王 岑

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 陜西 西安 710001）

1 引言

隨著人類活動對水域生態(tài)系統(tǒng)的影響日益加劇，藍(lán)藻水華已成為全球富營養(yǎng)化水體的表征，由此導(dǎo)致水質(zhì)惡化，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞，同時產(chǎn)生毒素，對人類和水生動物帶來極大的危害。近年來，我國有害藍(lán)藻水華頻繁暴發(fā)。研究表明[1]：我國目前66%以上的湖泊、水庫處于富營養(yǎng)化水平，其中重富營養(yǎng)和超富營養(yǎng)的占22%。歷史上，云南滇池、安徽巢湖也都曾經(jīng)大規(guī)模爆發(fā)過藍(lán)藻水華。不僅如此，藍(lán)藻爆發(fā)早已成為全球性環(huán)境問題：幾乎全世界的主干水系，包括非洲的維多利亞湖、波羅的海、伊利湖、五大湖、佛羅里達(dá)州的歐基求碧湖等都長滿了這種水藻。藻類污染的危害已引起國內(nèi)外科學(xué)家的廣泛關(guān)注，并積極探索在藍(lán)藻爆發(fā)的湖泊中去除藍(lán)藻及降解藻毒素的方法，近幾年也有了較大進(jìn)展。

2 藍(lán)藻生物學(xué)特征及藻毒素的化學(xué)性質(zhì)

2.1 藍(lán)藻的細(xì)胞結(jié)構(gòu)

藍(lán)藻又稱藍(lán)綠藻(blue-green algae)、藍(lán)細(xì)菌(cyanobacteria)，是所有藻類生物中最簡單、最原始的一種，因其體內(nèi)含有葉綠素并呈藍(lán)綠色而得名，它是具有放氧性光合作用的原核生物[2]。藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞壁組成與革蘭氏陰性菌相似，外層為脂多糖層，內(nèi)層為肽聚糖層。藍(lán)細(xì)菌一般為單細(xì)胞、單細(xì)胞群體或絲狀體，一些絲狀藍(lán)細(xì)菌還含有特殊的固氮異性孢。而群體生長的細(xì)胞可能外被衣鞘，比如微囊藻屬。許多藍(lán)細(xì)菌種屬都具有偽空泡 (gas vesicle,GV)，這樣它們便可以調(diào)節(jié)在水中的位置以獲得更多的光照、更豐富的養(yǎng)分資源，比其他浮游植物具有更好的生態(tài)優(yōu)勢。

2.2 藍(lán)藻毒素的種類及毒性

藍(lán)藻產(chǎn)生的毒素稱為藻毒素，按照致毒機(jī)理可劃分為肝毒素、神經(jīng)毒素和細(xì)胞毒素。另外一些藍(lán)細(xì)菌還會產(chǎn)生毒性較小的脂多糖和其他具有潛在麻痹細(xì)胞功能的次級代謝產(chǎn)物。根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)不同可分為3類：環(huán)肽毒素（肝毒素：七肽的微囊藻毒素，五肽的節(jié)球藻毒素）；生物堿毒素（神經(jīng)毒素：鈉通道阻斷劑蛤蚌毒素，類毒素）；以及脂多糖LPS。

藍(lán)藻水華所帶來的主要危害是在有毒藍(lán)藻細(xì)胞死亡破裂后向水體中釋放多種不同類型的藻毒素[3]。在已發(fā)現(xiàn)的各種不同藻毒素中，微囊藻毒素 (Microcystin,MC)是一種在藍(lán)藻水華污染中出現(xiàn)頻率最高、產(chǎn)生量最大和造成危害最嚴(yán)重的藻毒素種類[4]。如1996年在巴西爆發(fā)了歷史上最大的MC集體中毒事件，被MC污染的水通過自來水管道進(jìn)入了血液透析中心，致使88名病人死亡[5]。由于MC極高的毒性（進(jìn)行動物實驗所得LD50值約為50μg/kg[6]），世界衛(wèi)生組織已建議人類飲用水中MC的閾值為1μg/L[7]，而娛樂景觀用水則不超過20μg/L[8]。

