劉 毅 楊 劭 劉曉峰

(華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 武漢 430079)

浮游植物是生物圈的重要初級(jí)生產(chǎn)者, 也是水生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分, 在地球的碳、氧、氮、磷等生源要素循環(huán)中扮演重要功能。浮游植物在特定的條件下可形成水華或赤潮現(xiàn)象。水華通常被認(rèn)為是浮游植物生長(zhǎng)繁殖過(guò)快而產(chǎn)生的現(xiàn)象。水華暴發(fā)時(shí), 大量藻類在水體上層聚集形成肉眼可見(jiàn)漂浮層或藻細(xì)胞團(tuán)。形成淡水水華的物種多屬藍(lán)藻、綠藻，硅藻、甲藻、隱藻等水華也常有報(bào)道[1,2]。水華的形成是一種自然現(xiàn)象, 淡水水華多發(fā)生在富營(yíng)養(yǎng)化程度較高的湖泊中, 但在水質(zhì)良好的水體中也偶有小規(guī)模水華發(fā)生, 如意大利Tovel湖[3]。嚴(yán)重的水華現(xiàn)象可導(dǎo)致水體缺氧、透明度降低, 有的水華藻類可產(chǎn)生異味物質(zhì)和毒素, 并對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)以及人畜飲水安全產(chǎn)生危害。

近幾十年來(lái)我國(guó)水華發(fā)生的范圍和程度呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì), 特別是2007年太湖藍(lán)藻水華導(dǎo)致的停水事件。該事件不僅引起公眾廣泛的關(guān)注, 使得政府部門(mén)對(duì)水華的治理日益重視, 另一方面也讓社會(huì)公眾和水環(huán)境管理者產(chǎn)生“恐藻”心理, 甚至于談“藻”色變。所以, 在水環(huán)境管理過(guò)程中, 必須準(zhǔn)確了解不同類型、不同程度的水華所產(chǎn)生的危害程度, 才能采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策, 從而避免公眾的漠視或恐慌。因此, 水華的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和人類健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究, 在水環(huán)境管理中具有十分重要的意義。

雖然形成水華的藻類種類很多, 但藍(lán)藻水華,尤其是微囊藻屬水華, 是比較常見(jiàn)的一類, 而且部分微囊藻種/株能產(chǎn)生微囊藻毒素, 嚴(yán)重威脅人類飲用水安全和水生態(tài)健康, 因而最受關(guān)注和重視[4]。微囊藻水華對(duì)人類健康的風(fēng)險(xiǎn)已有大量研究, 在此基礎(chǔ)上各國(guó)政府已制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如世界衛(wèi)生組織在娛樂(lè)水質(zhì)準(zhǔn)則里規(guī)定微囊藻毒素10 μg/L以下為低風(fēng)險(xiǎn)[5]; 加拿大衛(wèi)生組織在娛樂(lè)水質(zhì)準(zhǔn)則里規(guī)定微囊藻毒素限值為20 μg/L[6]; 我國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)《GB5749－2006》規(guī)定微囊藻毒素含量不能超過(guò)1 μg/L。不僅如此, 部分國(guó)家還制定了娛樂(lè)用水、灌溉水、牲畜飲用水等地表水的藍(lán)藻水華藻密度標(biāo)準(zhǔn): WHO規(guī)定娛樂(lè)用水藍(lán)藻密度＜2×107cells/L為低風(fēng)險(xiǎn)、(2—10)×107cells/L為中等風(fēng)險(xiǎn)、(10—100)×107cells/L為高風(fēng)險(xiǎn)水平[5]; 加拿大政府對(duì)娛樂(lè)用水限值為藍(lán)藻密度不大于1×108cells/L[6]。然而在水華的水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面, 相關(guān)研究報(bào)道很少, 也沒(méi)有任何國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)制定水華的水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 因此對(duì)各種水華的生態(tài)危害程度難以準(zhǔn)確判斷, 從而無(wú)法對(duì)相關(guān)水體進(jìn)行科學(xué)管理。

