劉 澈
(1.清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,北京100084;2.中國電子工程設(shè)計院,北京100840)
紫外線技術(shù)用于滅活藻類開始于20世紀(jì)90年代.1993 年研究者將紫外線用于滅活二角多甲藻[1-2],隨后又 用 于 卡 盾 藻[3].我國學(xué)者也 陸 續(xù) 研 究了紫外線對銅綠微囊藻[4]、念珠藻[5]、水廠源水中的淡水藻類[6]的滅活效果,報道了紫外線輻照光催化TiO2氧化法滅活魚腥藻[7]、H2O2與紫外線聯(lián)合滅活魚腥藻的效果[8].2001年,國際上首次報道了紫外線對銅綠微囊藻的生長抑制效果[9].2007年,Sakai等人研究了紫外線對銅綠微囊藻、多變魚腥藻的生長抑制效果[10]和對微囊藻毒素釋放的影響[11],建立數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)一步分析了紫外線對微囊藻毒素釋放的影響[12].
壓載水生物入侵是海洋的四大危害之一[13],國際海事組織環(huán)境保護(hù)委員會專門成立了壓載水工作組并制定了《船舶壓載水和沉積物控制和管理國際公約》,規(guī)定了嚴(yán)格的D-2 排放標(biāo)準(zhǔn),該草案于2012年開始強(qiáng)制執(zhí)行.由于紫外線輻射對微生物滅活的高效,不產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物,國際上多采用過濾和紫外線輻射的組合工藝處理壓載水.國內(nèi)外對紫外線處理壓載水中藻類滅活效果的研究報道比較少.本文依照《公約》對岸基測試試驗的要求,采用準(zhǔn)平行光束儀對8種常見的淡水藻進(jìn)行紫外線輻射,黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d,確定劑量反應(yīng)關(guān)系,研究紫外線對它們的滅活效果及特點.
試驗選用4個門的8種淡水藻.硅藻門:梅尼小環(huán)藻(CyclotellameneghinianaKutz,中科院淡水藻種庫(FACHB)編號為739)、谷皮菱形藻(Nitzschia palea.,F(xiàn)ACHB 編 號 為 209)和鈍脆桿藻(Fragilariacapucina,F(xiàn)ACHB編號為1062).綠藻門:小 球 衣 藻(Chlamydomonasmicrosphaera,F(xiàn)ACHB編號為54)、鐮形纖維藻(Ankistrodesmus falcatus,F(xiàn)ACHB 編號為18)和斜生柵藻(Scenedesmusobliquus,F(xiàn)ACHB編號為417).藍(lán)藻門:銅綠微囊藻(Microcystissp.,F(xiàn)ACHB 編號為1018).隱藻門:卵形隱藻(CryptomonasovataHer,F(xiàn)ACHB編號為472).藻種由中國科學(xué)院典型培養(yǎng)物保藏委員會淡水藻種庫提供.
藻種培養(yǎng)液采用蒸餾水配制.不同藻種的培養(yǎng)液采用配方如下:梅尼小環(huán)藻119,谷皮菱形藻和鈍脆桿藻D1,小球衣藻、鐮形纖維藻和斜生柵藻SE,銅綠微囊藻BG11,卵形隱藻WC.培養(yǎng)液的配制、藻液的接種和培養(yǎng)均是在無菌條件下進(jìn)行.為了保證藻液的純度,每天用顯微鏡觀察1次.
藻液置于人工氣候箱三角瓶內(nèi)培養(yǎng),光照和光暗培養(yǎng)溫度(22±0.5)°C,光照強(qiáng)度2 500lx,光暗周期14h∶10h.培養(yǎng)過程中每天用手搖動藻液6次.
藻液經(jīng)紫外線輻射后,靜置于生物培養(yǎng)箱黑暗培養(yǎng),培養(yǎng)溫度(22±0.5)°C.
藻種在指數(shù)生長期接種.選擇生長良好的處于穩(wěn)定生長期的藻液進(jìn)行試驗.試驗時藻液濃度約為107~108個·L-1.
