不同预氧化工艺下蓝藻细胞破坏与土臭素释放
李宗来,于建伟,赵艳梅,杨敏*
(1 中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室,北京 100085)
摘要:针对以螺旋鱼腥藻和铜绿微囊藻为优势藻的蓝藻暴发期某水库水样,选择次氯酸钠、二氧化氯、高锰酸钾、臭氧四种氧化剂进行氧化处理实验。结果发现,二氧化氯和次氯酸钠在很低剂量就能导致藻细胞大量破裂和土臭素的释放,完整细胞密度和投加剂量呈对数关系;高锰酸钾在1 mg/L才引起土臭素的释放,但对藻细胞几乎没有去除作用;臭氧在2.5mg/L以上才引起土臭素的释放,同时藻细胞的数量的降低和投加量呈正比。在蓝藻暴发的水源水中,不宜采用预氯化进行处理,以避免土臭素的大量释放;可投加适量臭氧以强化去除部分藻类,具体投量要根据水质情况进行选择。
关键词:铜绿微囊藻; 螺旋鱼腥藻;氧化;细胞完整性;土臭素释放;
1.引言
近年来,湖库型水源地蓝藻暴发的事件时有发生。蓝藻暴发不仅影响水处理工艺,还经常伴有有害次生代谢物如藻毒素和嗅味物质浓度的急剧上升,降低水的可利用性和安全性(13)。土臭素(geosmin)是最常见的土霉味物质,最先发现为链霉菌等放线菌的代谢产物(4),后发现许多丝状蓝藻也能产生geosmin,且大部分水源的geosmin所导致的嗅味问题为藻类所导致(1, 5-7)。
对于水厂来说,利用氧化剂对原水进行预氧化对于保障水处理设施的稳定运行具有重要作用。国内很多水厂采用了预氯化工艺,近年来有些水厂采用高锰酸钾或臭氧进行预氧化。但是,当水源水发生蓝藻水华暴发时,预氧化可能会破坏藻细胞的完整性,导致细胞内有害物质的释放。已经有一些关于氯对微囊藻细胞的破坏及随后的藻毒素释放和氧化的研究(3, 11),也有人研究过氯、硫酸铜、高锰酸钾等对实验室培养水华束丝藻的生理毒性影响和geosmin释放的问题(8)。但是,至今为止,还没有一个针对蓝藻暴发时各种预氧化工艺对蓝藻细胞完整性和geosmin释放的系统研究。本文以北方某水库发生暴发蓝藻水华并出现土臭素嗅味(螺旋鱼腥藻和铜绿微囊藻占优势)时的水样为对象,初步评价了利用不同氧化剂进行预处理时藻细胞数量和土臭素浓度的变化,本研究结果可以为实际生产提供科学依据。
2. 实验材料与方法
2.1 试剂和材料
次氯酸钠(特定Ⅱ级,北京兴福精细化学研究所)、高锰酸钾(分析纯,北京化学试剂厂)、稳定态二氧化氯(江西生物制品研究所),臭氧经臭氧发生器(三菱,氧气源)制得;硫代硫酸钠(分析纯,北京化学试剂厂);土臭素标样,2 mg/mL甲醇溶液(Sigma-Aldrich,美国);藻类固定用鲁格氏液。
实验用水直接取自某水库藻华水样,主要为螺旋鱼腥藻和铜绿微囊藻。
HP6890/5975气相色谱/质谱联用仪(惠普,美国);有机碳分析仪Apollo-9000(Tekmar-Dohrmann Co., 美国);固相微萃取(SPME)仪,57348-U萃取头,DVB/Carboxen/PDMS材质(SUPELCO,美国);臭氧发生器(三菱,日本),医用制氧机(FY3,亚奥科技,北京);六联搅拌器(梅宇MY3000-6,潜江梅宇仪器);臭氧反应柱,为自加工玻璃装置,直径10cm,高1.5m,底部设G4砂板曝气;藻类计数框(HL-JS 0.1 ml,武汉恒岭科技);电动显微镜(Zeissn Axioskop 2 Mot Plus,德国);聚碳酸酯膜(0.8µm ,ATTP04700, MILLIPORE, 爱尔兰);GF/C滤膜(Whatman,英国)。
2.2 实验方法
2.2.1 氧化实验