洱海是云貴高原第二大淡水湖泊, 是大理人民主要的生活、生產(chǎn)水源地, 被大理白族人民視為母親湖。洱海從1996年開(kāi)始, 1998、2003和2013等年度多次發(fā)生大規(guī)模藍(lán)藻水華, 小規(guī)模藍(lán)藻水華則更為常見(jiàn)[7]。目前洱海水生態(tài)系統(tǒng)被認(rèn)為是處于草型清水穩(wěn)態(tài)和藻型濁水穩(wěn)態(tài)之間的過(guò)渡態(tài), 系統(tǒng)仍有可能轉(zhuǎn)化為藻型濁水穩(wěn)態(tài), 其水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)成為當(dāng)務(wù)之急的治理任務(wù)[8]。據(jù)報(bào)道, 2013年秋季洱海大規(guī)模藍(lán)藻水華發(fā)生期間胞外藻毒素平均含量低于0.005 μg /L, 胞內(nèi)濃度均值也在0.016—0.069 μg/L[9],水中微囊藻毒素接近但仍低于我國(guó)飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。但洱海頻繁發(fā)生的藍(lán)藻水華, 在持續(xù)時(shí)間、面積、藻密度方面各有不同, 其對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)退化的作用究竟有多大？如何準(zhǔn)確判斷各種程度的藍(lán)藻水華危害？急需有針對(duì)性地開(kāi)展水華的水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究。

為了研究洱海微囊藻水華的水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn), 本研究借鑒生態(tài)毒理學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)思路, 從洱海水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的角度出發(fā), 測(cè)試微囊藻水華對(duì)洱海水生生物的綜合影響, 受試物種(包括文獻(xiàn)搜集)包含了底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物、魚(yú)類和沉水植物, 以此為影響參數(shù), 再按照美國(guó)環(huán)保部推薦的水生生物基準(zhǔn)推導(dǎo)方法制定洱海的微囊藻水華生態(tài)效應(yīng)閾值, 并根據(jù)效應(yīng)閾值進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。本研究獲得的洱海微囊藻水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將有助于洱海水環(huán)境管理和治理, 對(duì)其他水體的微囊藻水華風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也有參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

微囊藻采自大理喜洲鎮(zhèn)湖邊池塘以及洱海湖灣中。微囊藻藻漿經(jīng)篩網(wǎng)過(guò)濾除雜質(zhì)并用蒸餾水沖洗, 再用25號(hào)浮游植物網(wǎng)(64 μm孔徑)濃縮備用。經(jīng)鏡檢, 濃縮藻液藻密度約為(2.19—3.55)×109cells/L, 主要是銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)和惠氏微囊藻(Microcystis wesenbergii), 微囊藻細(xì)胞相對(duì)豐度大于95%。實(shí)驗(yàn)用的鯽(Carassius auratusLinnaeus)、麥穗魚(yú)(Pseudorashora parva(Temminck et Schlegel))、鉤蝦(Gammarussp.)從洱海捕獲, 春鯉(Cyprinus longipectoralis(ChenetHuang))購(gòu)于洱源茈碧湖漁場(chǎng), 挑選活潑無(wú)傷痕, 體長(zhǎng)一致的魚(yú)、蝦在盛山泉水的實(shí)驗(yàn)水池中馴養(yǎng)一周。金魚(yú)藻(Ceratophyllum demersumLinn)、狐尾藻(Myriophyllum spicatumLinn)、光葉眼子菜(Potamogeton lucensLinn)、微齒眼子菜(Potamogeton maackianusA. Benn)采集自喜洲鎮(zhèn)附近湖灣, 摘剪長(zhǎng)勢(shì)良好、長(zhǎng)度一致, 基本無(wú)分枝的莖段在實(shí)驗(yàn)水池中馴養(yǎng)一周。各實(shí)驗(yàn)材料初始基本信息見(jiàn)表1。

藻細(xì)胞計(jì)數(shù)方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)第四版》, 吸取0.1 mL充分震蕩搖勻的樣品注入0.1 mL計(jì)數(shù)框, 在10×40倍下顯微鏡(舜宇光學(xué) EX30)計(jì)數(shù)。溶解氧使用哈希HQ30d溶氧儀進(jìn)行測(cè)定, 水體Chl.a、TN、TP等水質(zhì)參數(shù)參照《水和廢水監(jiān)測(cè)第四版》方法測(cè)定。

