随着经济的快速发展，水体的富营养化现象日益严重，导致蓝藻大量繁殖，从而产生藻毒素，严重威胁人体健康^[1]. 其中微囊藻毒素(microcystins，MCs)属于出现频率最高、 造成危害最严重的蓝藻毒素，MCs中最常见的是MC-LR、 MC-RR和MC-YR，三者中以MC-LR的急性毒性最强^[2]. 因此，WHO和我国卫生部分别于1998年《饮用水卫生基准》(增补版)和2006年《生活饮用水卫生标准》规定了饮用水中MC-LR的浓度限值为1 μg ·L^{-1 [3,4]}. 水体中的氮、 磷是蓝藻大量繁殖的诱导因素，目前我国《地表水环境质量标准》(3838-2002) 中确定了湖泊、 水库中TN、 TP的标准限值，未提及Chl-a^[5]. 但Chl-a是水体中浮游植物生物量的一个综合指标，不仅可以从一定程度上反映水体的富营养情况，而且能够动态反映藻类的生长情况^[6]. 因此，Chl-a阈值的研究与确定对保护水体健康和饮用水安全有非常重要的作用.

目前，关于Chl-a限定值的研究较少，且主要集中在Chl-a参照状态值中，如郑丙辉等^[7]利用频率分析法得出太湖Chl-a参照状态值； Huo等^[8]利用频率分析法、 多元线性回归法及经验模型估算法确定了东部浅水湖泊Chl-a参照状态值的范围. 张家瑞等^[9]利用主成分聚类分析和多元线性回归方法得出白洋淀水域水华暴发的Chl-a临界值. 前人研究表明，Chl-a与MCs之间有较好的相关性^{[10, 11, 12]}. 鉴于此，通过分析MCs与Chl-a的关系来研究Chl-a阈值具有一定的可行性.

太湖是我国第三大淡水湖泊，是无锡、 苏州及上海等地的重要饮用水源地^[13]. 但自2007年以来，太湖蓝藻大量繁殖，其作为饮用水源地的功能受到威胁^[14]. 以往研究表明，太湖富营养化指标的阈值对于保护太湖水体健康和水源地水体安全具有极其重要的作用^[15]. 因此，本研究通过系统调查太湖水体中3种常见MCs(MC-LR、 MC-RR和MC-YR)的浓度分布，分析MCs与富营养指标的相关性，通过分析MCs的标准限值及其与Chl-a的关系进一步研究确定Chl-a的阈值，以期为太湖饮用水源地富营养化管理和防治提供理论基础，保障其水体安全. 1 材料与方法 1.1 采样点和水样采集

根据太湖水功能分区及水质情况将太湖分为6个区域，共布设具有代表性的22个点位，分别为M：梅梁湖(1,2,3)，G：贡湖(4,5,6)，X：西湖区(7,8,9)、 N：南湖区(10,11,12)、 U：胥湖(14,15,17)、 H：湖心区(13,16,18,19,20,21,22)，采样点分布如图 1所示. 2013年5~10月每月采用湖中地物结合GPS定位法进行样品采集，每次采集距水面下0.5 m处水样，样品采集完毕后立即送回实验室，待测.

图 1

Fig. 1

图 1 太湖湖区类型与监测点分布示意 Fig. 1 Distribution of Taihu Lake regions and monitoring sites

仪器：0.45 μm GF/C滤膜； 溶剂抽滤装置(1000 mL,天津津腾)； 超声细胞粉碎机(SCIENTZ，JY 92-11)； 固相萃取装置(SUPELCO VisiprepTM)带真空泵； 涡旋混合仪(XW-80A)； 冷冻离心机(湘仪 H1850R)； 固相萃取柱(Waters OasisHLB DCHP,20 μm,2.1 mm×30 mm)； 针头过滤器(25 mmAcrodisc GHP 0.2 μm，Pull,USA)； HLB固相萃取柱(Waters,500 mg,6 mL)； 氮气吹干仪(N-EVAP^TM112)； 色谱柱(ACQUITY UPLCBEH C₁₈,1.7 μm,2.1 mm×50 mm)； 固相萃取/超高效液相色谱/串联四极杆质谱系统(美国Waters公司)； MasslynxTM^4.1工作站.

