基于藻类生长潜力与物种敏感性分布的氮磷阈值研究及其在水华控制中的意义

《Water Cycle》：Algal Growth Potential Based Nitrogen and Phosphorus Criteria for Bloom Control

　　本研究针对水体富营养化导致水华暴发的生态与健康风险，提出了一种基于藻类生长潜力（AGP）和物种敏感性分布（SSD）的创新方法，推导出更严格的氮（N，0.204 mg/L）和磷（P，0.006 mg/L）水质基准，为受再生水补给的城市湖泊水质管理提供了科学依据。

　　

随着城市化进程加快和污水处理水平提高，再生水已成为中国许多城市水体的重要补给来源。然而，再生水中富含的氮（N）和磷（P）等营养物质极易引发水体富营养化，导致藻类大量繁殖形成水华，不仅破坏水生生态系统平衡，还会产生藻毒素，对人类健康构成威胁。因此，建立科学合理的氮磷水质基准对于有效管理水资源、控制水华暴发至关重要。

目前，国际上制定湖泊营养物基准的主要方法依赖于确定参考状态，但由于普遍污染，大多数水体难以找到未受干扰的参考条件，使得这种方法在实际应用中面临巨大挑战。欧洲和美国虽已发布相关技术指南，中国也在“水污染控制与治理科技重大专项”支持下制定了《湖泊营养物基准制定技术指南》，但现有方法多基于统计学、沉积物反演或模型模拟，未能直接从藻类生长需求角度推导基准值。

为此，发表在《Water Cycle》上的这项研究开创性地提出了一种基于藻类生长潜力分析的新方法，旨在从理论推导出防止水华形成所需的最低氮磷阈值。研究人员首先从文献中收集了56起国内水华事件，筛选出23种优势藻种，包括10种蓝藻（Cyanophyta）、8种绿藻（Chlorophyta）和5种硅藻（Bacillariophyta），并依据其在水华事件中的出现频率为每种藻种赋予“水华权重”。通过藻类生长潜力实验，在模拟夏季常见环境条件（温度24±2°C，光照强度4000 lux，光暗比14:10）下培养这些藻种，测定其最大氮、磷产率系数（Yield Coefficient）。根据公认的水华临界水平（10⁵ cell/mL）换算成吸光度值（OD₆₈₀ = 0.032），计算出每种藻种生长至水华水平所需的理论氮、磷阈值。最后，采用物种敏感性分布（Species Sensitivity Distribution, SSD）分析，拟合藻种敏感度分布曲线，取保护95%藻种不受水华影响的5%危害浓度（HC5）作为最终的氮磷基准值。

研究过程中，关键技术方法包括：1) 水华事件文献调研与优势藻种筛选，建立基于出现频率的权重分配系统；2) 藻类生长潜力（AGP）实验，使用改良的mBG11和mCSI培养基，设置氮、磷浓度梯度，测定藻类在限制性营养条件下的生长响应；3) 生物量测定，采用光密度法（OD₆₈₀）作为跨物种可比的总生物量指标；4) 产率系数计算，基于生物量增长与营养消耗的关系；5) 物种敏感性分布（SSD）模型拟合，使用Boltzmann模型推导保护性基准。

3.1. 优势藻种及其在水华中的出现频率

研究发现，蓝藻在水华中出现频率最高，其次是绿藻和硅藻。铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）、水华鱼腥藻（Anabaena flos-aquae）和伪鱼腥藻（Pseudanabaena sp.）是出现频率最高的三种藻种，其水华权重分别为21.89%、4.16%和12.48%，表明它们在富营养化水体中更具竞争优势和暴发潜力。

3.2. 藻种的氮磷产率系数

氮、磷产率系数反映了藻类利用营养盐的效率。结果显示，蓝藻和绿藻的产率系数显著高于硅藻。铜绿微囊藻、颤藻（Oscillatoria sp.）、色球藻（Chroococcus sp.）和弓形藻（Schroederia setigera）具有较高的氮产率系数；而水华鱼腥藻、铜绿微囊藻、四尾栅藻（Scenedesmus quadricauda）和弓形藻则表现出较高的磷产率系数。有趣的是，部分混合藻种的产率系数甚至高于任何单一藻种，暗示种间相互作用可能促进整体生长。

3.3. 水华临界水平与藻种的氮磷阈值

研究采用10⁵ cell/mL作为水华临界水平，并将其转化为加权平均吸光度值OD₆₈₀ = 0.032。通过将临界生物量水平除以各藻种的产率系数，得到每种藻种的理论氮、磷阈值。分析表明，氮、磷阈值之间存在正相关关系，意味着对氮需求高的藻种对磷的需求也高。更重要的是，蓝藻（如铜绿微囊藻）的阈值较低，这与它们在实际水华中出现频率高的观测一致，表明它们在营养盐限制条件下更容易达到水华水平。

3.3.2. 氮磷基准

通过SSD分析拟合敏感性分布曲线，最终推导出氮和磷的基准值分别为0.204 mg/L和0.006 mg/L。这些值显著低于欧美指南和中国既往研究提出的基准，更为严格。例如，欧盟部分研究仅给出了磷阈值（通常较高），而本研究得出的磷基准0.006 mg/L意味着要防止95%的潜在水华优势藻种暴发，水体中的磷浓度必须控制在这一极低水平。

本研究建立的基于藻类生长潜力和物种敏感性分布的氮磷基准推导方法，跳出了传统参考状态法的局限，直接从藻类生理生态需求出发，为水质标准制定提供了新的科学框架。推导出的基准值（N: 0.204 mg/L, P: 0.006 mg/L）更为严格，旨在确保95%的优势水华藻种在常见环境条件下不会生长至水华水平。尽管该方法在优势藻种选择、纯种与混合种培养差异以及培养条件统一性方面可能存在一定不确定性，但它为不同区域，特别是受再生水补给、氮磷浓度较高的城市湖泊的水质管理提供了普适性较强的理论参考。未来研究可进一步纳入区域特异性藻种和环境因子，对基准进行优化，使其更贴合实际管理需求。总之，该研究不仅为水华控制提供了关键的科学依据，也为水质基准的制定方法学带来了重要创新。