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饮用水的嗅味异常是导致消费者质疑用水安全的主要原因之一。这类问题在许多国家都非常普遍，并且引起了广泛的环境和生态关注[1-8]。水库水源作为最为重要的饮用水供水来源，嗅味异常背后的污染问题严重威胁城镇的供水安全。饮用水嗅味问题的根源通常与水源中的藻类有关[9-10]。例如，一些蓝藻和放线菌的代谢产物会引起土臭味、霉味，如2-甲基异莰醇和土臭素普遍存在于各大供水系统中[11-17]。除土臭味、霉味外，近年来国内外也爆发了数十起水源地鱼腥味事件[18-21]。有研究表明，鱼腥味通常与硅藻、绿藻、隐藻和甲藻的生长代谢有关[22-23]。藻类细胞除可以分泌饱和醛类化合物(如正己醛、庚醛、壬醛)外，还通常含有大量的不饱和脂肪酸。不饱和脂肪酸在环境中可以转化为富含嗅味的不饱和醛衍生物(如2,4-庚二烯醛、2,4-癸二烯醛、2,4,7-癸三烯醛和2,6-壬二烯醛)[24-27]。近年来报道的饮用水嗅味问题中大约41%为土臭味、霉味，36%为沼泽味、化粪池味[28]，鱼腥味类型的藻源性嗅味问题罕有出现。因此，与土臭味、霉味相比，引起鱼腥味的藻类和嗅味物质尚未明确，相关信息和研究仍非常有限[29]。红升水库曾在2016年短暂出现了水源地嗅味(以鱼腥味为主)问题，至今来源不清，无法采取有效措施预防和解决该类嗅味问题。为探索引起鱼腥味的藻类与嗅味物质，研究团队进行了为期8个月的环境调查，以跟踪2021年3—10月期间水源水嗅味特征、强度和藻类数量的变化。本研究采用嗅味层次分析法描述水样中10种潜在藻类代谢物(正己醛、庚醛、壬醛、癸醛、2-辛烯醛、2,6-壬二烯醛、2,4-庚二烯醛、2,4-癸二烯醛、苯甲醛和β-环柠檬醛)的嗅味特征和强度。本研究将为更好地为解释藻源性鱼腥味问题提供数据参考。
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本研究于2021年3—10月进行。红升水库为蓄水型水库，库容3 100×104 m3，日供水量约1.95×104 t，供应人口约8×104，水源由富尔江引水工程和旧门电站跨流域调水汇入。研究人员于调查期间每月开展1次覆盖10个地点的全面采样。单次每处使用500 mL的棕色玻璃瓶采集相同的样品3份，分别用于感官评估、藻类分析和气味定量，共计30份，且采样位置均在水面以下5 m处。在1号瓶中加入5 mL Lugol’s溶液用于固定藻类(藻类分析)，在2号瓶中加入10 mL HgCl2用于检测气味(气味定量)。所有样品均储存在冷藏保温箱中，于2 h内送往实验室。红升水库基本水质参数见表1。
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12种嗅味标准参考物质相关信息见表2(纯度>95%)。其中包括2种萜类化合物(2-甲基异莰醇、土臭味素)和10种醛(正己醛、庚醛、壬醛、癸醛、苯甲醛、2-辛烯醛、β-环柠檬醛、2,4-庚二烯醛、2,6-壬二烯醛和2,4-癸二烯醛)，均从Sigma Aldrich公司(美国)采购。嗅味定量分析所需分析级NaCl、KI、HgCl2和Na2SO4购自国药集体化学试剂有限公司。超纯水(18.2MΩ cm)由Milli-Q净化系统生产。
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FPA(flavor profile analysis)用于描述嗅味特征[30]，使用1~12的7个点标度来描述样本的嗅味强度(1为嗅味阈值，2~4为弱嗅味强度，6~8为中等嗅味强度，10~12为强烈嗅味强度)。在评估过程中，每项测试都由至少4名合格的专家组成员进行。使用不同质量浓度的嗅味标准样提醒测试人员注意嗅味组，并对每批样品进行评级[31-34]。待评价样品在水浴中保持在45 ℃，其中设置1个空白组，由标记为无气味的试剂水组成。在收到水样后立即进行评估，保证评估的时效性和准确性[35]。每位测试人员分别对嗅味类型和强度进行评估，取平均值作为最终评估结果[36]。
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使用顶空固相微萃取结合气相色谱/质谱(Gas chromatograohy-mass spectrometry)法对包括土味素(Geosmin)、2-甲基异莰醇(2-Methylisoborneol)、正己醛、庚醛、壬醛、癸醛、苯甲醛、2-辛烯醛、β-环柠檬醛、2,4-庚二烯醛、2,6-壬二烯醛和2,4-癸二烯醛在内的潜在嗅味物质进行定量分析[37-38]。将固相微萃取纤维插入装有水样的小瓶顶部空间中(65 ℃，30 min)，并持续搅拌水样后，将纤维收回并直接插入GC-MS的进样器中，对嗅味物质进行热脱附(250 ℃，2 min)。GC温度程序：最初(40 ℃，2 min)，然后以(8 ℃·min−1)编程至(240 ℃·min−1)后保持2 min。系统在选择性离子监测模式下进行定量操作[39-41]。12种标准品的校准曲线线性良好，回归系数高(R2>0.99)。
