有毒藍藻及藻毒素的生物降解初步研究_secret

1、有毒藍藻及藻毒素的生物降解初步研究摘 要：采用序批式生物膜反應(yīng)器,對有毒藻類Viridis 及藻毒素RR、YR和LR進行了生物降解試驗研究。結(jié)果表明好氧生物處理對供試有毒藻及其毒素的降解遠比缺氧生物處理工藝有效。同時，顯微鏡觀察結(jié)果表明好氧條件下，草履蟲對有毒藻類和藻毒素降解起重要作用。研究成果提供了一種有效的富營養(yǎng)化水的生物處理方法，也有助于進一步闡明其處理機理。關(guān)鍵字：富營養(yǎng)化 藍藻與藻毒素 水的生物處理富營養(yǎng)化的湖泊和水庫中，因藻類的生長而引起的水污染已成為全球性困擾的問題。有關(guān)報導表明，中國很多湖泊中有毒水華的增長已經(jīng)常性造成飲用水污染問題1。美國、日本、澳大利亞、印度、芬蘭等10余個

2、國家的研究人員也報道了富營養(yǎng)化水體中有毒藻類的危害2,3。由于家禽和動物飲用含有有毒藻類的水而死亡的事故經(jīng)常發(fā)生，專家們正越來越多地關(guān)注藻毒素對人類健康的影響。中國太湖（約2400km2）沿岸的一些城市水廠一直受到湖水中過量生長藻類的困擾。每年夏季，沿湖水域藍藻瘋狂增長時，沿湖自來水廠無法保證合格的出水水質(zhì)，甚至停產(chǎn)。太湖沿岸的最大城市無錫市的自來水長期充滿霉嗅味，水質(zhì)低劣。中國的其它湖泊，如巢湖、滇池、武漢東湖富營養(yǎng)化問題也很嚴重。 日本同樣也存在十分嚴重的湖泊富營養(yǎng)化問題。日本的水處理專家在這一領(lǐng)域內(nèi)的研究活動十分活躍。日本國立環(huán)境研究所稻森悠平先生所領(lǐng)導的研究室在富營養(yǎng)化水體藻毒素的防治

3、研究方面，取得了突出成績4。 本研究的目的在于探索微囊藻和藻毒素在不同生物處理工藝條件下的性狀，尋求從富營養(yǎng)化水源制取安全飲用水的處理方法。1 材料和方法1.1 有毒藻試樣的制備 純種藍藻菌株Microcystis viridis 取自日本國立環(huán)境研究所生物保存棟，將此菌種接種于盛有250mL培養(yǎng)液（表1）的500mL三角燒瓶中，培養(yǎng)液事先在121條件下滅菌20min。 表1 有毒藍藻試驗水樣培養(yǎng)液 Table 1 Medium for Microcystis culture NaNO3 K2HPO4MgSO47H2O CaCl22H2O Na2CO3 Fe-Citrate Na2EDTA2H

4、2O 蒸餾水 100mg 10mg 75mg 40mg 20mg 6mg 1mg 1L 接種后的三角燒杯置于搖床25條件,采用2000 lux日光燈每12h明暗周期培養(yǎng)。經(jīng)過大約20d培養(yǎng)，當三角燒瓶中藻類濃度達到108109數(shù)量級，試樣即可供試驗用。 1.2 降解途徑試驗方法與裝置 采用好氧和缺氧兩種微型序批式反應(yīng)器進行了藍藻及其毒素降解途徑的研究。 在間歇加料的缺氧和好氧500mL三角燒瓶反應(yīng)器中，放置立體網(wǎng)格型水處理填料，接種污泥取自日本國立建筑研究所中試凈化槽，每天加法入500mL采用前述培養(yǎng)的含藻水，稀釋后藻計數(shù)濃度為106數(shù)量級。為獲得大量的微生物量，同時在進水中加入20mgL葡萄

5、糖和20mgL的酵母粉，進行微生物培養(yǎng)和馴化。 1.3 分析方法 采用高壓液相色譜（HPLC）測定藻毒素RR、YR和LR；分光光度法測定葉綠素a。 2 結(jié)果與討論 2.1 藻毒素的好氧處理試驗 將前述經(jīng)培養(yǎng)馴化達40d左右的序批式好氧反應(yīng)器中的水排干（反應(yīng)器尚存附著生物膜的立體網(wǎng)格型填料），一次性注入600mL（500mL三角燒瓶注滿后的容積）高濃度含藻水（藻濃度為108109數(shù)量級），采用微型氣泵連續(xù)曝氣。間隔不同時間取樣進行水質(zhì)指標分析，所得結(jié)果列于表2。圖1則是好氧反應(yīng)器對總藻毒素(細胞內(nèi)外藻毒素之和)隨時間變化的去除效果。如表2所示，試驗開始后的12h，藻毒素RR、YR和LR的濃度分別

