有毒藍(lán)藻及藻毒素的生物降解初步研究

有毒藍(lán)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(jìn)行了生物降解試驗(yàn)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(yuǎn)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(jìn)一步闡明其處理機(jī)理。

關(guān)鍵詞富營養(yǎng)化藍(lán)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(bào)導(dǎo)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余個國家的研究人員也報(bào)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(lán)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(yán)重。

日本同樣也存在十分嚴(yán)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(dǎo)的研究室在富營養(yǎng)化水體藻毒素的防治研究方面，取得了突出成績。

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

有毒藻試樣的制備

純種藍(lán)藻菌株Microcystisviridis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(lán)藻試驗(yàn)水樣培養(yǎng)液

Table1MediumforMicrocystiscultureNaNO3K2HPO4MgSO4·7H2OCaCl２·2H2ONa2CO3Fe-CitrateNa2EDTA·2H2O蒸餾水100mg10mg75mg40mg20mg6mg1mg1L

接種后的三角燒杯置于搖床25℃條件,采用2000lux日光燈每12h明暗周期培養(yǎng)。經(jīng)過大約20d培養(yǎng)，當(dāng)三角燒瓶中藻類濃度達(dá)到108~109數(shù)量級，試樣即可供試驗(yàn)用。

降解途徑試驗(yàn)方法與裝置

采用好氧和缺氧兩種微型序批式反應(yīng)器進(jìn)行了藍(lán)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(jì)數(shù)濃度為106數(shù)量級。為獲得大量的微生物量，同時在進(jìn)水中加入20mg／L葡萄糖和20mg／L的酵母粉，進(jìn)行微生物培養(yǎng)和馴化。

分析方法

采用高壓液相色譜測定藻毒素RR、YR和LR；分光光度法測定葉綠素ａ。

2結(jié)果與討論

藻毒素的好氧處理試驗(yàn)

將前述經(jīng)培養(yǎng)馴化達(dá)40d左右的序批式好氧反應(yīng)器中的水排干，一次性注入600ｍＬ高濃度含藻水，采用微型氣泵連續(xù)曝氣。間隔不同時間取樣進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)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(xì)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(yàn)開始后的12h，藻毒素RR、YR和LR的濃度分別降至、和/L，去除率分別達(dá)到%、%、和%。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。

值得注意的是：原水的細(xì)胞外藻毒素非常低，只占總藻毒素濃度的%~%，也即是說明處

表2好氧反應(yīng)器中藻毒素的濃度變化

Table2Concentrationofmicrocystininoxicreactor藻毒素種類藻毒素濃度處理前處理后12h處理后24h處理后48h處理后72h細(xì)胞外藻毒素細(xì)胞外藻毒素細(xì)胞外藻毒素細(xì)胞外藻毒素細(xì)胞外藻毒素

于旺盛生長期的藻毒素基本上在藻細(xì)胞內(nèi)部。試驗(yàn)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(xì)胞內(nèi)外的藻毒素均能得到有效的降解。

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%、YR%、LR%；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：RR%、YR%、LR%。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(yuǎn)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(diǎn)是缺氧反應(yīng)器中藻毒素的細(xì)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(lán)藻細(xì)胞內(nèi)的毒素溶解進(jìn)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

Table3Comparisonofmicrocystinremovalbyoxicandanoxictreatment藻毒素種類藻毒素濃度處理前好氧處理后24h缺氧處理后24h細(xì)胞外總毒素細(xì)胞外總毒素細(xì)胞外總毒素RR

還進(jìn)行了葉綠素ａ的處理實(shí)驗(yàn),也同樣表明好氧反應(yīng)器的降解效率遠(yuǎn)高于缺氧反應(yīng)器。

表4好氧、缺氧反應(yīng)器處理葉綠素-a效果比較

Table4Comparisonofmicrocystinremovalbyoxicandanoxictreatment反應(yīng)器處理前濃度

處理24h后濃度

去除率

好氧

缺氧

微生物鏡檢觀察

在試驗(yàn)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(jìn)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(lán)藻，草履蟲也吞食細(xì)菌和顫體蟲的分泌物，顫體蟲的分泌物是其吞食藍(lán)藻后尚未被完全消化，分泌物顏色仍為藍(lán)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(lán)藻后，其分泌物也是藍(lán)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(jìn)而被細(xì)菌利用分解。

多次觀察和對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明反應(yīng)器中草履蟲多時，藍(lán)藻和藻毒素去除效果好。這一發(fā)現(xiàn)對于解釋含藻水處理的機(jī)制有積極意義，但仍需做進(jìn)一步的研究加以確認(rèn)。

這些觀察現(xiàn)象尚需進(jìn)一步的研究加以確認(rèn)證實(shí)，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(lán)藻及其毒素的降解途徑。

3結(jié)論

好氧反應(yīng)器降解藍(lán)藻和藻毒素遠(yuǎn)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(jià)值。

在好氧狀態(tài)下，維持大量草履蟲吞食藍(lán)藻對藍(lán)藻和藻毒素降解起重要作用。而同時共生的細(xì)菌也是分解藻毒素不可少的一個環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)

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(xué)，1995,14(8）:3841

2.Lambedt,etal.Microcystinclassoftoxins:healtheffectsandsafetyofdrinkingwatersupplies.Environ.Rev.,1994,2:167185

3.稻森悠平,秋元里乃.生物膜の有用微生物にょゐァォコの分解高度凈化.水環(huán)境學(xué)會志，1994,17(9)

4.xiwuLu,YuheiInamoriandGuojiDing.Degradation