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使用显微镜(BX 51 Olympus，日本)在20倍物镜下，用1 mm浮游植物计数箱(1801-G20，美国Wildco公司)进行藻类分类和细胞计数。高细胞密度的样品直接进行显微计数。细胞密度较低的样品，在100 mL水样中加入Lugol’s溶液，自然沉淀24 h后倾倒上清液，收集底部的浓缩藻液10 mL，重复操作10次，完成预浓缩。收集3份1 mL浓缩样品进行计数[42-44]。根据形态学观察，将藻类分为属或种。
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主成分分析法(principal component analysis)用于分析主要嗅味物质及对应贡献值。相关性分析帮助发现在嗅味问题出现期间检测到的嗅味物质与藻类之间的关联程度[45]。PCA将各种嗅味物质和藻类转化为新的变量和主成分，并通过线性回归分析保证变量和主成分是正交和非相关的[46-48]。PCA和所有数据的统计处理均使用SPSS 26.0软件进行。
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2021年3—10月，红升水库的嗅味问题持续了约8个月，水样FPA评价情况见表3。由表3可见，10个采样点的水样嗅味类型为鱼腥味混合土臭味、霉味。由于土臭味、霉味强度较弱(FPA<4)，且产生土臭味、霉味的原因在以往的研究中可归因于蓝藻和放线菌的代谢产物导致，因此不对土臭味、霉味问题做更为深入的研究。选取4个重要采样点进行分析，采样点1位于水库西南处的荷花池附近，采样点2位于水域流速最低处，采样点3位于水源汇入处，采样点4靠近取水构筑物。如图1所示，重要采样点的水体鱼腥味嗅味强度均在研究期间呈现先升高后降低的趋势，且均在8月前后出现峰值。
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如图2所示，在采集到的水样中共检测到11种藻类，包含4种硅藻(星杆藻属(Asterionella sp.)、小环藻属(Cyclotella sp.)、针杆藻属(Synedra sp.)和平板藻属(Tabellaria sp.))，2种绿藻((衣藻属(Chlamydomonas sp.)、实球藻属(Pandorina sp.))，2种蓝藻(螺旋藻属(Sporoides sp.)、类颤藻属(Oscillarioides sp.))，1种裸藻(裸藻属)(Euglena sp.)，1种隐藻(隐藻属) (Cryptomomas sp.)，1种甲藻(多甲藻属)(Peridinium sp.)。其中星杆藻属和小环藻属最为丰富。为避免因局部因素出现较大偏差，采用10个采样点同期样品的均值描述对应的藻生物量。水库内的藻生物总量于7月20日达到峰值，为1.38×107细胞·mL−1。有研究[49-50]表明，星杆藻属和小环藻属可以在细胞破裂后分泌不饱和醛衍生物，如2-辛烯醛，2,4-辛二烯醛等鱼腥味嗅味物质，由于缺乏标准物质，本研究未对其进行分析。截至2022年5月仍没有相关证据表明平板藻属和针杆藻属与鱼腥味嗅味物质关联。因此，本研究重点关注星杆藻属和小环藻属与鱼腥味嗅味物质之间的关系。
2021年5月9日，取样点4检测到的星杆藻属、小环藻属最高密度分别为5.58×105细胞·mL−1和5.18×105 细胞·mL−1。该位置位于水库的取水构筑物附近，即水厂中可能存在星杆藻属和小环藻属。星杆藻属和小环藻属可以在低温(4~15 ℃)和低光照条件下生长，即使是在冬季冰封期，水库也有可能出现嗅味问题[51]。通过分析4号取样点水样的嗅味强度和藻类细胞密度的变化，发现尽管嗅味强度和细胞密度之间存在时间滞后现象，但均表现出相似的变化趋势。