试剂：MC-RR、 MC-YR、 MC-LR(≥95%，ALEXIS)； 乙酸(分析纯)，屈臣氏蒸馏水； 甲醇(色谱纯，TEDIA)； 三氟乙酸(TFA，色谱纯，Dikmapure)； 丙酮和正己烷(J.T.Baker，USA)； 乙腈和甲醇(MREDA，USA)； 氨水(北京北化精细化学品有限公司)； 甲酸(Dikma，USA). 1.2.2 胞外微囊藻毒素的测定方法

参照文献^[16]的在线固相萃取超高效液相色谱串联质谱法进行胞外微囊藻毒素的测定，流动相条件如表 1所示，其中A、 B、 C分别为2%的氨水,0.5%的甲酸溶液和乙腈，D为甲醇 ∶丙酮 ∶正己烷=1 ∶1 ∶1的溶液. A1为0.1%的甲酸溶液，B1为乙腈.

表 1(Table 1)

表 1 测定3种胞外溶解性MCs的色谱条件 Table 1 Chromatography condition of measuring three extracellular MCs 四元泵(quaternary pump) 二元泵(binary pump) 时间 /min 流速 /mL·min-1 A /% B /% C /% D /% 时间 /min 流速 /mL·min-1 A1 /% B1 /% 0 2 100 0 0 0 0 0.25 95 5 0.5 2 0 95 5 0 3.8 0.01 95 5 3.8 0.01 0 95 5 0 4.1 0.25 95 5 4.1 2 0 0 0 100 7.0 0.25 5 95 7.0 2 100 0 0 0 9.0 0.25 5 95 9.5 0.25 95 5 11.0 0.25 95 5

表 1 测定3种胞外溶解性MCs的色谱条件 Table 1 Chromatography condition of measuring three extracellular MCs

取0.5~2 L的水样通过0.45 μm GF/C滤膜过滤，取出过滤后的滤膜在-20℃下冷冻24 h，解冻后加5%的乙酸溶液超声破碎，在8000 r ·min^-1下离心3~5次，将收集的上清液通过活化的HLB小柱富集，用20 mL 10%和10 mL 20%的甲醇溶液淋洗，再用10 mL含有0.1%TFA的90%甲醇洗脱，氮吹至干后用50%的甲醇定容至1 mL，最后用超高效液相色谱/串联四极杆质谱系统分析. 进样量为10 μL，流速：0.25 mL ·min^-1. 色谱检测为梯度洗脱，流动相A和B分别为0.1%甲酸水溶液和乙腈，其洗脱条件为0 min：80%A+20%B,3 min：40%A+60%B,3.5 min：10%A+90%B,4 min：80%A+20%B. 1.3 其它指标的测定方法

透明度(SD)采用赛氏盘法测定； 高锰酸盐指数采用酸性高锰酸钾滴定法； TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，NH₄⁺-N采用纳氏试剂分光光度法，NO₃^--N采用紫外分光光度法； TP过硫酸钾消解分光光度法，PO₄^3--P采用分光光度法； Chl-a浓度采用丙酮萃取分光光度法，测定均按照文献^[17]进行. 1.4 统计方法

所有数据在Excel中进行计算并建立数据库，采用SPSS 16.0对水质数据进行Spearman相关性分析，采用Origin对数据进行绘图分析. 2 结果与讨论 2.1 太湖水体中不同形态MCs的分布

太湖不同区域MC-LR、 MC-RR和MC-YR的浓度分布见图 2. 从中可以看出，太湖水体中不同形态的MCs分布不一致. MC-LR、 MC-RR和MCs平均浓度的空间分布特征表现为：梅梁湾＞贡湖湾、 西部沿岸区＞湖心区＞胥湖区、 南部湖区. 而MC-YR平均浓度的空间分布特征表现为梅梁湾＞西部沿岸区、 贡湖＞湖心区、 胥湖区、 南部湖区. 整个太湖以MC-LR浓度最高，以MC-YR的浓度最低.

