生長沒有明顯影響；當(dāng)游離余氯濃度≥0.1mg/L時(shí)，第5d的生長抑制率達(dá)到了約90%，微囊藻生長受到了明顯的抑制作用.通過鏡檢發(fā)現(xiàn)細(xì)胞已大多呈空化狀態(tài)，細(xì)胞體積變得很小，表明藻細(xì)胞已受到明顯破壞.

圖2為不同濃度的游離余氯處理下銅綠微囊藻Fv/Fm的變化，F(xiàn)v/Fm值反映了光系統(tǒng)Ⅱ活性的大小，可直接衡量藻類的光合作用能力，可以看到Fv/Fm對(duì)于余氯的響應(yīng)非常迅速，當(dāng)加入的游離余氯濃度僅為0.05mg/L時(shí)，1d后Fv/Fm值就已從0.54降低到0.27，之后慢慢恢復(fù)到原有水平；游離余氯濃度為0.2mg/L時(shí)，F(xiàn)v/Fm值甚至接近于0，且隨著時(shí)間推移，活性也不能恢復(fù).圖3表示銅綠微囊藻細(xì)胞的相對(duì)葉綠素a含量，即試驗(yàn)組細(xì)胞葉綠素a含量與對(duì)照組細(xì)胞葉綠素a含量的比值，在加入的游離余氯濃度大于0.1mg/L時(shí)，銅綠微囊藻的相對(duì)細(xì)胞葉綠素a含量極低.結(jié)果表明，游離余氯濃度越高，F(xiàn)v/Fm值越低，微囊藻的光合作用能力越低，相對(duì)細(xì)胞葉綠素a含量越低.

表1 不同濃度游離余氯衰減到0.03mg/L以下所需時(shí)間Table 1 Required time for free residual chlorine to decay below 0.03mg/L

圖2 不同游離余氯濃度作用下銅綠微囊藻Fv/Fm的響應(yīng)曲線Fig.2 Photosynthetic efficiency （Fv/Fm） of Microcystis aeruginosa treated with various free residual chlorine concentrations

表2 不同游離余氯濃度作用下的生長抑制率（%）Table 2 Growth inhibition ratio of Microcystis aeruginosa as a function of chlorine concentration and length of exposure （%）

圖3 相對(duì)細(xì)胞葉綠素a含量Fig.3 Relative chlorophyll-a content of Microcystis aeruginosa

2.3 溫升和游離余氯聯(lián)合作用對(duì)銅綠微囊藻的影響

表3 聯(lián)合作用下的生長抑制率（%）Table 3 Inhibition ratio of Microcystis aeruginosa under different conditions of temperature and chlorine concentration （%）

圖4 聯(lián)合作用下銅綠微囊藻Fv/Fm的響應(yīng)曲線Fig.4 Combined effect of temperature and chlorine concentration on photosynthetic efficiency （Fv/Fm）of Microcystis aeruginosa

聯(lián)合作用試驗(yàn)中，為了模擬實(shí)際情況中溫度和游離余氯隨時(shí)間和距離的的衰減，分別設(shè)置了3℃溫升和6℃溫升以及0.1mg/L和0.2mg/L這兩個(gè)濃度.28℃—0mg/L表示28℃溫度下，不添加游離余氯的空白對(duì)照組；34℃—0.1mg/L和34℃—0.2mg/L表示34℃溫度（6℃溫升）下，添加游離余氯濃度為0.1mg/L和0.2mg/L的兩個(gè)試驗(yàn)組，分別模擬排口較近距離和排口附近；31℃—0.1mg/L和31℃—0.2mg/L表示31℃溫度（3℃溫升）下，添加游離余氯濃度為0.1mg/L和0.2mg/L的兩個(gè)試驗(yàn)組，前者模擬排口較遠(yuǎn)距離，后者在實(shí)際情況中出現(xiàn)較少.結(jié)果顯示，31℃—0.2mg/L和34℃—0.2mg/L試驗(yàn)組中，微囊藻生長受到顯著抑制，抑制率在第10d分別達(dá)到了99.35%和99.32%（表3）.鏡檢發(fā)現(xiàn)細(xì)胞大多呈現(xiàn)空化狀態(tài)，細(xì)胞體積變小，細(xì)胞受到嚴(yán)重破壞，甚至一個(gè)月之后再進(jìn)行檢測(cè)，也沒有任何恢復(fù)，說明破壞作用是不可逆的.