試驗所采用的準(zhǔn)平行光束儀(北京安利斯科技發(fā)展有限公司)是按照國際紫外線協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計.選用低壓汞燈作為光源,紫外線燈管安裝在一個封閉的圓柱體內(nèi),在筒體的底部中央開口,下方接一段長度可以調(diào)節(jié)的內(nèi)徑為9.3cm 的圓管,使紫外線能夠垂直到達(dá)樣品的表面[14].紫外線燈管的功率為105 W,其中輸出254nm 波長紫外線的功率為35 W,通過改變筒體的長度,調(diào)節(jié)到達(dá)微生物的不同紫外線強(qiáng)度.
取15mL藻液,倒入Φ70mm 培養(yǎng)皿中,置于電磁攪拌器上攪拌,分別經(jīng)準(zhǔn)平行光束儀100,200,300和400mJ·cm-2的紫外線劑量輻射后立即倒入棕色瓶中,靜置于生物培養(yǎng)箱黑暗培養(yǎng).試驗采用紫外線強(qiáng)度為0.5~0.6mW·cm-2.紫外線強(qiáng)度用UVB型紫外線輻照計(北京師范大學(xué)科學(xué)儀器廠)測定.
紫外線劑量計算公式為
式中:D為紫外線劑量,mJ·cm-2;I為平均紫外線強(qiáng)度,mW·cm-2,根據(jù)國際紫外線協(xié)會提供的計算表格計算;t為輻射時間,s.
紫外線輻射藻液后黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d,取1mL,用Lugol碘液固定,顯微鏡下血球計數(shù)板計數(shù)并計算藻細(xì)胞密度.每個樣品計數(shù)3次.以未經(jīng)紫外線輻射的藻液作為空白對照樣,置于生物培養(yǎng)箱黑暗培養(yǎng).
經(jīng)紫外線輻射后的藻細(xì)胞會變形、破裂、內(nèi)容物溢出,試驗中無細(xì)胞壁或無內(nèi)容物的藻細(xì)胞被認(rèn)為是滅活.藻細(xì)胞滅活率計算公式為
式中:Nb為輻射前藻細(xì)胞個數(shù);Na為輻射后黑暗培養(yǎng)5d的藻細(xì)胞個數(shù).
黑暗時藻細(xì)胞不能進(jìn)行光合作用,會影響藻細(xì)胞的生長,黑暗對藻細(xì)胞的抑制率計算公式為
式中:Nd0為黑暗培養(yǎng)前藻細(xì)胞個數(shù);Nd為黑暗培養(yǎng)5d后藻細(xì)胞個數(shù).
由圖1可以看出,紫外線法對3 種硅藻的滅活效果表現(xiàn)出顯著的差異性.
梅尼小環(huán)藻在黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后藻細(xì)胞數(shù)量減少了38.8%,黑暗對藻細(xì)胞有一定的抑制作用,藻細(xì)胞需要光合作用才能生長,失去光合作用有一些藻細(xì)胞死亡.梅尼小環(huán)藻經(jīng)紫外線輻射黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后,藻細(xì)胞全部沉積在血球計數(shù)板上,隨著紫外線劑量的增加,藻細(xì)胞的內(nèi)容物中出現(xiàn)了更多深褐色的凝塊,細(xì)胞內(nèi)容物不完整的數(shù)量也增多,更多的藻細(xì)胞內(nèi)容物已經(jīng)完全消失只剩下細(xì)胞壁.梅尼小環(huán)藻對紫外線和黑暗環(huán)境的共同作用比較敏感,滅活率隨著劑量的增加而快速提高,在劑量為100 mJ·cm-2時的滅活率為48.1%.隨著劑量繼續(xù)增加,藻細(xì)胞對劑量的變化不再敏感,滅活率增加非常緩慢,在劑量為200,300和400mJ·cm-2時的滅活率分別為50.4%,51.4%和54.3%.紫外線法對梅尼小環(huán)藻具有較好的滅活效果.