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如表2所示，在水样中检测到12种嗅味标准参考物质中的8种，其中2种萜类化合物(2-MIB、GSM)和6种醛类化合物(庚醛、壬醛、癸醛、2,4-庚二烯醛、2,6-壬二烯醛、2,4-癸二烯醛)。因嗅味类型不属于鱼腥味，排除β-环柠檬醛和苯甲醛。如图3所示，2-MIB、GSM嗅味类型为土腥味、霉味，最高质量浓度出现在7—8月，约为其嗅阈值(Olfactory coefficient)的1.3倍和3.3倍。在检测到的6种醛类化合物中，庚醛、壬醛、癸醛、2,4-庚二烯醛、2,6-壬二烯醛、2,4-癸二烯醛均具有鱼腥味。其中2,4-庚二烯醛的质量浓度最高，为23.04 μg·L−1，约为OTC值(4.5 μg·L−1)的3倍；庚醛的最高质量浓度为17.24 μg·L−1，约为OTC(3.0 μg·L−1)的5.7倍；壬醛的最高质量浓度为0.34 μg·L−1，略高于OTC(0.3 μg·L−1)；癸醛的最高质量浓度约为OTC(3.0 μg·L−1)的2.4倍。虽然2,6-壬二烯醛的峰值质量浓度为其OTC(0.08 μg·L−1)的1.5倍，但该物质仅具有青草、黄瓜气味。因此除2,6-壬二烯醛外，剩下的5醛都可能与本研究中的鱼腥味有关。
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由表4中主成分分析(PCA)结果可见，庚醛对鱼腥味贡献最大，占比61.091%；壬醛次之，占比23.51%；癸醛占比10.72%。合计高达95.32%。
同时，采用相关性分析揭示藻类物种与6种潜在藻类代谢物之间的关系[52-54]。由图4可知，小环藻属、星杆藻属与庚醛和2,4-癸二烯醛的关系密切，壬醛、2,6-壬二烯醛和2,4-庚二烯醛与衣藻属和实球藻属密切相关。其中壬醛、2,4-庚二烯醛、庚醛和2,4-癸二烯醛均是具有鱼腥味的嗅味物质。癸醛的最高质量浓度可达其OTC的2.4倍，对鱼腥味的贡献不可忽视，占比高达21.23%，但并未发现癸醛与检测到的11种藻类具有相关性，无法就癸醛来源做出解释。此问题具有后续开展相关研究的价值。
如表5所示，庚醛质量浓度与小环藻属和星杆藻属的密度显著相关(r>0.9)，庚醛可能由小环藻属和星杆藻属分泌产生；同样的，壬醛质量浓度与衣藻属和实球藻属相关性也较高(r>0.65)，壬醛可能由衣藻属和实球藻属分泌产生。从图5中可以看出8月28日后壬醛质量浓度仍具有上升趋势，说明其它藻类物种也有产生壬醛的可能性。该问题在本研究中尚未得到准确的解释，后续情况有待深入调查研究。
因此，研究判断庚醛和2,4-癸二烯醛(可能是硅藻的代谢物)以及壬醛、2,4-庚二烯醛(可能是绿藻的代谢物)是导致鱼腥味嗅味问题发生的主要原因。值得注意的是，尽管隐藻属、裸藻属和多甲藻属的细胞密度明显低于硅藻和绿藻，但其对鱼腥味的贡献不能完全忽视。
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1)此次红升水库水源的嗅味问题为鱼腥味混合土臭味、霉味。检测到8种嗅味物质(2种萜类化合物(2-MIB、GSM)、6种醛类化合物(庚醛、壬醛、癸醛、2,4-庚二烯醛、2,6-壬二烯醛、2,4-癸二烯醛)和11种藻类。
2)硅藻类群中的星杆藻属最为丰富，峰值为5.58×105 细胞·mL−1，小环藻属次之，峰值为5.18×105 细胞·mL−1。
3) PCA结果表明，在检测到的6种醛中，庚醛、2,4-癸二烯醛(可能是硅藻的代谢物)、壬醛、2,4-庚二烯醛(可能是绿藻的代谢物)与本研究中的鱼腥味问题有关，庚醛的贡献值最大(61.091%)，壬醛次之(23.51%)。癸醛对鱼腥味的贡献为10.72%，但无法解释其来源。
4)蓝藻是已知藻类中唯一可产生2-MIB和GSM的藻类，红升水库的土臭味、霉味问题主要是由库区蓝藻数量异常增长所引起的。鱼腥味问题则是源于库区螺旋藻属、类颤藻属、星杆藻属、小环藻属、衣藻属和实球藻属的大量增殖。
红升水库藻源性嗅味问题解析
Analysis of algae-derived odor problem in Hongsheng Reservoir
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摘要: 2021年红升水库出现了一次严重的饮用水嗅味问题，结合同期的水样采集和分析，对嗅味特征、嗅味物质和藻类等主要参数进行了系统调查。采用嗅味层次分析法(FPA)对嗅味类型和强度进行了评估，并参考主成分(PCA)和相关性分析结果对藻类和嗅味物质进行关联。在藻类物种中，绿藻和硅藻最为丰富，占比分别为43.6%和29.1%。其中，星杆藻属密度最大(5.58×105 细胞·mL−1)。检测到土臭素(GSM)、2-甲基异莰醇(2-MIB)、庚醛、壬醛、癸醛、2,4-庚二烯醛、2,6-壬二烯醛、2,4-癸二烯醛等8种嗅味物质。根据FPA分析，红升水库饮用水嗅味为强烈的鱼腥味伴随轻微的土臭味、霉味，2种嗅味强度最高值均出现在水库西南侧的荷花池附近。PCA分析结果表明，饱和醛(庚醛、壬醛和癸醛)是产生鱼腥味的主要嗅味物质，但不饱和醛的影响仍不可忽略。庚醛和2,4-癸二烯醛可能与硅藻中星杆藻属和小环藻属的生长代谢有关，而壬醛、2,4-庚二烯醛和2,6-壬二烯醛则可能是绿藻中衣藻属和实球藻属的代谢产物。