圖5 聯(lián)合作用下銅綠微囊藻的相對(duì)細(xì)胞葉綠素a含量Fig.5 Combined effect of temperature and chlorine concentration on relative chlorophyll-a content of Microcystis aeruginosa

聯(lián)合作用下銅綠微囊藻Fv/Fm的響應(yīng)曲線如圖4所示.對(duì)照組Fv/Fm值變化不大，31℃—0.1mg/L和34℃—0.1mg/L兩個(gè)試驗(yàn)組中Fv/Fm值僅1d即降到0.1以下，之后逐漸恢復(fù)，在第5d恢復(fù)至對(duì)照組的水平.恢復(fù)后的Fv/Fm值達(dá)到0.5以上，但圖2中25℃溫度下，0.1mg/L游離余氯濃度作用下的試驗(yàn)組中第5d的Fv/Fm值不到0.5，說明溫升對(duì)于0.1mg/L游離余氯作用下銅綠微囊藻光合活性的恢復(fù)具有一定的促進(jìn)作用；31℃—0.2mg/L和34℃—0.2mg/L兩個(gè)試驗(yàn)組中微囊藻Fv/Fm值始終處于低水平，對(duì)比圖2中25℃溫度下，0.2mg/L游離余氯濃度作用下的試驗(yàn)組，說明溫升不會(huì)促進(jìn)0.2mg/L游離余氯作用下銅綠微囊藻光合活性的恢復(fù).圖5表示聯(lián)合作用下銅綠微囊藻的相對(duì)細(xì)胞葉綠素a含量，31℃—0.2mg/L和34℃—0.2mg/L兩個(gè)試驗(yàn)組中微囊藻相對(duì)細(xì)胞葉綠素a含量極低，而31℃—0.1mg/L 和34℃—0.1mg/L兩個(gè)試驗(yàn)組中相對(duì)細(xì)胞葉綠素a含量大于1，表明這兩個(gè)試驗(yàn)組中藻細(xì)胞葉綠素a含量比對(duì)照組高.

3 討論

水體富營養(yǎng)化往往伴隨著浮游藻類的過量增長［12］，微囊藻是湖庫水華的常見優(yōu)勢(shì)藻種，其中以銅綠微囊藻造成的災(zāi)害尤甚［13］.銅綠微囊藻喜好高溫，在水溫30～35℃時(shí)生長最佳［14］，本試驗(yàn)中，水溫在21～32℃范圍內(nèi)，微囊藻生物量隨溫升逐漸增加.銅綠微囊藻對(duì)游離余氯非常敏感，當(dāng)游離余氯濃度為0.05mg/L時(shí)，雖然光合活性迅速降低，但是很快恢復(fù)，因此該濃度可以認(rèn)為是一個(gè)安全濃度，當(dāng)游離余氯濃度≥0.1mg/L時(shí)，銅綠微囊藻受到明顯抑制，這與楊佳等［15］的試驗(yàn)結(jié)果基本一致.

光合活性與藻類的生長是密切相關(guān)的，F(xiàn)v/Fm值反映著光系統(tǒng)Ⅱ活性的大小，可直接表征藻類的光合作用.結(jié)果表明，銅綠微囊藻的Fv/Fm值對(duì)于余氯的響應(yīng)非常迅速，一旦加入氯，F(xiàn)v/Fm值均迅速降低，當(dāng)氯逐漸衰減，低濃度作用下的Fv/Fm值又會(huì)慢慢恢復(fù)，但游離余氯濃度達(dá)到0.2mg/L時(shí)，光合系統(tǒng)受到嚴(yán)重?fù)p壞，之后亦不會(huì)恢復(fù)，溫升也不會(huì)對(duì)其恢復(fù)有促進(jìn)作用.這表明光合活性能夠預(yù)測(cè)藻類生長的趨勢(shì)，F(xiàn)v/Fm值能夠作為藻類生長狀況的一個(gè)指標(biāo).有資料顯示［16］，溫排水含有游離余氯，余氯對(duì)浮游植物生長的抑制正是由于其對(duì)光合系統(tǒng)的破壞作用.