6、降至50.2、35.9和15.0mg/L，去除率分別達到86.2%、80.0%、和87.1%。隨著處理時間的延長，3種藻毒素的去除率繼續(xù)增加，在24h時已超過90%，48h時超過了99%，72h時已完全去除（低于檢測濃度）。值得注意的是：原水的細胞外藻毒素非常低，只占總藻毒素濃度的0.6%4.4%，也即是說明處表2 好氧反應(yīng)器中藻毒素的濃度變化 Table 2 Concentration of microcystin in oxic reactor 藻毒素種類藻毒素濃度（g/L）處理前處理后12h處理后24h處理后48h 處理后72h 細胞外 藻毒素 細胞外 藻毒素 細胞外 藻毒素 細胞外 藻

7、毒素 細胞外 藻毒素 RR2.3363.41.150.2026.703.400YR1.4178.30.435.9016.801.000LR 5.1116.10.315.007.400.100于旺盛生長期的藻毒素基本上在藻細胞內(nèi)部。試驗結(jié)果表明：此時藻毒素易被好氧氧化。從表2還可以看到盡管藻毒素總濃度較高，但在好氧生物反應(yīng)條件下，細胞內(nèi)外的藻毒素均能得到有效的降解。2.2 好氧與缺氧方法的效果比較 好氧和缺氧兩種方法處理藻毒素的結(jié)果如表3所示。經(jīng)過24h處理后，好氧反應(yīng)器對總藻毒素去除率分別為RR 92.7%、YR 90.6%、LR 93.6%；而在同樣處理時間條件下的缺氧反應(yīng)器處理效果則分別為

8、：RR 5.2%、YR 2.4%、LR 14.6%。兩種反應(yīng)器處理效果對比明顯，這表明，好氧工藝去除藻毒素能力遠比缺氧有效。從表3中還可以觀察到另一個和好氧反應(yīng)器不同的特點是缺氧反應(yīng)器中藻毒素的細胞外濃度在處理24h后，反而增加了，很明顯，這是由于在缺氧條件下兼性厭氧菌的水解作用，使藍藻細胞內(nèi)的毒素溶解進入水中而引起的。 表3 好氧、缺氧反應(yīng)器處理藻毒素效果比較Table 3 Comparison of microcystin removal by oxic and anoxic treatment 藻毒素種類藻毒素濃度（mg/L） 處理前 好氧處理后24h 缺氧處理后24h 細胞外 總毒素

9、細胞外 總毒素 細胞外 總毒素 RR 2.3363.4026.716.0344.6YR 1.4178.3016.89.3174.1LR 5.1116.107.47.899.2還進行了葉綠素a的處理實驗（表4）,也同樣表明好氧反應(yīng)器的降解效率（87.4）遠高于缺氧反應(yīng)器（42.7%）。 表4 好氧、缺氧反應(yīng)器處理葉綠素-a效果比較Table 4 Comparison of microcystin removal by oxic and anoxic treatment 反應(yīng)器 處理前濃度 （mg/L） 處理24h后濃度 （mg/L） 去除率（%） 好氧 缺氧 2847.5 2847.5358.7

10、 1631.587.4 42.72.3 微生物鏡檢觀察 在試驗開始后的不同時刻，從批量式反應(yīng)器中取樣在顯微鏡下進行生物觀察，發(fā)現(xiàn)到一些有趣現(xiàn)象。好氧反應(yīng)器的樣品在顯微鏡下，可觀察到大量草履蟲的存在，并且清晰可見草履蟲以很快的速度吞食藍藻，草履蟲也吞食細菌和顫體蟲（后生動物）的分泌物，顫體蟲的分泌物是其吞食藍藻后尚未被完全消化，分泌物顏色仍為藍綠色，明顯含有大量葉綠素。而這種含有葉綠素的分泌物仍可被草履蟲所利用。草履蟲吞食藍藻后，其分泌物也是藍綠色，說明也含有葉綠素，且可能藻毒素降解也不會十分徹底。這些分泌物進而被細菌利用分解。多次觀察和對比實驗結(jié)果表明反應(yīng)器中草履蟲多時，藍藻和藻毒素去除效果好

11、。這一發(fā)現(xiàn)對于解釋含藻水處理的機制有積極意義，但仍需做進一步的研究加以確認。 這些觀察現(xiàn)象尚需進一步的研究加以確認證實，但可以得到的初步結(jié)論是以草履蟲為主的微生物鏈可以很好解釋藍藻及其毒素的降解途徑。3 結(jié)論 好氧反應(yīng)器降解藍藻和藻毒素遠比缺氧反應(yīng)器有效，這一成果對于選擇富營養(yǎng)化水處理工藝有重要參考價值。在好氧狀態(tài)下，維持大量草履蟲吞食藍藻對藍藻和藻毒素降解起重要作用。而同時共生的細菌也是分解藻毒素不可少的一個環(huán)節(jié)。 參考文獻 1. 王紅兵, 朱惠剛. 淡水浮游藻類污染及其毒性. 上海環(huán)境科學，1995,14(8）:3841 2. T.W. Lambedt, et al. Microcystin class of toxins : health effects and safety of drinking water supplies. Environ. Rev.,1994,2:167185 3. 稻森悠平, 秋元里乃.生物膜有用微生物分解高度凈化. 水環(huán)境學會志，1994,17(9) 4. xiwu Lu, Yuhei Inamori and Guoji Din