3D-EEMs揭示了在南北调水项目中两种主要硅藻对溶解有机物的不同贡献，以及臭氧在控制化学需氧量（COD）中的作用

《Journal of Hydrology》：3D-EEMs reveals differential DOM contributions of two dominant diatoms in the South-to-North Water Diversion Project and ozone-mediated COD Mn control

南水北调工程中两种硅藻对溶解有机物（DOM）的贡献及臭氧调控效果研究。采用新型三维荧光激发-发射矩阵光谱（3D-EEMs）分析方法，揭示Cyclotella meneghiniana和Fragilaria nanana在不同生长阶段对DOM组分（蛋白-like、微生物副产物-like）的贡献差异，发现后者DOM释放量是前者的13.25倍（对数生长期）。臭氧处理可在1.5分钟内将CODMn降至国家标准以下，并有效抑制藻类再生。

　　

王琼|毕磊|刘景章|李月|唐文忠|张红|宋茂勇

中国科学院生态环境科学研究院环境纳米技术与健康效应重点实验室，北京100085，中国

摘要

世界上最大的调水工程——南水北调工程（SNWD）最近检测到高浓度的高锰酸盐指数（COD_Mn > 2 mg/L），引发了严重的担忧。先前的研究表明，硅藻的大量繁殖与COD_Mn 的升高之间存在显著相关性。然而，不同优势硅藻物种对溶解有机物（DOM）的影响仍不清楚，亟需开展研究以寻找安全有效的措施来解决COD_Mn 升高的问题。本研究采用了一种新型的三维荧光激发-发射矩阵光谱（3D-EEMs）数据分析方法，研究了 Cyclotella meneghiniana 和 Fragilaria nanana 对SNWD工程中DOM的贡献差异。结果表明，这两种硅藻在所有生长阶段都对蛋白质类和微生物副产物类DOM成分有显著贡献，合计占比超过90%。值得注意的是，在相同的细胞密度下，F. nanana 产生的DOM量比 C. meneghiniana 多（例如，在对数生长期高出13.25倍）。这一发现揭示了针对SNWD主渠道中优势藻类的物种特异性控制策略对于确保水质的重要性。此外，我们还证明了臭氧处理不仅能在1.5分钟内将硅藻产生的DOM和COD_Mn 降至标准水平，还能有效消除藻类并防止COD_Mn 的再次升高。本研究揭示了这两种优势硅藻在SNWD工程中的不同贡献，并同时展示了臭氧处理在调节COD_Mn 方面的有效性。

引言

南水北调工程（SNWD）是世界上最大的跨流域调水系统，每年从长江输送2.5×10¹¹ m³的水资源，惠及2亿人（南水北调工程建设委员会办公室和国务院，2016年；Tang等人，2014年；Wang等人，2022年；Zhu等人，2021年）。由于中线渠道的孤立基础设施、低营养水平和水流引起的混合作用（Fan等人，2022年；Liang等人，2017年；Sun等人，2023年），硅藻大量繁殖（10⁸-10⁹ 个细胞/L）持续发生（Xu等人，2021年；Zhang等人，2021年）。这些硅藻繁殖导致高锰酸盐指数（COD_Mn）显著升高，甚至超过了国家标准（>2 mg/L）（Jing等人，2022年；Li等人，2024年；Wang等人，2022年）。这进而增加了沿渠道水厂的制水成本，并对饮用水质量的稳定性构成了威胁（Bayram等人，2014年；Lu等人，2024年；Nong等人，2020年）。虽然藻类产生的溶解有机物（DOM）是COD_Mn 波动的主要驱动因素（Wang等人，2022年），但硅藻生长对DOM成分动态的影响及其相应的控制策略仍知之甚少（Bao等人，2023年；Chen等人，2016年；Du等人，2025年；Feng和Dong，2016年）。

在SNWD工程中，C. meneghiniana 和 F. nanana 是常见的硅藻物种（Lin，2017年；Xia等人，2020年）。C. meneghiniana 作为SNWD中线渠道中的优势物种（Xia等人，2020年），其DOM释放特性已被广泛研究（Xia等人，2019年），使其成为研究工程水系统中硅藻驱动的碳循环的典型模型。相比之下，F. nanana 尽管在SNWD工程中的研究较少，但在汉江（Lin，2017年；Zhang等人，2021年）、丹江口水库（Wang等人，2016年）和SNWD工程河南段（Chen，2022年）等饮用水源中经常占据优势。其高脂质含量（66.3%）可能表明其具有独特的DOM生产潜力（Xu等人，2025年），填补了工程水系统中丝状硅藻生态生理学的关键知识空白。