2.3 MC的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)

MC是一類具生物活性的單環(huán)七肽肝毒素，分子量在1000左右，其基本結(jié)構(gòu)為：環(huán)-(D-丙氨酸-L-R1-赤-β-甲基-D-異天冬氨酸-L-R2-Adda-D-異谷氨酸-N-甲基脫氫丙氨酸)，如圖1所示，Adda是表達(dá)其生物活性的必需基團(tuán)，其共軛立體結(jié)構(gòu)會影響藻毒素的毒性。由于2位和4位的X與Z為兩種可變L－氨基酸殘基，X與Z的不同及MeAsP和Adda的甲基化或去甲基化產(chǎn)生的差異，能形成多種不同MC異構(gòu)體，迄今為止已確認(rèn)的MC有75種以上，以MC-LR、MC-RR、MC-YR三種異構(gòu)體居多，其中L、R和Y分別代表的是亮氨酸 (leucine)、精氨酸 (arginine)和酪氨酸(tyrosine)。而MC-LR則是最常見的一種[9,10,11]。

MC的環(huán)狀結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，易溶于水，在水中溶解度達(dá)1g/L以上[4]；在水中是中性和帶負(fù)電荷的分子團(tuán)，非常穩(wěn)定，常規(guī)條件下幾乎不與酸堿反應(yīng)，自然降解過程十分緩慢，同時具有很高的耐熱性。Harada[12]和Lahti等[13]研究發(fā)現(xiàn)如果在水體不稀釋的情況下，MC和節(jié)球藻毒素可以在水華發(fā)生后的幾天甚至幾周時間內(nèi)穩(wěn)定存在。Jones和Orr[14]所進(jìn)行的滅藻實驗研究則表明，對水中藻毒素所進(jìn)行的氧化過程效果不僅依賴與反應(yīng)物的濃度，還與溫度、pH以及所處理水體的離子組成相關(guān)。MC極強(qiáng)的毒性以及穩(wěn)定的理化性質(zhì)引起了世界范圍內(nèi)科學(xué)家的廣泛關(guān)注，因此，尋求有效的處理方法以保證飲用水安全是一個亟待解決的問題。

3 藻毒素處理方法

3.1 物理法

圖1 微囊藻毒素的一般結(jié)構(gòu)

以物理方法為主的去除途徑實質(zhì)上是將水體中的藻毒素轉(zhuǎn)移到另一種介質(zhì)中，藻毒素本身結(jié)構(gòu)一般不會被破壞。由于藻毒素易溶于水和極強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，常規(guī)的水處理工藝如過濾、沉淀、混凝等方法都不能達(dá)到很好的處理效果。而超濾、鈉濾和反滲透雖然對于藻毒素的去除有很好的效果，但膜技術(shù)的成本非常高，目前只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家進(jìn)行小范圍的應(yīng)用[15]。

一般的濾料對溶解的藻毒素去除效果不佳，但對包容于藻細(xì)胞中未釋放的毒素則有一定去除效果。GrutzmacherG等預(yù)先用去污細(xì)菌層與MC混合，在適當(dāng)?shù)臏囟认侣尺^濾，結(jié)果顯示有85%～95%的去除率[16]?；钚蕴亢蛡鹘y(tǒng)水處理工藝結(jié)合使用對藻毒素的去除率超過80%，但藻毒素含量降低到0.1μg/L～0.5μg/L時，活性炭將很難繼續(xù)去除，且大量活性炭使用會造成水處理成本提高[17]。

Weihua Song等[18]在研究超聲場對MC-LR和MC-RR的降解實驗中發(fā)現(xiàn)，在超聲作用下MC的初級產(chǎn)物主要是羥基自由基對Adda基團(tuán)中的苯環(huán)進(jìn)行攻擊以及Mdha-Ala肽鍵的斷裂。研究還發(fā)現(xiàn)，加入Fe(Ⅱ)會加速MC-LR的降解速度，這可能是由于形成了更多的羥基自由基所致。

