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Environment

科学家争论治理有毒藻华的最佳方法

减少磷污染使得湖水重新洁净,但一些专家呼吁同時要减少氮污染

by Janet Pelley,C&EN 特刊
March 21, 2016 | APPEARED IN VOLUME 94, ISSUE 12

 

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Credit: 图片由 Richard Stumpf 提供
从这张卫星图像可以看到,蓝藻菌淤塞了 92 公里宽的伊利湖。

问题要追溯到 2014 年春天的俄亥俄州托莱多市,猛烈的暴风雨使大量营养物质猛然灌入伊利湖。到了夏季末时,大量的蓝绿藻类(又称为蓝藻菌)使该市的饮水系统陷入瘫痪

农田径流和温暖平静的夏季水体为藻类提供了养料,使它们布满湖面,并开始慢慢地向水中释放毒素。最常见的一种毒素是微囊藻素,达到了 2.5 µg/L 的水平,超过了世界卫生组织 (WHO) 规定的 1 µg/L 安全限值。托莱多市每年花费 3 百万到 4 百万美金对供水进行处理。

“有害的赤潮是我们在全球范围内需要面对的最严重的水质问题之一。”渥太华大学水域生态学家 Diane Orihel 说道。由此导致的昂贵的水处理、物业的贬值、以及鱼类资源的减少,使美国每年遭受 20 亿美元的经济损失。“由于蓝藻菌能够制造大脑和肝脏毒素,因此有牲畜、宠物和人类因为这些藻类灾害患病甚至死亡的案例,”她说道。

北卡罗莱纳大学教堂山分校的水生生态学家 Hans Paerl 博士说道,蓝藻菌经过 30 亿年的进化,已经成为湖水和河水中的光照和养份的强大竞争者。而今天的环境条件—更温暖的气候加上被营养物质污染的水体—使蓝藻菌取得前所未有的统治地位。最近的一项研究发现,加拿大每个省的湖泊中都含有超过 WHO 指标的微囊藻素(Can. J. Fish. Aquat. Sci. 2012, DOI: 10.1139/f2012-088)。而美国地质调查局今年称,科学家发现美国东南部有 39% 的溪流存在高于 3.2 µg/L 的微囊藻素(Environ. Toxicol. Chem. 2016, DOI: 10.1002/etc.3391)。

科学家和监管部门一直在试图攻克这个难题,他们呼吁减少磷污染,因为磷是有毒藻类的首选养份。但研究者们注意到,在一些受到污染的湖泊中—例如中国的太湖,磷养份对于蓝藻菌已经绰绰有余,以至于蓝藻菌的生长是受制于另一种较为稀缺的最佳养份—氮。所以一些科学家现在提出了争议,建议治理藻类灾害应同时控制氮和磷。

藻类要茁壮成长所需的氮是磷的 10 到 40 倍。一般来讲,当氮磷比率较低时,微生物生长主要受氮的限制,而氮磷比较高时,生长率主要由磷控制。但水质管理者们试图从生态系统的角度控制藻华时,这些看似简单的规则却变得更复杂、更难运用。

磷模型

疯狂争食
Credit: 改编自 Environ. Microbiol. 2016, DOI:10.1111/1462-2920.13035
湖水接收过量的氮(黑色)和磷(橙色)时,营养物质会在藻类、湖水、空气和沉积物中循环,不断在湖中累积。

亚伯达大学的水生生态学家 David Schindler 博士说道,20 世纪 60 年代时越来越多的湖泊变成淡绿色,但研究者对造成藻类过度生长的原因各执一词。清洁剂行业首推的理论认为,藻类灾害是碳而不是磷造成的。该理论的依据是一些短期的实验:科学家将湖水舀到瓶中,加入碳,随后观察藻类的繁殖情况。

“但一个瓶子跟一个湖泊不一样,而几天的时间也不等于一整个夏季。”威斯康辛大学麦迪逊分校的水生生态学家 Stephen Carpenter 说道。他解释道,尽管短期试验能告诉我们在一小段时间内哪种养份会限制生长,但并不能反映整个生态系统的复杂且长期的动态。

20 世纪 70 年代中期,Schindler 终结了碳理论。他和他的同事向安大略实验湖泊区中的一整片湖泊加入磷和氮。 尽管碳水平很低,这片湖泊还是被藻类染成了绿色。在另一片沙漏形状的湖泊中,研究者在湖泊中间最窄处修建了一个障碍物,将湖泊分成两半。他们向两半湖水中都加入了碳和氮,但只在其中一半加入了磷。加磷的这一边是绿色,充满浮渣的湖水,而没有加磷的这一边是蓝色清澈的湖水,这幅对比鲜明的照片说服了全世界的监管者禁止在清洁剂中使用磷酸盐,并减少污水厂的磷排放。

Schindler 解释说,当科学家在湖中加入磷时,藻类会在春季大量地生长并发展成为藻华,当中以硅藻和其他水生甲壳动物喜欢食用的藻类为主。但随着藻华继续发展,藻类消耗掉湖水中所有溶解的无机氮,变成所谓的“受限于氮”。