圖1 紫外線法對3種硅藻的滅活效果Fig.1 The inactivation effect of UC-V on three species of Bacillariophyta
鈍脆桿藻在黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后藻細(xì)胞數(shù)量增加了32.5%,藻細(xì)胞對黑暗表現(xiàn)出很強(qiáng)的忍耐能力,失去光合作用仍有一些藻細(xì)胞能生長繁殖.鈍脆桿藻經(jīng)紫外線輻射黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后,有少量的藻細(xì)胞沉積在血球計數(shù)板底部,有的藻細(xì)胞內(nèi)容物中出現(xiàn)了深綠色的凝塊.小劑量的紫外線輻射會刺激鈍脆桿藻細(xì)胞生長,藻細(xì)胞數(shù)量隨著劑量的增加而增多.在紫外線輻射和黑暗環(huán)境的共同作用下,藻細(xì)胞數(shù)量明顯增多,在劑量為100和200 mJ·cm-2時,藻細(xì)胞數(shù)量分別增加34.5%和39.4%.在劑量大于200mJ·cm-2時,藻細(xì)胞數(shù)量隨著劑量的增加開始減少,紫外線對藻細(xì)胞的生長促進(jìn)作用開始減弱,在劑量為300和400 mJ·cm-2時藻細(xì)胞數(shù)量分別增加29.8%和16.8%.在劑量小于400 mJ·cm-2時紫外線法對鈍脆桿藻沒有滅活效果.
黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后谷皮菱形藻細(xì)胞數(shù)量減少了10%,黑暗對藻細(xì)胞的生長有抑制作用,藻細(xì)胞需要光合作用才能生長,失去光合作用5d有少量藻細(xì)胞死亡.谷皮菱形藻經(jīng)紫外線輻射黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后,大多數(shù)的藻細(xì)胞沉積在血球計數(shù)板底部,有的藻細(xì)胞內(nèi)容物不完整,有的藻細(xì)胞只剩下細(xì)胞壁.谷皮菱形藻對紫外線輻射敏感,滅活率隨著劑量的增加而提高,在劑量為100 mJ·cm-2時的滅活率為23.7%.隨著劑量繼續(xù)增加,藻細(xì)胞對劑量的變化不再敏感,滅活率增加緩慢,在劑量為200,300和400 mJ·cm-2時的滅活率分別為26.8%,32.2%和36.9%.紫外線法對谷皮菱形藻具有一定的滅活效果.
由圖2可以看出,紫外線法對3 種綠藻的滅活效果表現(xiàn)出巨大的差異性.
圖2 紫外線法對3種綠藻的滅活效果Fig.2 The inactivation effect of UC-V on three species of Chlorophyta
鐮形纖維藻在黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后藻細(xì)胞數(shù)量增加了20.9%,藻細(xì)胞對黑暗表現(xiàn)出一定的忍耐能力,失去光合作用5d有一些藻細(xì)胞能生長繁殖.經(jīng)紫外線輻射黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后,鐮形纖維藻有半數(shù)藻細(xì)胞沉積在血球計數(shù)板底部,細(xì)胞內(nèi)容物中出現(xiàn)了深綠色的凝塊.藻細(xì)胞對紫外線比較敏感,藻細(xì)胞數(shù)量隨著劑量的增加而快速減少.由于鐮形纖維藻在黑暗時生長繁殖的數(shù)量多于紫外線對藻細(xì)胞滅活而減少的數(shù)量,因此在紫外線輻射黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后藻細(xì)胞的數(shù)量仍然增加了,在劑量為100 mJ·cm-2時,藻細(xì)胞數(shù)量增加了2.2%.隨著劑量繼續(xù)增加,對藻細(xì)胞的生長促進(jìn)作用減弱,藻細(xì)胞數(shù)量開始減少,在劑量為200mJ·cm-2時細(xì)胞數(shù)量比對照樣增加0.7%.小劑量時紫外線法對鐮形纖維藻沒有滅活效果.在劑量大于300mJ·cm-2時對藻細(xì)胞有滅活效果,滅活率隨著劑量的增加開始快速提高,在劑量為300和400mJ·cm-2時的滅活率分別為1.2%和29.5%.
黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后斜生柵藻細(xì)胞數(shù)量增加了3.7%,藻細(xì)胞對黑暗表現(xiàn)出一定的忍耐能力,失去光合作用仍有少量藻細(xì)胞能生長繁殖.斜生柵藻經(jīng)紫外線輻射黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后,有少量藻細(xì)胞沉積在血球計數(shù)板底部,細(xì)胞顏色變暗,細(xì)胞群體不再排成一列,全部分散開.斜生柵藻對紫外線輻射非常不敏感,具有較強(qiáng)的抗性,隨著劑量的增加,藻細(xì)胞數(shù)量減少得非常緩慢.由于在黑暗時生長繁殖的藻細(xì)胞數(shù)量多于紫外線對藻細(xì)胞滅活而減少的數(shù)量,因此在紫外線輻射黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后藻細(xì)胞的數(shù)量仍然增加了,在劑量為100和200mJ·cm-2時藻細(xì)胞數(shù)量分別增加0.7%和0.4%.劑量增加到300mJ·cm-2時,對藻細(xì)胞有滅活效果,在劑量為300和400 mJ·cm-2時的滅活率分別為0.3%和3.2%.
黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后小球衣藻細(xì)胞數(shù)量減少了53.5%,黑暗對藻細(xì)胞生長有很強(qiáng)的抑制作用,藻細(xì)胞需要光合作用才能生長,失去光合作用5d有半數(shù)藻細(xì)胞死亡.小球衣藻經(jīng)紫外線輻射黑暗培養(yǎng)5d后,藻細(xì)胞全部沉積在血球計數(shù)板底部,細(xì)胞顏色變成淺綠色,隨著劑量的增加,藻細(xì)胞變型更嚴(yán)重,有更多細(xì)胞的內(nèi)容物溢出.小劑量的紫外線會刺激小球衣藻細(xì)胞生長,對藻細(xì)胞生長有促進(jìn)作用,藻細(xì)胞數(shù)量隨劑量的增加而增多.由于黑暗對小球衣藻細(xì)胞生長的抑制作用遠(yuǎn)大于紫外線輻射對藻細(xì)胞生長的促進(jìn)作用,因此藻細(xì)胞在5d后的數(shù)量還是顯著減少,在劑量為100和200mJ·cm-2時對藻細(xì)胞的滅活率分別為53.0%和49.3%.在劑量大于200mJ·cm-2時,藻細(xì)胞的數(shù)量開始緩慢減少,對藻細(xì)胞生長的促進(jìn)作用開始減弱.在劑量為300 和400 mJ·cm-2時的滅活率分別為57.1%和59.7%.紫外線法對小球衣藻有較好的滅活效果.
如圖3所示,銅綠微囊藻在黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后藻細(xì)胞數(shù)量減少了21.8%,黑暗對藻細(xì)胞生長有一定的抑制作用,失去光合作用有一些藻細(xì)胞死亡.經(jīng)紫外線輻射黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后,藻細(xì)胞全部沉積在血球計數(shù)板底部.銅綠微囊藻對紫外線輻射和黑暗的共同作用十分敏感,滅活率隨著劑量的增加而快速提高,在劑量為100和200mJ·cm-2時的滅活率分別為52.3%和73.4%.隨著劑量繼續(xù)增加,藻細(xì)胞對劑量變化不再敏感,滅活率增加緩慢,在劑量為300和400 mJ·cm-2的滅活率分別為77.3%和86.1%.紫外線法對銅綠微囊藻具有較好的滅活效果.
在黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后卵形隱藻細(xì)胞數(shù)量增加了28.4%,藻細(xì)胞對黑暗表現(xiàn)出很強(qiáng)的忍耐能力,失去光合作用5d仍有一些藻細(xì)胞能生長繁殖.卵形隱藻經(jīng)紫外線輻射再黑暗培養(yǎng)5d后,只有少量的藻細(xì)胞沉積在血球計數(shù)板底部.卵形隱藻對紫外線輻射很不敏感,具有一定的抗性,隨著劑量的增加,藻細(xì)胞數(shù)量減少緩慢.由于藻細(xì)胞在黑暗時生長繁殖的藻細(xì)胞數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于紫外線對藻細(xì)胞滅活而減少的數(shù)量,因此在紫外線輻射黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后藻細(xì)胞的數(shù)量仍然增加了,在劑量為100,200,300 和400 mJ·cm-2時,藻細(xì)胞數(shù)量分別增加22.8%,18.5%,11.5%和8.6%(圖3).在劑量小于400 mJ·cm-2時紫外線法對卵形隱藻沒有滅活效果.
圖3 紫外線法對銅綠微囊藻和卵形隱藻的滅活效果Fig.3 The inactivation effect of UC-V on Microcystis sp.a(chǎn)nd Cryptomonas ovata Her
水體中的藻細(xì)胞會處于一個接受陽光適宜、對自身生長有利的深度.試驗顯示,經(jīng)紫外線輻射黑暗環(huán)境培養(yǎng)5d后的藻細(xì)胞更易于沉降于血球計數(shù)板底部,并且隨著紫外線劑量的增加沉降的藻細(xì)胞數(shù)量更多.這可能是由于藻細(xì)胞經(jīng)紫外線照射后產(chǎn)生了自由基和活性氧[15-16],同時藻細(xì)胞的氣囊結(jié)構(gòu)受到了破壞,從而影響了藻細(xì)胞的懸浮功能.
有研究者認(rèn)為個體較小而具有較大表面積與體積比的藻細(xì)胞耐受紫外線輻射的能力更強(qiáng)[17],而Xiong等試驗研究認(rèn)為,藻細(xì)胞的大小可能改變紫外線篩選作用的有效性,但細(xì)胞個體大小與敏感性之間并沒有一致性關(guān)系[18].本試驗8種淡水藻中鐮形纖維藻和鈍脆桿藻的個體大小相差不多,紫外線對鐮形纖維藻的滅活率比較高,對青島大扁藻的滅活率比較低.因此,從試驗結(jié)果可以說明藻細(xì)胞個體大小可能不是影響紫外線滅活效果的原因.
從低等生物到高等生物的許多研究表明,生物體在受到輻射和化學(xué)藥物的低劑量處理后往往表現(xiàn)出促進(jìn)作用,這可能是由于生物的抗逆性起作用刺激生長.Stebbing把毒物在低濃度下出現(xiàn)這種增益現(xiàn)象是其在無毒情況下的刺激反應(yīng)稱為“毒物的興奮效應(yīng)”[19].紫外線UV-B輻射能促進(jìn)微藻生長的現(xiàn)象在其它的 試驗中 有 報 道[20-21],但UV-C 輻射能促進(jìn)藻細(xì)胞生長的現(xiàn)象未見報道.本試驗中小劑量的紫外線輻射能刺激鈍脆桿藻和小球衣藻細(xì)胞生長,隨著劑量增加藻細(xì)胞的數(shù)量也增多,當(dāng)劑量大于300 mJ·cm-2時,藻細(xì)胞的數(shù)量開始緩慢減少,對藻細(xì)胞的生長促進(jìn)作用開始減弱,并且隨著劑量的增加,減弱的幅度也增大.