研究结果表明，蓝藻的暴发是红升水库出现土臭味、霉味的主要原因，而更为严重的鱼腥味问题则是由水中的螺旋藻属、类颤藻属、星杆藻属、小环藻属、衣藻属和实球藻属的大量繁殖引起的。Abstract: A serious drinking water odor problem occurred in 2021 at Hongsheng Reservoir, and the main parameters such as odor characteristics, odor substances and algae were systematically investigated in combination with the water sample collection and analysis during the same period. The odor hierarchy analysis (FPA) was used to assess the type and intensity of odor, and the algae and odorant substances were correlated with reference to results of principal component (PCA) and correlation analysis. Among the algal species, green algae and diatoms were the most abundant, accounting for 43.6% and 29.1%, respectively. Among them, the greatest density (5.58×105 cell·mL−1) occurred in the genus Starry rod algae. Eight olfactory substances, including earth odorant (GSM), 2-methylisobornyl (2-MIB), heptanal, nonanal, decanal, 2,4-heptadienal, 2,6-nonadienal and 2,4-decadienal, were detected. According to the FPA analysis, the drinking water odor of Hongsheng Reservoir was a strong fishy odor accompanied by a slight earthy and musty odor, and the highest intensities of both odors occurred near the Lotus pond on the southwest side of the reservoir. PCA results showed that saturated aldehydes (heptanal, nonanal and decanal) were the main odor substances that produced fishy odors, but the influence of unsaturated aldehydes was still not negligible. Heptanal and 2,4-decadienal could be associated with the growth metabolism of the diatom genera Stellaria and Chlorella, while nonanal, 2,4-heptadienal and 2,6-nonadienal could be the metabolites of the green algae genera Chlamydomonas and Solidococcus. Cyanobacteria are the only algae known to produce 2-MIB and GSM, and cyanobacterial outbreaks were the main cause of earthy/moldy odor in water at Hongsheng Reservoir. More serious fishy odor problem in Hong Sheng Reservoir could be caused by the abnormal growth of Spirulina, Chlamydomonas, Chlamydomonas, Chlamydomonas, and Chlorella in the water.