三维荧光激发-发射矩阵光谱（3D-EEMs）因能够高效、经济且准确地识别和分类水中的DOM成分而在DOM成分研究中得到广泛应用（Chen等人，2003年；Sanchez等人，2014年；Wang等人，2025年）。根据3D-EEMs的光谱特征，水中的DOM可以分为蛋白质类、腐殖质类和微生物副产物类成分（Feng等人，2016b）。尽管许多研究使用3D-EEMs研究了实验室培养的硅藻中的DOM动态（Alexander等人，2022年；Dashkova等人，2016年），但不同硅藻物种及其在SNWD工程主渠道中的生长阶段对DOM成分变化的影响仍是一个重要的研究空白。传统的3D-EEMs分析方法通常仅显示DOM成分的百分比变化（Guo等人，2014年；Wang等人，2022年），无法显示每个DOM成分的绝对差异和变化模式。因此，开发一种新的3D-EEMs数据分析方法，从全新的角度揭示这些差异，对于制定有效策略以降低该关键调水系统中的COD_Mn 水平至关重要。

作为一种广泛采用的预氧化技术，臭氧处理在抑制藻类繁殖和控制有机污染物方面显示出显著效果（Qi等人，2016年；Yan等人，2024年）。然而，最新研究表明，臭氧和羟基自由基会破坏藻细胞完整性，导致细胞失活并释放细胞内有机物（IOM）（Liu等人，2024年；Xie等人，2013年）。因此，臭氧处理对COD_Mn 和溶解有机碳（DOC）的影响较为复杂。此外，现有研究主要集中在臭氧处理对蓝藻繁殖的影响上（Cui等人，2025年；Huang等人，2025年；Mao等人，2024年；Xie等人，2013年）。然而，关于臭氧处理对像 C. meneghiniana 和 F. nanana 这类硅藻的影响（它们的细胞壁成分与蓝藻完全不同，具有更强的耐腐蚀性，Coral等人，2013年；Xie等人，2013年；Xu等人，2025年），以及处理前后硅藻产生的DOM的变化，目前了解甚少。这种数据缺失阻碍了针对SNWD工程中硅藻繁殖的臭氧剂量优化。

本研究开发了一种新的3D-EEMs数据分析方法，该方法基于不规则扇形图建立了定量可视化框架，以分离优势硅藻物种对DOM的贡献。通过使用扇形角表示DOM成分的相对比例，并利用扇形面积量化每个单元细胞的荧光强度，该方法能够同时可视化 C. meneghiniana 和 F. nanana 在不同生长阶段的成分变化和释放强度。基于这种3D-EEMs数据分析方法，本研究首次比较了这两种生态上重要的硅藻物种在SNWD工程中的DOM释放特性。此外，还为臭氧介导的COD_Mn 和 DOC 控制提供了初步证据。这些发现将为确保SNWD工程的水质安全奠定重要的理论基础和实践方法。

材料与试剂

Cyclotella meneghiniana（FACHB-2594）和 Fragilaria nanana（FACHB-2851）购自中国科学院水生生物研究所（武汉，中国）。CSI培养基购自中国科学院水生生物研究所（武汉，中国）。预制管试剂（25156000-CN）购自HACH有限公司（中国）。

微藻培养

实验用水按照CSI培养基配制，总磷浓度为0.01 mg/L，总...

硅藻生长阶段的DOM和DOC动态

图1展示了 C. meneghiniana（a-c）和 F. nanana（g-i）在三个生长阶段（对数生长期、稳定期和衰退期）的3D-EEMs光谱。相应阶段的DOM成分分布分别显示在图1d-f和图1j-l中。扇形角表示DOM不同成分的标准化比例（红色字体），扇形面积表示在相同细胞计数下的DOM相对积分值（黑色字体）。3D-EEMs参数的变化...

结论

基于这种新的3D-EEMs数据分析方法，本研究首次系统地研究了优势硅藻物种（C. meneghiniana 和 F. nanana）对南水北调工程（SNWD）中DOM的贡献。值得注意的是，整个生长阶段中 F. nanana 产生的DOM量均高于 C. meneghiniana。DOC和DOM动态之间的一致趋势验证了我们关于DOM结论的可靠性。

CRediT作者贡献声明

王琼：撰写——初稿、方法论、研究、数据分析。毕磊：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论、研究、概念化。刘景章：方法论、数据分析。李月：方法论、数据分析。唐文忠：撰写——审稿与编辑。张红：撰写——审稿与编辑。宋茂勇：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2022YFC3703700）、国家自然科学基金（22125606）、中国南水北调集团有限公司研究项目（编号NSBDZX/SH/KY/2022-001）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB0750300）以及中国科学院青年科学基础研究项目（编号YSBR-086）的支持。