图 2

Fig. 2

图 2 太湖不同区域MC-LR、 MC-RR和MC-YR的浓度分布 Fig. 2 Concentration distribution of MC-LR,MC-RR and MC-YR in different regions of Lake Taihu

太湖梅梁湾的MCs浓度高,3种MCs的异构体浓度都超出WHO的标准值(1 μg ·L^-1)，其中10月的3种MCs异构体的浓度总和最高达到了264.55 μg ·L^-1. 究其原因：梅梁湾靠近经济发达的无锡市，污水排放量较大，营养盐浓度较高，导致藻类大量繁殖； 此外，太湖常年以东南风为主，梅梁湾位于太湖西北区，藻类和MCs容易受风向、 风浪的影响^[18,19]，从而使藻类在梅梁湾聚集，造成该区域MCs浓度较大. 东北区的贡湖是无锡市主要饮用水源地，其MC-LR、 MC-RR的浓度超出了1 μg ·L^-1，尤其是夏秋季受蓝藻影响较大MCs的浓度增高，给当地居民带来很大危害. 湖西区的MCs危害较轻，但急性毒性最强的MC-LR平均浓度为1.66 μg ·L^-1. 作为饮用水源地的南湖区、 胥湖的MCs浓度较小，其水体从MCs的角度来看是相对安全的. 结合历年研究可知，太湖湖心区水质较好^[20]，但其MCs浓度相对南湖和胥湖区较高. 究其原因：首先，藻细胞暴露于高光照条件下可促进MCs的合成^[21,22]，而湖心区风浪较大，藻细胞在水表面的位置经常变化，致使藻细胞各个方位都可暴露于高辐射强度的照射下，有利于微囊藻毒素合成； 其次，湖心区北部靠近MCs浓度高的梅梁湾及贡湖区域，这也是造成湖心区MCs浓度较高的原因之一. 2.2 MCs与富营养指标的关系

氮、 磷是藻类生长的必需营养元素，也是造成湖泊富营养化的关键因素^[23,24]. 氮、 磷浓度的过度增高会导致浮游藻类大量生长，从而增加水体中MCs的含量，SD和Chl-a是水体富营养化的响应变量^[6]，高锰酸盐指数表征了水体的有机污染程度，因此本研究分析了太湖水体中MCs与以上富营养指标的相关性.

太湖水体中各种MCs与富营养指标的相关性分析结果如表 2所示：MC-LR、 MC-RR、 MC-YR及MCs均与高锰酸盐指数、 TN、 TP、 Chl-a呈极显著正相关性(P＜0.01). 其中与TP的相关性系数较高，这主要是由于整个太湖近年来处于磷限制状态^[25]，磷是限制藻类生长以及MCs浓度的主控因子所引起的. 与Chl-a的相关性系数也很高(R＞0.85)，这与Sakai等^[26]在太湖的研究结果相符合. 此外，从表 2还可以看出，Chl-a与高锰酸盐指数、 TN、 TP也呈极显著正相关性(P＜0.01). 因此，在太湖中Chl-a起到一个纽带性作用，不仅能反映水体的富营养状态，还能从一定程度上综合表征太湖水体中MCs的多少，可以在太湖建立MCs与Chl-a的关系.