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Key words:
- drinking water /
- fishy odor /
- saturated aldehyde /
- odor characterization /
- principal component analysis
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图 1 重要采样点的嗅味强度(鱼腥味)
Figure 1. Odor intensity (fishy smell) at important sampling points
图 3 主要嗅味物质质量浓度变化，与对应标准嗅阈值的标准偏差
Figure 3. Changes in mass concentration of main odor substances, SD with respect to the corresponding standard olfactory thresholds
图 5 典型贡献嗅味物质质量浓度与相关藻类数量变化
Figure 5. Changes in typical odor contributing substance concentration and the associated algal population
表 1 红升水库基本水质参数
Table 1. Basic water quality parameters of Hong Sheng Reservoir
水质指标 TN/(mg·L−1) TP/(mg·L−1) NH3−N/(mg·L−1) COD/(mg·L−1) BOD5/(mg·L−1) pH OD/(mg·L−1) 红升水库 1.53 0.09 0.54 22.52 2.93 7.2 8.99 Ⅳ类标准参考值 1.50 0.30 1.50 30.00 6.00 6.9 3.00 SD(标准偏差) 0.02 0.15 0.68 5.29 2.17 0.2 4.24 
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表 2 嗅味物质基本信息
Table 2. Basic information on odorant substances
化合物 嗅味物质 嗅味类型 嗅阈值/(μg·L−1) 检出限/(ng·L−1) 萜类化合物 土臭素 土臭味/霉味 0.003 0.830 2-甲基异莰醇 0.001 0.470 醛类化合物 正己醛 鱼腥味(油腻) 4.500 1.420 庚醛 鱼腥味(油腻) 3.000 6.290 壬醛 青草味(少量)鱼腥味(过量) 1.000 0.430 癸醛 鱼腥味 3.000 13.750 2-辛烯醛 橘子气味(少量)鱼腥味(过量) 0.021 8.330 2,4-庚二烯醛 鱼腥味(油腻) 5.000 70.550 2,4-癸二烯醛 鱼腥味 0.029 9.210 2,6-壬二烯醛 青草/黄瓜气味 0.080 60.610 苯甲醛 杏仁味 4.500 10.870 β-环柠檬醛 干草/烟草气味 500.000 3.350
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表 3 嗅味特征评估情况
Table 3. Assessment of odor characteristics
采样日期 不同采样点的嗅味强度(鱼腥味/土臭味) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2022-03-08 2/2 1/1.5 2/1.5 1/1 2/1 1/1.5 2/2.5 1/1 2/1.5 1.5/0.5 2022-04-12 3.5/4 2/3 2/2 2.5/2 2.5/1.5 2.5/1 3/3.5 2/1.5 2.5/2 2/1 2022-05-05 6/3 5/3.5 4/2 5/3.5 4/2 4/2 5/3.5 4/4 5/4 5/3 2022-06-12 7.5/3.5 5.5/4 4/2.5 5.5/4 4/2.5 4/2.5 7/4 4/3 6/3 6/4 2022-07-20 8/4 6/4 5/3 6.5/3 5/3 5/3 8/3.5 6/3 8/4 6.5/3.5 2022-08-28 8/2.5 6.5/4 5.5/2.5 7.5/2 6.5/3 5.5/3 8/3 6.5/3.5 8.5/3.5 8/3 2022-09-05 8.5/3.5 7.5/3 6/2 8/4 6/2 6/4 8.5/2 6/4 9/4 7/3.5 2022-10-16 8.5/4 7/3.5 6.5/2 8/3.5 6.5/2 6.5/3 8.5/3 6.5/3 9.5/3 8/3
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表 4 主成分分析结果
Table 4. Principal component analysis results
成分 初始特征值 提取载荷平方和 总计 方差百分比 累积/% 总计 方差百分比 累积/% 庚醛 3.665 61.091 61.091 3.665 61.091 61.091 壬醛 1.410 23.505 84.596 1.410 23.505 84.596 癸醛 0.643 10.722 95.317 0.643 10.722 95.317 2,4-庚二烯醛 0.160 2.675 97.992 2,4-癸二烯醛 0.104 1.733 99.725
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表 5 典型贡献嗅味物质与相关藻类的皮尔逊相关系数
Table 5. Pearson correlation coefficients of typical odor contributing substance with related algae
藻类 皮尔逊相关系数r 庚醛 壬醛 星杆藻属 0.957 — 小环藻属 0.928 — 实球藻属 — 0.709 衣藻属 — 0.65
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