表1 受試生物基本信息Tab. 1 Basic information about the main objectives of the study

1.2 微囊藻水華對(duì)魚(yú)類的急性效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

用水將濃縮微囊藻藻液稀釋成4個(gè)濃度梯度,藻細(xì)胞密度梯度在107—109cells/L, 根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)及魚(yú)種的耐受性, 不同魚(yú)種的梯度實(shí)驗(yàn)水體藻密度略有差異。由于洱海土著魚(yú)量少無(wú)法捕撈, 則選擇洱海中優(yōu)勢(shì)度較大的自然繁殖魚(yú)類麥穗魚(yú)、鯉和鯽。實(shí)驗(yàn)容器為18 L的塑料桶, 每桶投魚(yú)7尾, 每個(gè)藻濃度設(shè)置3個(gè)重復(fù), 同時(shí)以水作為對(duì)照組, 所有實(shí)驗(yàn)水體均提前曝氣處理, 保持各組初始溶解氧一致。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后每12h觀察魚(yú)類狀態(tài), 記錄死亡數(shù)量并監(jiān)測(cè)溶解氧變化。相關(guān)細(xì)則參考《工業(yè)廢水的試驗(yàn)方法 魚(yú)類急性毒性試驗(yàn) GB/T 21814-2008》進(jìn)行。

1.3 微囊藻水華對(duì)鉤蝦急性效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

將濃縮藻液稀釋成4個(gè)濃度梯度, 藻密度分別為6.56×107、3.28×108、5.47×108和1.64×109cells/L,以洱海入湖溪水為對(duì)照組, 保持各組初始溶解氧一致。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后每12h觀察鉤蝦狀態(tài), 記錄死亡數(shù)量并監(jiān)測(cè)溶解氧變化。

1.4 微囊藻水華對(duì)沉水植物的慢性效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

在洱海湖內(nèi)構(gòu)建封閉圍隔(直徑1.5 m, 深4 m),在圍隔內(nèi)設(shè)置微囊藻水華濃度梯度, 將沉水植物種植于塑料桶中懸吊于圍隔內(nèi)進(jìn)行水華的暴露實(shí)驗(yàn)。挖取洱海岸邊土壤曬干后過(guò)篩混勻作為沉水植物培植土。受試沉水植物為洱海的優(yōu)勢(shì)種, 包括金魚(yú)藻、狐尾藻、光葉眼子菜和微齒眼子菜, 栽種前測(cè)定每株植物的鮮重和長(zhǎng)度, 吊盆置于水深1.0—1.2 m。圍隔微囊藻水華濃度設(shè)置成5個(gè)梯度,以洱海清潔湖水為對(duì)照, 實(shí)測(cè)各組為3.29×106、1.12×107、2.60×107、7.59×107、1.91×108和5.09×108cells/L, 每個(gè)梯度4個(gè)平行。每天取樣測(cè)定各圍格實(shí)際藻濃度, 如測(cè)定值與設(shè)定值相差較大則補(bǔ)加濃縮微囊藻藻液。實(shí)驗(yàn)第14和第24天取樣測(cè)定沉水植物鮮重和長(zhǎng)度, 同時(shí)取表層水測(cè)定藻細(xì)胞數(shù)。根據(jù)與對(duì)照組鮮重減少量計(jì)算24d微囊藻水華的最低效應(yīng)濃度(LOEC)。

1.5 微囊藻水華的急性和慢性水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)推導(dǎo)

本研究借鑒生態(tài)毒理學(xué)中有毒物水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的毒性百分?jǐn)?shù)排序法[10,11], 做出相應(yīng)調(diào)整, 形成適用于水華風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的推導(dǎo)方法(圖1)。毒性百分?jǐn)?shù)排序法是USEPA1985年推導(dǎo)水生生物毒性基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)方法[10,11]。該方法同時(shí)考慮了污染物的急性和慢性毒性效應(yīng), 其得到基準(zhǔn)最大濃度(CMC)。CMC表示短期暴露不會(huì)對(duì)水生生物產(chǎn)生顯著影響的最大濃度。計(jì)算CMC時(shí), 是將所獲得屬的平均急性毒性數(shù)據(jù)按從高到低的順序進(jìn)行排列,再按公式P=R/(N+1)計(jì)算累計(jì)概率, 其中R是毒性數(shù)據(jù)在序列中的位置,N是所獲得的毒性數(shù)據(jù)量。選擇其中4個(gè)累積概率接近0.05的屬, 用所選擇的屬平均急性毒性值和它們的累積概率根據(jù)相關(guān)公式[12]可計(jì)算出最終急性值(FAV), 基準(zhǔn)最大濃度CMC=FAV/2。CMC值被用來(lái)急性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。洱海微囊藻對(duì)沉水植物生長(zhǎng)的長(zhǎng)期影響非常顯著, 從保護(hù)沉水植物的角度出發(fā), 本研究選擇沉水植物無(wú)效應(yīng)濃度(NOEC)作為慢性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)終點(diǎn)。