從工藝角度看，采用直流冷卻方式的電廠加氯方法主要可分為連續(xù)加氯法（使冷卻系統(tǒng)中一直保持低濃度的氯，其濃度在冷凝器入口處應(yīng)不低于0.1～0.5mg/L，此法首先用于濱海電廠）、不連續(xù)加氯法（加入氯量與連續(xù)法相同，可節(jié)省投氯量50%，但其效果不如連續(xù)加氯法）和間歇加氯法（短時(shí)高劑量加氯，濃度達(dá)到5～10mg/L，接著較長時(shí)段不加，可有效地防止黏液細(xì)菌附著，主要用于淡水系統(tǒng)）.結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析，雖然在電廠排水口附近水域溫升有利于銅綠微囊藻生長，但由于余氯作用，藻細(xì)胞光合作用受到抑制，甚至出現(xiàn)不可逆的細(xì)胞損傷；以不連續(xù)加氯法和間歇加氯法為例，保守估計(jì)排水口附近水域游離余氯濃度為0.2mg/L左右［17-18］，在此條件下，即使存在溫升作用，藻類光合活性依然難以恢復(fù)，隨著時(shí)間推移，溫排水影響到周圍水域，余氯濃度衰減，溫度慢慢降低.當(dāng)游離余氯濃度下降到0.1mg/L時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)微囊藻的光合活性仍然較低，這說明電廠排水口附近水域水華現(xiàn)象的發(fā)生概率很低；如果電廠加氯方式為連續(xù)加氯，在0.1mg/L游離余氯作用的水域，微囊藻生長一樣受到抑制，藻類難以增殖.雖然本研究表明電廠溫排水對(duì)周邊水域微囊藻增殖具有直接抑制作用，但從淡水生態(tài)系統(tǒng)角度來看，溫排水中的余氯還可能同時(shí)會(huì)對(duì)浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物產(chǎn)生負(fù)面影響，需要進(jìn)一步開展系統(tǒng)研究.另外，在單獨(dú)溫升作用下，細(xì)胞葉綠素a含量非常接近，而在聯(lián)合作用下，31℃—0.1mg/L和34℃—0.1mg/L下的細(xì)胞葉綠素a含量卻較對(duì)照組高，即溫升與余氯的聯(lián)合作用對(duì)藻細(xì)胞葉綠素a含量存在促進(jìn)作用，這是否暗示受到余氯脅迫時(shí)，微囊藻在細(xì)胞生理層面上具有反饋機(jī)制，有待進(jìn)一步探索.

4 結(jié)論

4.1 銅綠微囊藻對(duì)游離余氯非常敏感，當(dāng)濃度為0.05mg/L時(shí)，就會(huì)對(duì)光合活性造成一定的抑制，但余氯很快會(huì)衰減到0.03mg/L以下，活性恢復(fù)，藻密度開始增長；當(dāng)游離余氯濃度大于0.1mg/L時(shí)，藻細(xì)胞光合活性會(huì)下降，生長受到明顯抑制；0.2mg/L游離余氯作用下，藻細(xì)胞光合活性接近于0，藻細(xì)胞發(fā)生空化，一個(gè)月后也沒有恢復(fù).

4.2 通過聯(lián)合作用試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溫升對(duì)于0.1mg/L游離余氯作用下銅綠微囊藻光合活性的恢復(fù)具有一定的促進(jìn)作用，對(duì)于0.2mg/L作用下則沒有.

4.3 采用直流冷卻方式的電廠排水口銅綠微囊藻會(huì)受到很強(qiáng)烈的抑制作用，藻細(xì)胞受到嚴(yán)重破壞，當(dāng)加氯方式為連續(xù)加氯時(shí)，0.1mg/L作用下的水域，微囊藻生長也會(huì)受到抑制.

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Simulation study on effects of thermal discharge from an electric power plant on Microcystis aeruginosa.

ZHANG Lu1， HUANG Ying-ying1， CHEN Xue-chu1*， PENG Xin2， GU Shi-yong3（1.School of Environmental Science and Engineering， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240， China；2.Zhejiang Mariculture Research Institute， Wenzhou 325005， China；3.Minhang Environmental Monitoring Station， Shanghai 201100， China）. China Environmental Science，2015，35（4）：1181～1186

The influence of elevated temperature and residual chlorine of power plant thermal discharges on Microcystis aeruginosa was investigated. Laboratory experiments were carried out to study the growth and photosynthetic response of M. aeruginosa to a range of temperatures and chlorine concentrations. The results showed that temperature rise favored the growth of M. aeruginosa， especially at a lower ambient temperature. On the other hand， M. aeruginosa was very sensitive to free residual chlorine. When the chlorine concentration exceeded 0.1mg/L， the photosynthetic activity was greatly reduced， indicating the inhibitory growth effects. The inhibition was compensated by increasing water temperature at a chlorine concentration of less than 0.2mg/L. Our results suggest the growth of M. aeruginosa， near outlets of power plants， would be greatly inhibited with severely damaged cells. Moreover， with continuous addition of chlorine， the growth of M. aeruginosa was negatively affected at a chlorine concentration of 0.1mg/L.

thermal discharge；temperature rise；free residual chlorine；Microcystis aeruginosa

X171.5

A

1000-6923（2015）04-1181-06

張 露（1990-），男，湖北荊州人，上海交通大學(xué)碩士研究生，主要從事水環(huán)境及生態(tài)恢復(fù)研究.

2014-08-15

浙江省重大科技專項(xiàng)（2012C13005）

* 責(zé)任作者， 講師， cxcsnow@163.com