3.2 化學(xué)法

由于藻毒素穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為傳統(tǒng)水處理工藝中的氯化對藻毒素去除基本沒作用[19]。但Nicholson等發(fā)現(xiàn)在pH小于8的水樣中通氯30min，殘余氯濃度不小于0.5mg/L時，藻毒素濃度有明顯降低，足夠量的次氯酸鈉在酸性及中性條件下也有明顯的降解作用，而使用氯胺類化合物則沒有這種效果[15]。加拿大某水處理廠的實驗也表明對MC-LR進(jìn)行氯化作用，能達(dá)到82%的處理效果[17]。但也有研究認(rèn)為氯化可能會產(chǎn)生一些毒性更高的中間產(chǎn)物，故不建議采用此方法。

臭氧氧化對溶解于水中的藻毒素去除有較好的效果。Rositano J等在一定的溶解有 機(jī) 碳 (dissolved organic carbon,DOC)、NOM、pH下，對MC-LR濃度為20μg/L的水樣通臭氧5min，保持殘余臭氧濃度在0.06mg/L以上就檢測不到剩余藻毒素的存在[20]?？姾沅h等[21]在銅綠微囊藻臭氧化及藻毒素去除的實驗結(jié)果表明，臭氧氧化可以去除藻毒素(MC-LR、MC-RR)，10min 去除率，LR為82.25%，RR為74.28%。但是臭氧去除藻毒素受溶液TOC影響，在同樣條件下，對分離純化后藻毒素的去除率LR為95.68%，RR為86.03%。

高錳酸鉀作為一種強(qiáng)氧化劑，也被認(rèn)為在去除溶解性藻毒素MC-LR方面有較好的處理效果，盡管對于完整的細(xì)胞內(nèi)的毒素去除效果較差，這表明高錳酸鉀不能很有效的穿透細(xì)胞而氧化藻毒素[22]。Hall等[23]認(rèn)為低劑量的高錳酸鉀就可以有效去除溶解的藻毒素，然而這個劑量必須嚴(yán)格控制，因為高劑量的高錳酸鉀會引起藻細(xì)胞破裂從而將毒素大量釋放到周圍水環(huán)境中[24,25]。Eva Rodrguez等[26]研究結(jié)果認(rèn)為，約1mgL-1～1.25mgL-1的高錳酸鉀足夠?qū)⑻烊凰w表層的MCs濃度降低到WHO的標(biāo)準(zhǔn)之下。

3.3 生物法

利用天然水體中的微生物降解MC是一種很有前途的方法，但由于MC的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和間隔雙鍵具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，一般的多肽分解酶不能對MC進(jìn)行分解[27]，只有一些特殊的微生物菌種具備對MC的降解能力，這也是MC在天然水體中能夠存在很長時間的一個重要原因。實驗發(fā)現(xiàn)生物降解的最初作用部位在藻毒素活性表達(dá)所必須的部分，故能明顯消除藻毒素的毒性，但生物作用只能達(dá)到9%的完全礦化，MC-LR多數(shù)轉(zhuǎn)化為毒性較小的中間產(chǎn)物[28]。呂錫武等[29]采用序批式生物膜反應(yīng)器對有毒藻類及其藻毒素進(jìn)行生物降解試驗研究，發(fā)現(xiàn)好氧生物處理對有毒藍(lán)藻及其藻毒素的降解遠(yuǎn)比缺氧生物處理工藝有效。而且多次鏡檢觀察和對比實驗結(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。

3.4 高級氧化法

MC特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了它并不能很有效的被普通氧化劑完全礦化，因此研究者們就考慮一些高級氧化技術(shù)對于藻毒素的降解效果，這些高級氧化技術(shù)包括臭氧、過氧化氫、臭氧/過氧化氫、臭氧/Fe(Ⅱ)以及芬頓試劑等[30]。FaresAlMomani[30]等研究藻毒素的高級氧化過程后發(fā)現(xiàn)，臭氧氧化MC-LR為二級反應(yīng)模型，在溫度為20℃，MC-LR的初始濃度為1mg/L，pH由2增加到11的過程中，此反應(yīng)整體的二級反應(yīng)速率常數(shù)從6.79×104變化為3.49×103M-1S-1。即pH對反應(yīng)速率影響很大，若pH升高則降解效率下降。而臭氧/過氧化氫、臭氧/Fe(Ⅱ)體系以及芬頓試劑的氧化過程則為超一級反應(yīng)。臭氧、過氧化氫、Fe(Ⅱ)的初始濃度越高，體系溫度越高則反應(yīng)進(jìn)行越快。芬頓試劑的氧化過程更為迅速，僅在60秒內(nèi)可將初始濃度為1mg/LmC-LR完全降解。Cornish B J等[31]利用Fenton試劑 (5mM的H2O2和0.5mM的Fe2+共同作用)降解MC-LR，結(jié)果顯示在30min后就檢測不到藻毒素的存在，他們認(rèn)為此方法的效果至少與TiO2催化光降解等同。若用等濃度的Fe3+代替Fe2+，亦有降解效果，只是速度較慢。