表 2(Table 2)

表 2 MCs与富营养指标的相关性分析 Table 2 Correlation analysis between microcystins and eutrophication factors SD 高锰酸 盐指数 TN NH+4-N NO3--N TP PO43--P Chl-a MC-LR MC-RR MC-YR MCs SD 1 高锰酸盐指数 -0.293** 1 TN 0.222* -0.06 1 NH4+-N 0.038 0.133 0.196 1 NO3--N 0.136 -0.531** 0.583** -0.107 1 TP -0.165 0.687** 0.384** 0.096 -0.203 1 PO43--P -0.261* 0.497** 0.020** 0.254* -0.110 0.340** 1 Chl-a 0.132 0.704** 0.380** 0.166 -0.194 0.948** 0.365** 1 MC-LR -0.062 0.541** 0.422** -0.045 -0.103 0.951** 0.090 0.868** 1 MC-RR -0.059 0.531** 0.427** -0.051 -0.093 0.941** 0.071 0.856** 0.998** 1 MC-YR -0.078 0.580** 0.423** 0.034 -0.126 0.973** 0.173 0.910** 0.990** 0.983** 1 MCs -0.062 0.540** 0.424** -0.043 -0.101 0.950** 0.088 0.867** 1.000** 0.999** 0.989** 1 1)*表示P＜0.05，**表示P＜0.01，MCs为MC-LR、 MC-RR及MC-YR的总和

表 2 MCs与富营养指标的相关性分析 Table 2 Correlation analysis between microcystins and eutrophication factors

MCs具有强烈的促肝癌、 皮肤癌和大肠癌作用，危害人体健康^[1]. 因此，在WHO对MC-LR浓度进行限定的基础上，不同国家及国际组织指出了饮用水中针对不同人群的MC-LR和MCs的浓度限值：其中对成人的标准限值分别为0.32 μg ·L^-1和0.88 μg ·L^-1，对儿童分别是0.11 μg ·L^-1和0.29 μg ·L^{-1 [27]}. 由于水体中的MCs很难用传统的方法有效去除^[28,29]，因此，本研究通过饮用水中对成人和儿童MC-LR和MCs的标准限值分析太湖的Chl-a阈值，从而保障水源地水体安全和人体健康. 2.3.1 基于MC-LR的Chl-a阈值分析

从上述分析可知，太湖水体中MC-LR与Chl-a呈极显著正相关性，相关性系数R为0.868. 而且在太湖中，Chl-a能从一定程度上反映水体的营养盐浓度及有机污染程度. 因此通过MC-LR的限值及其与Chl-a的关系来研究太湖水体中Chl-a的阈值具有一定的科学性和可行性.

太湖水体不同月份不同点位MC-LR的浓度差异大，因此，对MC-LR与Chl-a的浓度进行对数线性回归(图 3)，方程为lg(MC-LR)=1.618 lg(Chl-a)－2.74. 以饮用水中MC-LR对成人和儿童的最高允许含量0.32 μg ·L^-1和0.11 μg ·L^-1进行分析，其对应的Chl-a浓度限值分别为24.41 mg ·m^-3和12.26 mg ·m^-3.

图 3

Fig. 3

图 3 MC-LR与Chl-a的关系 Fig. 3 Relationship between MC-LR and Chl-a

不同国家及国际组织规定了饮用水体中MC-LR和MCs浓度的相关标准限值，但是针对太湖水体中其它常见的异构体MC-RR和MC-YR的限值没有相关规定. 然而MC-RR和MC-YR的毒性和浓度也不容忽略，而且相关性分析表明它们与Chl-a呈极显著正相关性(P＜0.01). 因此，本研究通过分析太湖水体中MC-LR、 MC-RR和MC-YR的总和MCs与Chl-a的关系，探讨了Chl-a的阈值.

对MCs与Chl-a的浓度进行对数线性回归(图 4)，方程为lg(MCs)=1.641lg(Chl-a)－2.567. 然而Otten等^[20]对太湖2009~2010年夏季MCs与Chl-a之间关系的研究得出：MCs=0.01021＋0.07965(Chl-a)，与本研究结果所得结果lg(MCs)=1.641lg(Chl-a)－2.567有所差异. 其主要原因是Otten等的研究集中在6、 7月，而本研究还包括秋季的数据，相对夏季来说，秋季随着藻类的衰老死亡，大量胞内藻毒素释放进入水体，使得水体中的胞外MCs浓度增大，但胞外MCs会被微生物降解，在光照、 腐殖质或色素存在的情况下会产生光降解，因此，本研究所得MCs与Chl-a的相关性表达式的斜率相对较低.