最終急性效應(yīng)值(FAV, Final Acute Value)FAV需要至少來(lái)自3門(mén)8科物種的急性毒性數(shù)據(jù)(如水生動(dòng)物的LC50), 如果可以獲得足夠的數(shù)據(jù)且這些數(shù)據(jù)符合相關(guān)要求, 則計(jì)算出各自累計(jì)概率,再按Charles E. Stephen等[12]的方法計(jì)算。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)推導(dǎo)1998年USEPA正式出臺(tái)《生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指南》, 文中指出用風(fēng)險(xiǎn)商值一般評(píng)價(jià)步驟[12]:

①確定效應(yīng)評(píng)價(jià)終點(diǎn)值(EP)

效應(yīng)評(píng)價(jià)終點(diǎn)值, 對(duì)于急性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)選擇急性效應(yīng)濃度(CMC), 再除以不確定系數(shù)(UF)和修正系數(shù)(MF)。不確定系數(shù)一般為10—10000, USEPA推薦當(dāng)以水生生物急性毒性數(shù)據(jù)推導(dǎo)時(shí), UF可取10,修正系數(shù), 此處MF=1。對(duì)于慢性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)選擇最低NOEC濃度。它們分別反映急性風(fēng)險(xiǎn)程度和慢性風(fēng)險(xiǎn)程度, 即分別是急性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)EP=CMC/(UF×MF)和慢性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)EP=NOEC。

②計(jì)算環(huán)境暴露濃度(EC): 本研究中EC即為洱海水體浮游植物實(shí)際監(jiān)測(cè)值。

③計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)商值指數(shù)RQ: 本研究的RQ=EC/EP, 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中RQ值在0.1以下、0.1—1.0之間和1.0以上分別定義為低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)。

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

魚(yú)類和鉤蝦實(shí)驗(yàn)以實(shí)驗(yàn)終點(diǎn)時(shí)刻的死亡率為y軸, 藻密度對(duì)數(shù)為x軸, 在SPSS提供的曲線估計(jì)過(guò)程(Curve Estimation)進(jìn)行曲線擬合, 選出最佳的回歸模型來(lái)擬合, 再根據(jù)擬合公式反推中點(diǎn)效應(yīng)值,即該物種的LC50。沉水植物實(shí)驗(yàn)則以24d的鮮重增長(zhǎng)抑制率為y軸, 藻密度對(duì)數(shù)為x軸, 計(jì)算半效應(yīng)濃度(EC50), NOEC 值為經(jīng)Dunnett’sT檢驗(yàn)與對(duì)照組相比其生長(zhǎng)速率無(wú)顯著性差異 (P＞0.05) 的最高濃度[13]。

2 結(jié)果

2.1 微囊藻水華暴露下的水生生物L(fēng)C50 和NOEC值

本研究通過(guò)微囊藻水華暴露實(shí)驗(yàn)獲得的受試物種的LC50和NOEC 值, 以及文獻(xiàn)中報(bào)道的其他水生生物的微囊藻水華半效應(yīng)濃度值見(jiàn)表2。研究表明多數(shù)物種的效應(yīng)-劑量響應(yīng)關(guān)系較符合二次模型(Quadratic)擬合, 相關(guān)系數(shù)R2均大于0.85。結(jié)合本研究和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 浮游動(dòng)物的LC50普遍高于魚(yú)類, 可能是因?yàn)楦∮蝿?dòng)物在微囊藻存在的條件下產(chǎn)生了抵御機(jī)制, 如降低濾水率[14]。也可能是增強(qiáng)了對(duì)毒素的遺傳的抵抗性[15]。

圖1 微囊藻水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)路線Fig. 1 Illustration of an effective strategy for aquatic ecological risk assessment of Microcystis bloom

表2 受試物種急性和慢性效應(yīng)統(tǒng)計(jì)Tab. 2 Calculating the algal cell densities using TPR method