大多數(shù)藻類是專性光合自養(yǎng)生物,以光作為能量,還原CO2為碳水化合物而獲得生物量.紫外線輻射能抑制藻細(xì)胞生長,引起葉綠素降解和光合速率下降,并進(jìn)一步證實這些傷害是由于藻細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生有傷害作用的活性氧(超氧陰離子自由基和過氧化氫)所致[22].本實驗中鈍脆桿藻和小球衣藻受到紫外線輻射,隨著劑量的增加,首先表現(xiàn)出對藻細(xì)胞生長的促進(jìn)作用,隨著劑量的進(jìn)一步增加,促進(jìn)作用逐漸減弱.可能是因為小劑量紫外線輻射刺激使藻細(xì)胞內(nèi)的活性氧含量增加,而清除活性氧的抗氧化系統(tǒng)也被紫外線誘導(dǎo)增強(qiáng),所以抗氧化能力增強(qiáng),藻細(xì)胞生長加快;但隨著紫外線劑量的增加,活性氧在細(xì)胞體內(nèi)大量積累,抗氧化系統(tǒng)不足以清除過量的活性氧,所以抗氧化能力下降,細(xì)胞受到氧化傷害,細(xì)胞分裂速度下降,并且隨劑量的增加促進(jìn)作用減弱;隨著劑量的進(jìn)一步增加,紫外線輻射開始對藻細(xì)胞產(chǎn)生了滅活作用.有的研究認(rèn)為紫外線吸收化合物如MAAs(mycosporine amino acid)、黃酮醇及多胺類化合物在保護(hù)水生生物免受紫外線輻射傷害起重要的作用[23],有試驗報道生物體內(nèi)抗氧化系統(tǒng),如抗氧化酶系統(tǒng)成分SOD,POD,GPX 和非酶系統(tǒng)成分如抗壞血酸、β胡蘿卜素、GSH 等在保護(hù)細(xì)胞免受輻射方面具有重要意義[24],也有文獻(xiàn)報道,紫外線輻射使藻細(xì)胞分泌大量多糖作為親水性基質(zhì),將紫外線吸收色素包裹在基質(zhì)中,既幫助紫外線吸收色素固定在細(xì)胞壁外,又延長了紫外線進(jìn)入細(xì)胞壁的通道,部分多糖直接和紫外線色素連接成為新型紫外線吸收活性物質(zhì)[25].小劑量的紫外線輻射能夠刺激鈍脆桿藻和小球衣藻生長,藻細(xì)胞的紫外線吸收化合物與抗氧化系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制的特殊性可能是根本原因,應(yīng)從生理生化指標(biāo)對它們做進(jìn)一步研究.
從紫外線對梅尼小環(huán)藻、谷皮菱形藻、小球衣藻、鐮形纖維藻、斜生柵藻和銅綠微囊藻的滅活效果圖中的曲線趨勢可以得出,當(dāng)紫外線劑量超過400 mJ·cm-2時,隨著紫外線劑量的增加,對這幾種藻的滅活效果可能會進(jìn)一步提高.當(dāng)紫外線劑量超過400mJ·cm-2的某一值時,可能會刺激鈍脆桿藻和卵形隱藻細(xì)胞的生長,也可能對藻細(xì)胞產(chǎn)生滅活作用.可以增加紫外線劑量做進(jìn)一步的試驗研究.
從試驗結(jié)果中可以看出,紫外線輻射對淡水藻的滅活效果較差,當(dāng)采用過濾和紫外線的組合工藝處理壓載水時,不能依靠紫外線工藝去除藻類.紫外線和高級氧化技術(shù)(AOT)聯(lián)用、紫外線和超聲波聯(lián)用、中壓紫外線可能將會成為壓載水處理技術(shù)的研究熱點之一.
(1)紫外線輻射對梅尼小環(huán)藻、谷皮菱形藻、小球衣藻和銅綠微囊藻具有一定的滅活效果,滅活率隨著紫外線劑量的增加而提高.
(2)小劑量的紫外線會刺激鐮形纖維藻和斜生柵藻細(xì)胞生長,藻細(xì)胞數(shù)量隨劑量的增加而增多,在劑量大于300mJ·cm-2時,藻細(xì)胞的數(shù)量開始緩慢減少.
(3)紫外線劑量小于400mJ·cm-2時紫外線法對鈍脆桿藻和卵形隱藻沒有滅活效果.
(4)紫外線輻射對淡水藻的滅活效果較差.
(5)藻細(xì)胞個體大小不是影響紫外線滅活效果的原因,藻的種類、藻細(xì)胞壁的有無及其成分的不同可能是造成不同滅活效果的原因.
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