光催化降解有機(jī)污染物相比較傳統(tǒng)的化學(xué)方法來說具有可持續(xù)性、無污染、降解完全等優(yōu)點。在MC光降解研究中，MARTIN WELKER等[32]以腐殖質(zhì)作為光敏化劑，發(fā)現(xiàn)8h的日光照射后，MC-LR、MC-RR、MC-YR 的剩余濃度分別為初始濃度的 55±4，53±3，44±5%。而且腐殖質(zhì)濃度的高低并不會引起處理效率的差異。但是在純凈的水中的MCs在日光照射下并不會自然降解，這說明了天然水體中藻毒素自然光解的一個重要方面。這種自然光解的原理可能是腐殖質(zhì)充當(dāng)光敏化劑，吸收波長為290nm至可見光范圍內(nèi)的太陽光，隨后形成高活性粒子比如羥基自由基、單線態(tài)氧或者過氧化氫來降解藻毒素[33]。

Cornish B J等[31]在其進(jìn)行的TiO2光催化降解MC-LR的實驗中加入過氧化氫組成TiO2/UV/H2O2體系，證明此反應(yīng)體系對MC-LR的降解效果優(yōu)于TiO2/UV，因為并沒有在HPLC水平上檢測到其他副產(chǎn)物。但是實驗結(jié)果也表明只有18%的礦化率，說明還有未檢測到的副產(chǎn)物存在。高濃度的過氧化氫會與MC-LR競爭吸附于催化劑表面活性點位，而低濃度的過氧化氫的競爭吸附作用并不明顯。TiO2光催化高效的降解效果主要是基于其產(chǎn)生的大量羥基自由基，氫氧根離子吸附于催化劑表面被價帶的光致空穴氧化而成為羥基自由基進(jìn)而攻擊MCs[34]。

4 低溫等離子體處理技術(shù)的研究狀況

低溫等離子體技術(shù)是近些年來新興起的一項高級氧化技術(shù)，是集高能電子輻射、自由基、臭氧等活性粒子的一種物理、化學(xué)方法于一體的全新污染物降解技術(shù)，具有降解速率快、處理范圍廣、效果好、無二次污染、可在常溫常壓下進(jìn)行等優(yōu)點。其降解機(jī)理是：低溫等離子體產(chǎn)生的高能電子轟擊供應(yīng)氣體或污染物分子，通過電離、激發(fā)、解離產(chǎn)生次級電子、離子、自由基活性粒子等，這些活性粒子再與有機(jī)污染物分子作用，最終將其降解生成無毒或毒性較小的小分子。

利用低溫等離子體技術(shù)來控制水體中藻毒素的研究在國內(nèi)外還鮮有報道。鑒于藻毒素穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)及難降解性，考慮等離子體來進(jìn)行降解實驗也是一項令人期待的研究。

王玉等[35]則利用介質(zhì)阻擋放電裝置進(jìn)行MC的降解性實驗，結(jié)果表明，提高峰值電壓、放電頻率和曝氣量、降低溶液的電導(dǎo)率都有利于去除MC-LR。在較佳的實驗條件下，峰值電壓為40kV，頻率為50Hz，曝氣量 0.75m3·h-1，處理時間為20min時，藻毒素的去除率在99%以上。

5 小結(jié)

對于目前藻毒素的去除方法做了較為全面的論述，并著眼于此，將致力于研究低溫等離子體在處理藻毒素方面的動力學(xué)機(jī)制、降解機(jī)理、可放大化等問題。

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