鉤蝦24hLC50為9.162×108cells/L, 為本研究中對(duì)微囊藻最為敏感的物種, 鯉魚(yú)、鯽魚(yú)對(duì)微囊藻的耐受性也略高于麥穗魚(yú)。

2.2 微囊藻水華的急性效應(yīng)值、慢性效應(yīng)值和無(wú)效應(yīng)濃度的推導(dǎo)

將表2中急性試驗(yàn)屬平均急性效應(yīng)值從高到低排列, 通過(guò)公式計(jì)算出最終急性效應(yīng)值(FAV)=6.744×108cells/L, 基準(zhǔn)最大濃度(CMC)=3.372×108cells/L。沉水植物深度設(shè)置是根據(jù)洱海實(shí)地調(diào)查, 取沉水植物在洱海分布的最常見(jiàn)水深, 代表洱海實(shí)際情況。對(duì)沉水植物各濃度鮮重增長(zhǎng)量進(jìn)行Dunnett’sT檢驗(yàn), 光葉眼子菜、微齒眼子菜、金魚(yú)藻和狐尾藻的無(wú)效應(yīng)濃度(NOEC)濃度分別為1.12×107、1.12×107、2.60×107和1.12×107cells/L。取最小值, 則沉水植物的NOEC濃度為1.12×107cells/L。因此, 從急性效應(yīng)考慮, 洱海水華CMC=3.372×108cells/L, 從長(zhǎng)期慢性效應(yīng)看, 洱海水華對(duì)沉水植物的NOEC=1.12×107cells/L。

2.3 根據(jù)效應(yīng)閾值的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

急性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià): 計(jì)算得EP≈3.4×107cells/L, 根據(jù)急性風(fēng)險(xiǎn)商值(RQ)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn), 當(dāng)環(huán)境暴露濃度即洱海水體藻密度在3.4×106cells/L以下、3.4×106—3.4×107cells/L、3.4×107cells/L以上時(shí)分別處于急性低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)水平。當(dāng)RQ=1時(shí), 洱海水體藻密度為3.4×107cells/L, 根據(jù)洱海實(shí)驗(yàn)?zāi)M得到的藻密度-透明度回歸模型(y=0.3506x2–6.7023x+32.128,R2=0.9968,x,y分別代表藻密度對(duì)數(shù)和透明度), 計(jì)算出此時(shí)洱海水體透明度(SD)≈1.5 m, 根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)定的藻密度-葉綠素a模型(y=0.0002e1.6607x,R2=0.9861,x,y分別代表藻密度對(duì)數(shù)和葉綠素a含量), 計(jì)算出此時(shí)Chl.a≈50.7 μg/L。

慢性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià), 計(jì)算得EP≈1.1×107cells/L, 根據(jù)慢性風(fēng)險(xiǎn)商值(RQ)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn), 當(dāng)環(huán)境暴露濃度即洱海水體藻密度在1.1×106cells/L以下、1.1×106—1.1×107cells/L和1.1×107cells/L以上時(shí)分別處于慢性低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)水平。同樣當(dāng)RQ=1時(shí),洱海水體藻密度為1.1×107cells/L, 計(jì)算出此時(shí)SD≈2.4 m, Chl.a≈18.7 μg/L。綜上所述, 藻濃度風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)見(jiàn)表3、表4。

表3 洱海水華急性風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)Tab. 3 The ecological risk of an acute toxicity based on cell density for Erhai Lake

表4 洱海水華慢性風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)Tab. 4 The ecological risk of a chronic toxicity based on cell density for Erhai Lake

微囊藻的形成和消亡通常需要一定的時(shí)間積累, 作為有害生物, 慢性影響較為突出, 且有報(bào)道洱海水華爆發(fā)持續(xù)時(shí)間一般較長(zhǎng), 如1996年持續(xù)半月余, 1998年持續(xù)達(dá)50d, 2013年超過(guò)一個(gè)月[9,18]。因此針對(duì)洱海, 采用慢性效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)更為適宜, 本研究建議以慢性風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理。

3 討論

3.1 評(píng)價(jià)方法的可行性分析

微囊藻水華的水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是通過(guò)對(duì)水生生物產(chǎn)生直接(如毒性)和間接(如降低透明度、溶氧)影響, 從而影響水生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu), 降低生物多樣性, 尤其是降低沉水植被蓋度, 導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換, 引起水生態(tài)系統(tǒng)退化。