图 4

Fig. 4

图 4 MCs与Chl-a的关系 Fig. 4 Relationship between MCs and Chl-a

将饮用水中MCs对成人和儿童的最高允许含量0.88 μg ·L^-1、 0.29 μg ·L^-1代入方程lg(MCs)=1.641lg(Chl-a)－2.567进行分析，对应的Chl-a浓度分别为33.92mg ·m^-3和17.25mg ·m^-3.

因此，通过基于太湖水体中MC-LR和MCs的Chl-a水平分析得出，太湖水体安全控制标准中Chl-a的阈值范围为12.26~17.25mg ·m^-3. Chl-a的阈值属于轻富营养状态，从湖泊水体的安全性来分析，太湖处于“一般安全”水平，虽然能保障太湖的生态环境，但要预防其水质恶化. 从作为饮用水源的可用性来分析，基于风险最小化原则，太湖饮用水源地安全控制标准中Chl-a的阈值应为12.26 mg ·m^-3，不仅起到一个标准限定的作用，而且通过Chl-a阈值的控制可以减轻饮用水源地的水进入水厂的后续处理压力. 2.3.3 太湖与美国湖泊Chl-a阈值的比较分析

我国缺乏对湖泊水体Chl-a标准阈值的研究，但美国EPA对湖泊、 水库水体营养物标准的研究较为成熟，而且部分州还明确规定了Chl-a的标准限值^[30]. 在美国明确规定Chl-a标准限值的各个州中北卡罗来纳州与中国太湖流域的气候、 地形特征较为相似，因此，将太湖与美国北卡罗来纳州湖泊的Chl-a阈值进行比较.

如表 3所示，本研究得出的太湖Chl-a阈值与北卡罗来纳州湖泊相比较为严格. 主要由于本研究分析的是胞内和胞外MCs之和与Chl-a的关系，是考虑胞内MCs释放以后对水体危害最大情况下的Chl-a阈值； 此外，太湖是一个以饮用水为主的湖泊，相对北卡罗来纳州的湖泊来说，其Chl-a阈值较为严格是合理的.

表 3(Table 3)

表 3 太湖与北卡罗来纳州湖泊的Chl-a阈值比较 Table 3 Comparison of the thresholds of Chl-a between Lake Taihu and the Lake in the State of North Carolina 湖泊 湖泊面积/km2 Chl-a阈值/mg·m-3 中国太湖 2338 ＜12.26 北卡罗来纳州湖泊 ≥0.04 ＜15

表 3 太湖与北卡罗来纳州湖泊的Chl-a阈值比较 Table 3 Comparison of the thresholds of Chl-a between Lake Taihu and the Lake in the State of North Carolina

(1)太湖水体中MCs的污染较为严重，并以MC-LR浓度最高，以MC-YR的浓度最低. 对于MC-LR、 MC-RR、 MC-YR和MCs，其空间分布特征基本表现为：梅梁湾＞贡湖、 西部沿岸区＞湖心区＞胥湖区、 南部湖区.

(2)太湖水体中MC-LR、 MC-RR、 MC-YR及MCs均与高锰酸盐指数、 TN、 TP、 Chl-a呈极显著正相关(P＜0.01)，Chl-a与高锰酸盐指数、 TN、 TP也呈极显著正相关性(P＜0.01).

(3) 对MC-LR、 MCs与Chl-a进行线性回归，方程分别为：lg(MC-LR)=1.618lg(Chl-a)－2.74和lg(MCs)=1.641lg(Chl-a)－2.567，以饮用水中MC-LR和MCs的标准值为依据，得出太湖饮用水源地安全控制标准中Chl-a的阈值为12.26 mg ·m^-3.

(4)太湖Chl-a阈值与美国北卡罗来纳州湖泊的Chl-a标准值相比，是属于考虑最大风险的安全限值，能为太湖饮用水源地中MCs的控制提供依据，保障太湖水体安全，并对太湖流域其它湖泊的水体安全同样有借鉴意义.