次氯酸钠、二氧化氯、高锰酸钾氧化实验在六联搅拌器中进行,实验杯中加入1L水样,添加不同剂量的氧化剂,同时设对照组,搅拌转速40 r•min-1,反应一段时间后取样;臭氧氧化实验时,反应柱中加入2 L水样,通入一定剂量臭氧后取样,同时设只通氧气的对照组。氧化实验后所取样品立即加入硫代硫酸钠终止反应。
2.2.2 样品分析
藻类分析:藻密度高可直接用藻类计数框(HL-JS 0.1 ml,武汉恒岭科技有限公司)进行显微镜(Zeissn Axioskop 2 Mot Plus,德国)下镜检计数。藻密度低于500万Cell•L-1时,将1L水样用鲁戈氏液固定富集浓缩到25ml后计数。对微囊藻根据其聚集体大小、体积、形状等对细胞数进行估算,螺旋鱼腥藻根据视野中每个个体的螺旋圈数多少进行估算,同时在明场和微分干涉下对藻类进行拍照。水样经聚碳酸酯膜(0.8µm ,ATTP04700, MILLIPORE, 爱尔兰)过滤后用扫描电镜(SEM-EDX,S-3000N, HITACHI, 日本)进行观察。
土臭素:采用顶空固相微萃取-气相色谱/质谱法(HSSPME-GC/MS)进行分析(2, 15)。分别对水样中的土臭素总量及溶解性含量进行测定,其中土臭素总量为将含藻水样直接进行分析,将水样用GF/C滤膜过滤后测定所得含量为溶解性量。
DOC:水样经GF/C玻璃纤维滤膜过滤后用总有机碳仪测定。
3 结果和讨论
3.1 原水水质特性
实验所用原水取自蓝藻暴发期的北方某水库,主要水质参数如下:DOC:3.3mg•L-1;pH值8.3。能明显观察到聚集的微囊藻团块和螺旋成针状鱼腥藻,水样呈现明显的蓝绿色,藻类镜检结果见图1。可以看出,蓝藻主要组成为铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)和螺旋鱼腥藻(Anabaena spiroides),其密度分别为5200万Cell•L-1和1000万Cell•L-1。螺旋鱼腥藻为典型的能够产生土臭素的藻类,因而水中土臭素含量很高,总浓度和溶解性浓度分别达到1244 ng•L-1和220 ng•L-1,以胞内形式为主。
图1 藻类镜检结果
A-C为螺旋鱼腥藻,D-F为铜绿微囊藻,其中C和F为SEM照片
3.2 预氧化对藻细胞的影响
对氧化后的水样用光学显微镜和扫描电镜观察,均没有发现明显的细胞碎片,这可能是因为蓝藻没有硬质的外壳,细胞膜细胞器等破碎成非常细小的颗粒或者直接被氧化,在进行细胞计数时计算的均是具有完整细胞外形结构的个体。
不同氧化剂对藻细胞的影响结果见图2可以看出,从氧化除藻效果来说,除高锰酸钾外,氯、二氧化氯、臭氧均能明显降低藻细胞的数量,对藻细胞的破坏能力为二氧化氯>氯>臭氧>高锰酸钾。其中,氯和二氧化氯与藻密度变化呈现对数关系, (其中A为藻密度,x为氯或二氧化氯投加量)。其相应反应公式为:
氯:A=1240.8+5025.4×e-x/1.092;
二氧化氯:A=1204.6+ 4974.4× e-x/0.9175;
其拟合系数R2分别0.9974、0.9985。
臭氧对藻细胞的氧化可以直线关系表示,具体为:A=6412-1064×x,R2=0.977。当臭氧投量大于1 mg•L-1时,藻细胞才开始呈现明显降低。而高锰酸钾对藻细胞的破坏作用很弱,投量达到5 mg•L-1时藻细胞减少不到10%。
图2 氧化剂对蓝藻细胞完整性的破坏及DOC变化
3.3 预氧化对有机物及土臭素的影响
3.3.1 溶解性有机炭(DOC)
含藻水样经氧化处理后DOC的变化见图2。可以看出,四种氧化剂在低剂量下均导致DOC的升高。这种低剂量下的DOC上升可能与氧化剂刺激下细胞膜通透性的变化有关(8, 12),同时氧化剂本身也能破坏部分藻体产生一些有机物。