水華對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)大小與水華藻種類、藻密度、水華蓋度、水華延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度、具體的水體狀況有關(guān)[19]。本研究?jī)H針對(duì)洱海微囊藻水華, 通過(guò)藻密度梯度和急慢性暴露實(shí)驗(yàn), 可以獲得與藻密度、水華延續(xù)時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)。而水華覆蓋面積比例, 則需要結(jié)合洱海的水環(huán)境條件進(jìn)行探討分析。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)有害生物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方法, Macleod等[20]建立以生物因子為起點(diǎn)的多指標(biāo)綜合評(píng)估法來(lái)評(píng)估外來(lái)有害生物,如美洲豚草(Ambrosia artemisiifoliaL)、松突圓蚧(Hemiberlesia pitysophilaTakagi)等, 評(píng)價(jià)指標(biāo)有有害生物的寄主范圍、擴(kuò)散能力、受威脅農(nóng)作物在當(dāng)?shù)氐闹匾?、處理的難易程度等。但多指標(biāo)綜合評(píng)估法中許多參數(shù)依賴專家經(jīng)驗(yàn)判斷分級(jí), 評(píng)價(jià)過(guò)程人為主觀因素較多, 可能影響獲得真實(shí)客觀的結(jié)論; 魏淑秋[21]通過(guò)農(nóng)業(yè)氣候相似距分析法預(yù)測(cè)有害生物的適生區(qū)來(lái)評(píng)估其風(fēng)險(xiǎn)程度, 如美國(guó)白蛾(Hyphantria cunea)、假高粱(Sorghum halepense)等,該方法根據(jù)氣候相似性原理, 以有害生物高發(fā)地為參照, 篩選出關(guān)鍵環(huán)境因子, 并與待評(píng)估區(qū)進(jìn)行相似距計(jì)算預(yù)測(cè)有害生物潛在分布區(qū)域, 從而評(píng)價(jià)其擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)。農(nóng)業(yè)氣候相似距分析法是用于評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)有害生物的擴(kuò)散定居風(fēng)險(xiǎn), 而本文的目標(biāo)是評(píng)價(jià)微囊藻水華對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的危害風(fēng)險(xiǎn), 因此該方法并不適合本研究。

為評(píng)價(jià)微囊藻密度的水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小, 本研究參照了生態(tài)毒理學(xué)中有毒化學(xué)品的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)思路和方法。雖然化學(xué)品的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是通過(guò)直接的生物毒性產(chǎn)生, 而微囊藻水華的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有直接的毒性效應(yīng)和間接效應(yīng), 但直接和間接效應(yīng)的最終結(jié)果都反映在生物的生長(zhǎng)抑制和死亡率上, 該方法能夠客觀量化洱海微囊藻對(duì)各營(yíng)養(yǎng)層級(jí)物種的影響程度, 且同時(shí)包含直接的毒性效應(yīng)和間接效應(yīng)(如降低溶解氧、光照等), 因此借鑒生態(tài)毒理學(xué)中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)思路是可行的。目前國(guó)際上普遍使用的推導(dǎo)水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)有3種, 即評(píng)價(jià)因子法、毒性百分?jǐn)?shù)排序法和物種敏感度分布法。評(píng)價(jià)因子法所需數(shù)據(jù)少, 計(jì)算簡(jiǎn)單易行, 但基準(zhǔn)值主要依賴于敏感物種, 有一定經(jīng)驗(yàn)成分; 毒性百分?jǐn)?shù)排序法和物種敏感度分布法能夠覆蓋更多受試生物的毒性數(shù)據(jù), 具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[22], 物種敏感度分布法操作過(guò)程中如果毒理數(shù)據(jù)不夠好, 則通過(guò)擬合得到方程所計(jì)算出來(lái)的水質(zhì)基準(zhǔn)會(huì)出現(xiàn)較大偏差[23]。而本研究受試生物包括底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物、魚(yú)類和沉水植物等各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物, 適合毒性百分?jǐn)?shù)排序法。且所選生物盡量取自洱海, 具有很強(qiáng)針對(duì)性,因而實(shí)驗(yàn)結(jié)果較符合洱海當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