所以,从仲夏到早秋,蓝藻菌由于能够从大气中提取气态氮并将其转化成更有用的分子形式,蔓延开来控制了湖泊。事实上,科学家不赞同通过控制氮来治理藻类灾害,并指出蓝藻菌能够“固氮”,以此来支持他们的观点。他们说,固氮微生物永远不会真正受限于氮。

无论是哪种情况,随着寒冷天气的到来,藻类会死亡,而其残留物则会沉到湖底,使沉积物富营养化。

到了春天,沉积物释放出储存的磷,而随着农田径流等外部输入的到来,开始了第二年的新一轮藻类孳生。年复一年,湖水积累了大量的磷、氮和碳,在沉积物和藻类之间反复循环。

今天,随着污染导致的过量磷元素流入湖泊,这些水体可能看起来像是受氮元素限制的。然而,控磷呼吁者指出,五大湖区和许多欧洲湖泊的个案研究显示,停止增加磷元素后,湖泊能够恢复清澈,这说明湖水实际上是受磷限制的。

双养份控制

Credit: Hans Paerl
中国的太湖磷富营养化十分严重,以至藻类受到氮素限制。

但一些科学家仍然认为控磷不是最终的解决方案。

“我们应该考虑同时控制湖水中的氮和磷,因为淡水生态系统是与沿海水域相连的,而沿海水域通常是受氮限制的。” 犹他州立大学的水生生态学家 Wayne Wurtsbaugh 表示。盐水的化学构成导致沿海水域中的磷比氮要丰富得多。在富含铁元素的淡水中,磷会与铁结合,形成藻类无法吸收利用的磷酸亚铁矿物质。但在盐水系统中,铁能够与许多盐基硫化物发生反应,因此与氮相比,盐水中的藻类更容易从中获得磷。

Paerl 说,只要向这些沿海水系中增加氮—无论是来自农田径流还是来自空气—都会导致藻华爆发。他对北卡罗来纳州纽斯河的研究表明,尽管含磷清洁剂的取缔和污水厂的磷控制已经改善了该流域上游淡水河段的水质,但下游沿海水域中氮水平的上升仍然造成了令人头疼的藻类灾害(Environ. Sci. Technol. 2004, DOI: 10.1021/es0352350)。

从墨西哥湾到中国的长江三角洲,科学家已经记录了全球沿海地区由于氮元素造成的藻华爆发,Paerl 说道。

欧盟的《水框架指令》给出了用于保护沿海水域的磷和氮养份的限值。但一些专家称,双养份控制同样可能对淡水湖起作用。在过去的一些研究中,科学家控制了 20 片淡水湖中的养份含量,Wurtsbaugh 对这些研究进行了仔细考察。他发现仅富含磷或仅富含氮的湖泊,其藻类生物量增加了两倍到三倍。但当研究者令湖水同时富含磷和氮时,藻类的产量激增了 10 倍。研究结果提示,磷和氮对于藻类生长具有协同作用,他说。

“太湖中生长的主要是蓝藻菌,而蓝藻菌不能固氮,因此它们需要外来的氮素输入,”Paerl 说道。向太湖输入城市和农田废水的流域,支持着中国大约 11% 的经济。当 Paerl 和他的团队向悬浮在湖水中的围隔生态系统—底部封闭的玻璃纤维圆罐—中加入不同量的养份时,同时加入磷和氮时藻类生长最为迅猛(PLOS One 2014, DOI: 10.1371/journal.pone.0113123)。Paerl 及其中国同事说服了当地官员同时减少湖水的磷和氮输入,直到沉积物中储存的养份完全耗尽。

“但要除掉氮元素并不容易,因为氮化合物非常易溶,而且在废水处理厂中不像磷那样容易沉淀,”Paerl 说道。要从废水中除掉氮,需要让水流过一些特殊的细菌,这些细菌能够俘获氮元素,并将其分离转化成其他形式。

时间和空间至关重要

虽然不同的科学阵营—那些支持单独磷控制的学者们和那些支持磷氮双重控制的学者们—仍在争论不休,另一些科学家则采取了中立的态度。“如果我们能够深入考虑时间和空间尺度的重要性,就会发现关于限制性养份的争论其实是可以一致相容的,”明尼苏达大学德鲁斯分校的水生生态学家和五大湖观测站主任 Robert Sterner 说道。

认为磷是限制性养份的研究者通常以一年的时间尺度和十年的时间尺度来考察湖水中磷元素起重要作用的各个过程。而认为氮是控制性因素的科学家则考察一些短期的事件,例如夏末突然爆发的藻华规模非常大,以至于消耗掉了大部分可用的氮素,导致其现在受到氮养份的限制。

越来越多的研究显示,氮含量的增加会影响藻华中蓝藻菌物种的组成,使得它们更具毒性,Sterner 说道。其他研究显示,系统中氮元素的量在控制藻华生物量方面只起次要作用。但市政部门在污水除磷氮项目上可能会踌躇不前,因为其成本可能达到单独除磷的四到八倍。“此外,现在的科学水平还无法预测减少一定量的氮会带来怎样的好处,”Sterner 説。