但是,总体来说,各种氧化剂导致的DCO变化类型有所不同。与臭氧和高锰酸钾相比,采用氯和二氧化氯进行氧化处理后,DOC的增加明显。氯投量在10 mg/L时,DOC为6.5 mg/L,二氧化氯投量为3 mg/L时,其DOC达到7.5 mg/L。二氧化氯具有较强的氧化能力,对藻细胞的作用明显,当藻细胞完全破坏后,继续投加会氧化部分有机物导致DOC降低,而氯的氧化能力要弱些,即使投加到10 mg/L,DOC也没有明显降低。对臭氧来说,低投量条件下(0.5 mg/L)DOC出现较高的增加,而继续增加投量DOC基本稳定,这可能是因为臭氧本身氧化能力较强,较高投量时在导致代谢物释放的同时,会氧化部分有机物,从而导致DOC基本稳定在一个浓度水平。同样,对于高锰酸钾来说,DOC也没有出现随投药剂量增加而增加的情况。
3.3.2 土臭素(geosmin)
螺旋鱼腥藻可以代谢产生大量的geosmin (10, 14),但geosmin一般是在细胞内合成后再分泌到胞外,而且通常状况下85~95%的geosmin存在于胞内(9)。实验所用水样中geosmin的含量为1250 ng/L,溶解性geosmin仅为220 ng/L。不同氧化剂处理下含藻水的溶解性及总geosmin含量见图3。可以看出,不同氧化剂引起的geosmin释放效应相差很大。二氧化氯的释放效应最强,在0.5 mg/L的投药量下大部分geosmin从胞内转到胞外。对照图2可知,此时藻细胞数量只下降三分之一,表明二氧化氯可能在拓宽细胞膜通道方面作用较强,导致geosmin在藻细胞完全破坏之前就基本上被释放出来。
次氯酸钠直到投药量为1 mg•L-1时geosmin的释放比较缓慢。但是,投药量超过1 mg•L-1后,geosmin释放非常显著。可以看出,当投药量为1.5 mg•L-1时,几乎所有的geosmin都被释放出来。而对于高锰酸钾,在投量低于1 mg•L-1(一般使用量不会超过这个剂量)时,几乎没有geosmin的释放。当投量超过1 mg•L-1时,随着投量的增加,geosmin逐步释放出来,到5 mg/L时geosmin完全释放。与图2相比可知,藻细胞在本实验投量范围内并没有出现明显的下降,表明可能主要是高剂量高锰酸钾改变了细胞膜的通透性,导致在没有破坏藻细胞的情况下geosmin的释放。
对于臭氧来说,在投量低于2.5 mg•L-1时, geosmin不仅没有被释放出来,反而出现一定的下降的趋势。从图2中可以看出,臭氧在投量为2.5 mg•L-1条件下已能去除约40%的藻细胞。这是一个非常有趣的现象,可以看出,臭氧的作用机制与其他氧化剂有显著的不同。但具体情况有待于进一步的研究。一般来说,臭氧预氧化的投量不会超过1.5 mg•L-1,因此,臭氧的这种特性表明,利用臭氧进行预氧化不会导致藻细胞内嗅味物质的释放。
图3 氧化过程中geosmin 释放
4. 结论
选择次氯酸钠、二氧化氯、高锰酸钾、臭氧四种氧化剂对高藻水进行了预氧化实验,发现四种氧化剂对藻及嗅味物质的影响各不相同。次氯酸钠、二氧化氯的除藻效果明显,其投量与藻细胞去除效果之间呈指数关系,当投量达到3mg•L-1时,藻细胞的去除率达到70%以上。臭氧投量与藻细胞之间呈直线反比例关系,但投量低于1 mg•L-1时,藻细胞数量变化不明显。而高锰酸钾对藻细胞的去除效果不明显。
氧化均导致了DOC的释放。但对于次氯酸钠、二氧化氯而言,DOC总体上随投量增加而增加;而对于高锰酸钾、臭氧而言,低剂量下有DOC的释放,但DOC在高剂量下并不随投量的增加而上升。
在胞内geosmin的释放方面,藻细胞对二氧化氯最敏感,次氯酸钠其次。这两种氧化剂的使用均可能会导致geosmin的大量释放。在正常的投量下,高锰酸钾不会导致geosmin的大量释放,而臭氧在很宽的剂量范围内均没有geosmin释放的问题。因此,这两种药剂可以考虑在必要时作为预氧化剂使用。