本研究結(jié)果表明, 洱海微囊藻達(dá)到1.1×107cells/L開(kāi)始有慢性高風(fēng)險(xiǎn)。由于風(fēng)險(xiǎn)對(duì)象和保護(hù)目標(biāo)不同, 這與其他藍(lán)藻相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有一定差別, 比如Sulis等[24]從飲用水安全的角度出發(fā), 提出用藍(lán)藻細(xì)胞濃度1×108cells/L作為淡水水華風(fēng)險(xiǎn)閾值。加拿大衛(wèi)生組織從保護(hù)敏感人群(兒童)健康安全的角度制定娛樂(lè)用水限值為藍(lán)藻密度1×108cells/L[6]。美國(guó)華盛頓州對(duì)娛樂(lè)用水的規(guī)定是, 如果用藍(lán)藻細(xì)胞密度來(lái)衡量, 則采用WHO提出的1×108cells/L限值,但微囊藻和浮絲藻水華限值為2×107cells/L(見(jiàn)美國(guó)環(huán)保部網(wǎng)站: https://www.epa.gov/nutrient-policy-data/guidelines-and-recommendations#what1)。韓國(guó)政府對(duì)主要湖泊提出藻類預(yù)警系統(tǒng)(見(jiàn)韓國(guó)環(huán)保部政府網(wǎng)站: http://eng.me.go.kr/eng/web/index.do?menuId=279&findDepth=1), 規(guī)定藍(lán)綠藻密度達(dá)到5×105cells/L為藻類警示(Algae advisory), 達(dá)到5×106cells/L為藻類警報(bào)(Algae warning), 超過(guò)1×109cells/L為藻類爆發(fā)(Algae outbreak)。這些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是基于水功能用途, 從人類健康安全角度出發(fā)制定的, 而本研究的結(jié)果是以洱海水生態(tài)系統(tǒng)為保護(hù)目標(biāo)所確定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)閾值。

3.2 水華面積和持續(xù)時(shí)間的評(píng)價(jià)

顯然評(píng)價(jià)微囊藻水華的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn), 單純考慮藻密度是不夠的, 還需要考慮湖泊中水華的面積和水華持續(xù)的時(shí)間。而水華面積對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響大小難以通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析, 目前相關(guān)研究是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)確定。比如南京地理湖泊研究所劉聚濤等[19]研究確定的太湖藍(lán)藻水華災(zāi)情評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 將藍(lán)藻水華面積百分比(%)劃分為≤5、5—20、20—30、30—45、＞45, 分別對(duì)應(yīng)輕災(zāi)、中災(zāi)、重災(zāi)、極重災(zāi)、巨災(zāi)五個(gè)等級(jí)。本研究發(fā)現(xiàn)沉水植物的慢性效應(yīng)閾值較低, 即沉水植物對(duì)微囊藻水華比較敏感,因此以洱海沉水植被面積為參考確定微囊藻水華面積風(fēng)險(xiǎn)是合理的。歷史上, 20世紀(jì)70年代以前洱海沉水植物全湖覆蓋度超過(guò)40%, 20世紀(jì)80年代到90年代覆蓋度在30%左右波動(dòng), 目前分布區(qū)面積僅占8%[25]。洱海水華發(fā)生時(shí), 水華藻類在風(fēng)浪的作用下易在湖濱帶聚集, 而此區(qū)域也正是沉水植被分布的區(qū)域。本研究組通過(guò)遙感影像反演洱海近30年葉綠素a分布發(fā)現(xiàn)(數(shù)據(jù)未發(fā)表), 全年水華(Chl.a＞20 μg/L)面積≤2%的年份極少, 而1996年之前并無(wú)水華發(fā)生的報(bào)道, 因此可推測(cè)水華面積≤2%產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)很低。以目前洱海僅存的沉水植物覆蓋度8%為保護(hù)目標(biāo), 將水華面積百分比(%)劃分為≤2、2—8、＞8三級(jí), 分別對(duì)應(yīng)低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)考慮急性效應(yīng)時(shí), 底棲動(dòng)物鉤蝦的閾值較低, 在進(jìn)行急性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)成為需要受先保護(hù)的物種。鉤蝦為營(yíng)底棲生活物種, 多分布在入湖口、出湖口和湖濱帶等餌料豐盈、空間異質(zhì)性高的地區(qū)[26]。根據(jù)洱海全湖調(diào)查估算該類型區(qū)域約占全湖面積的7.3%, 與沉水植物覆蓋度差別不大,因而急性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)保護(hù)面積目標(biāo)基本與慢性評(píng)價(jià)一致。