“我们对营养物质已经有那么多了不起的研究,可是到了 2016 年我们还在争论藻类生长到底是由什么限制的,这简直不可思议,” Sterner 説。但争论会依然持续,直到进行一次长期的、覆盖整片湖泊的实验,就像 20 世纪 70 年代 Schindler 做的那次只增加氮而不增加磷的实验,他说道。

新的应对策略

像加拿大的很多草原湖泊和水库一样,亚伯达的那卡门湖磷含量高,而铁含量低。因此渥太华大学的磷控制倡导者 Orihel 想知道,向湖水中加入铁是不是能够通过生成磷酸亚铁来锁住水中的磷。

Orihel 和她的团队用铁元素对那卡门湖中的底部开放的围隔生态系统进行了富营养化,这种处理方法将开放水域中的磷浓度减少了 56-72%,抑制了蓝藻菌藻华,甚至将微囊藻素的浓度控制在水质指标以内。“但这并不是解决所有问题的灵丹妙药;这种方法必须与减少营养物污染相结合,”Orihel 说。

加入铁元素来捕获磷的方法,可能对小型且水量较少的湖泊有效,但对于伊利湖这样的大型水体来说,则既不可行也不实惠。为了保护伊利湖周围居民的健康,研究者开发了一套新的藻华预报和跟踪系统。这个系统的季节性预报模型主要依赖于农田营养物径流的测量。“该模型说明,尽管氮元素能够从一定程度上解释藻华的规模,但磷才是藻华最好的预测指标,”北卡罗来纳州立大学的环境工程师 Daniel R. Obenour 博士说道。该周度跟踪系统采用样本数据、蓝藻菌生长模型以及卫星数据来预测伊利湖上的藻华的规模和位置。

美国和加拿大最近达成协议,将流入伊利湖的磷输入减少 40%。即便伊利湖的治理目标强调磷的作用而忽视了氮的作用,控制农田磷流失的最佳治理方法—例如改善施肥水平以及种植能够吸收营养物质的植物缓冲区—将对减少磷和氮两种物质的排放都有积极的影响,Obenour 说道。

但如果只关注限氮,治理方法将会花费昂贵而且很难实现,因为这可能意味着要改变或减少农作物生产。“我们知道氮是可以控制的。”Obenour 说道,“但我们还没确定水质的改善是否值得花费这么大的成本。”

 

蓝藻毒素简介

蓝藻毒素比眼睛蛇毒更致命,其毒性之强足以用作武器。蓝藻毒素以多种形式存在,科学家正致力对其进行分析。美国地质调查局的化学研究员 Keith Loftin 指出:“我们需要合适的工具来识别这些毒素,这样我们才能知道我们的干预性治理是否正在改善水质。”

当 Loftin 的团队面对一片藻华时,研究者提取了水样,然后对样品进行了快速的筛选试验,以确定水中有哪些类型的毒素。“诸如酶联免疫吸附测定 (ELISA) 这样的试验相对来说快速、易于使用、经济。”他说。

通过筛选过程确定样品中有哪些种类的毒素后,科学家们转而采用三重四极杆质谱来精确测定找到的毒素。“我们有很好的毒素识别工具,但现在缺少的是质谱法需要用到的标准参考毒素,因为这些毒素价格昂贵,而且很难合成,”Loftin 说道。目前,他不得不自己制定这些毒素的参考标准。

▶ 北美的研究者研究藻华时,他们遇到的最常见的蓝藻毒素是微囊藻素,这是一种大型环肽,含有七种能够变换的氨基酸(下图显示的是其中一种含有赖氨酸和精氨酸的微囊毒素)。一些研究者将这种结构与多肽抗生素短杆菌肽进行了比较。微囊藻素是由蓝藻菌和许多其他物种产生的。如果被动物摄入,微囊藻素会造成肝组织内出血,导致迅速死亡。而长期暴露在该毒素下会增加肝脏和肠道肿瘤的危险。

▶ 比微囊藻素小得多的 类毒素-A是一种双环乙胺生物碱,具有与可卡因类似的结构。这是一种神经毒素,能够导致呼吸系统快速衰竭,是一种作用非常迅速的死亡因子。

▶ 许多类型的蓝藻菌都能产生 柱孢藻毒素,这是一种生物碱毒素,具有一套非常复杂的杂环系统。这种毒素的靶点是肝脏和肾脏。可造成呕吐、血便以及肝肾损伤等症状。和其它所有蓝藻毒素一样,柱孢藻毒素的生物累积是在淡水食物网中形成的。

蛤蚌毒素 是一种钠离子通道阻断剂,极为致命,以至于美国曾经考虑过用其制作化学武器。这种毒素能够使呼吸系统瘫痪,几分钟之内就能杀死受害者。Francis Gary Powers 曾是美军 U-2 侦察机的飞行员,1960 年他的飞机被前苏联击落,但他没有使用随身携带的小剂量蛤蚌毒素,这本来是为他落入敌手时用作自杀的。

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