洱海水華持續(xù)時(shí)間可長(zhǎng)可短, 有報(bào)道的能長(zhǎng)達(dá)50d之久[18]。水華持續(xù)時(shí)間與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系, 也可借鑒生態(tài)毒理學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估思路劃分為短期水華(急性)和長(zhǎng)期水華(慢性)來(lái)進(jìn)行評(píng)估。急性和慢性暴露效應(yīng)結(jié)果是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要依據(jù)。Calow等[27]在水生態(tài)毒理學(xué)研究中, 將暴露期分為急性、亞急性和慢性三類, 并列舉部分物種(虹鱒(Oncorhynchus mykiss)、肥頭鯉(Pimephales promelas))急性暴露期是≤7d。Timbrell 等[28]認(rèn)為, 亞慢性試驗(yàn)指動(dòng)物暴露時(shí)間較為延長(zhǎng)的試驗(yàn), 通常28d或30d, 慢性試驗(yàn)指將動(dòng)物暴露時(shí)間延長(zhǎng)至12月—2年(嚙齒類)或6—16月(非嚙齒類)的試驗(yàn)。考慮到水華持續(xù)時(shí)間不可能超過(guò)一年, 因此可以考慮將持續(xù)時(shí)間≤7d的水華進(jìn)行急性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估, 超過(guò)7d的水華進(jìn)行慢性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。綜合微囊藻水華密度、面積和持續(xù)時(shí)間, 制定洱海微囊藻水華水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5、表6。進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷時(shí), 3個(gè)條件需同時(shí)滿足。

表6 洱海微囊藻水華慢性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表Tab. 6 Chronic ecological risk assessment of Microcystis bloom in Erhai Lake

3.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在洱海微囊藻水華上的應(yīng)用

洱海水華持續(xù)時(shí)間一般較長(zhǎng), 但也有少數(shù)年份水華持續(xù)時(shí)間較短[18], 因此大部分洱海微囊藻水華應(yīng)參考慢性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)本研究確定的微囊藻慢性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)洱海發(fā)生的幾次微囊藻水華進(jìn)行評(píng)價(jià)。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道2009年7月暴發(fā)微囊藻水華, 藻密度達(dá)到2.08×107cells/L, 為慢性高風(fēng)險(xiǎn)閾值的1.9倍[29];2013年9—10月份洱海浮游植物豐度均值為1.3×107cells/L, 優(yōu)勢(shì)種為微囊藻屬[9], 達(dá)到慢性高風(fēng)險(xiǎn)閾值; 2015年11月份浮游植物密度達(dá)到3×107cells/L, 優(yōu)勢(shì)種為微囊藻屬, 為慢性高風(fēng)險(xiǎn)閾值的2.7倍[30]。近年來(lái), 微囊藻屬成為洱海水華的優(yōu)勢(shì)種屬, 適用于本研究評(píng)估體系。

水華面積缺乏常年監(jiān)測(cè)資料, 僅能通過(guò)有限的遙感影像推測(cè), 本研究組通過(guò)遙感影像反演了洱海近30年葉綠素a分布(未發(fā)表內(nèi)容), 以Chl.a＞20 μg/L判定為微囊藻水華, 反演結(jié)果表明2009、2013、2015年水華面積百分比＞8%。據(jù)當(dāng)?shù)乇O(jiān)測(cè)部門(mén)反映以上藍(lán)藻水華持續(xù)時(shí)間超過(guò)7天。綜合藻密度、面積、持續(xù)時(shí)間, 2009、2013、2015年等洱海微囊藻水華均達(dá)到慢性高風(fēng)險(xiǎn)水平。洱海自20世紀(jì)90年代以來(lái)多次暴發(fā)大規(guī)模藍(lán)藻水華, 藻密度的增高導(dǎo)致水體透明度從20世紀(jì)80年代4m降低到2009年的1.6 m[25], 從而引起沉水植被退化, 沉水植被蓋度由2004年的40%降低至2009年的8%左右[25]。洱海水生態(tài)系統(tǒng)退化現(xiàn)象證實(shí)本研究的水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)符合實(shí)際情況。

4 結(jié)論