林英姿 代瑋楠

(1:吉林建筑大學(xué)松遼流域水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春 130118;2:吉林省城市水資源與水環(huán)境修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室,長春 130118)

1 藻毒素的危害

近年來,大量有關(guān)藻毒素導(dǎo)致人體治病、動(dòng)物中毒甚至死亡的報(bào)道引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的特別關(guān)注.在自然界已知的毒素中,其毒性僅次于二惡英,位居第二位[1],已證實(shí)屬于“三致”(致畸、致癌、致突變)物質(zhì). 微囊藻毒素(Microcystins, MCs)與人類健康存在著密切的關(guān)系,其共軛立體結(jié)構(gòu)的改變會(huì)影響其毒性的改變,常見微囊藻毒素(MCs)按毒性的強(qiáng)弱可分為強(qiáng)毒性、中度毒性、弱毒性三大類.

對動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)研究證明,飲用含藻水后,會(huì)出現(xiàn)厭食、嘔吐、乏力、嗜睡、分泌物增多等癥狀,甚至導(dǎo)致呼吸急促、堵塞而死亡[2].如果人體直接接觸含有藻毒素的水,會(huì)引起敏感部位和皮膚過敏;少量入會(huì)引起急性胃腸炎,還會(huì)引起頭暈、目眩、惡心、嘔吐等癥狀;由于藻毒素已被證明是肝癌的強(qiáng)烈促癌劑,長期攝入會(huì)引起發(fā)肝癌等疾病.

根據(jù)流行病學(xué)調(diào)查顯示,利用同位素追蹤發(fā)現(xiàn)有70 %以上的MC分布在人體的肝臟和腎臟,是一種潛在的腫瘤促進(jìn)劑,通過對細(xì)胞間隙信號傳導(dǎo)等遺傳外過程的影響誘發(fā)腫瘤[3].微囊藻毒素可以降低吞噬細(xì)胞的吞噬能力、B淋巴細(xì)胞產(chǎn)生抗體的能力、T 淋巴細(xì)胞的增值能力[4]和自然殺傷細(xì)胞對腫瘤細(xì)胞的殺傷力[5].微囊藻毒素進(jìn)入細(xì)胞以后,造成細(xì)胞內(nèi)蛋白酶磷酸化和去磷酸化的失衡,從而使多種酶的活性發(fā)生改變,引起細(xì)胞內(nèi)生理、生化反應(yīng)的紊亂[6]的作用.

2 藻毒素的來源、分類及性質(zhì)

2.1 藻毒素的來源及分類

水體中的藻毒素可分為兩部分,一部分溶解在水體中,稱為溶解性藻毒素;另一部分在藻細(xì)胞內(nèi)合成,稱為細(xì)胞內(nèi)毒素.隨著藻細(xì)胞的生長繁殖,當(dāng)藻細(xì)胞破裂或老化死亡時(shí),胞內(nèi)毒素從藻細(xì)胞內(nèi)釋放出來并表現(xiàn)出毒性.一般情況下,藻細(xì)胞內(nèi)的藻毒素濃度要高于水中溶解性藻毒素濃度.淡水水體中的藻毒素主要由藍(lán)藻門的銅綠微囊藻毒素(Mieroeystis aeruginosa)產(chǎn)生,像曲魚腥藻(Anabaenaeontorta)、小球藻(ehlorella)及顫藻(Oscillatoria)的一些柱系也能產(chǎn)生藻毒素.此外,在綠藻、硅藻以及雙鞭毛藻等常見藻類中的個(gè)別種中也發(fā)現(xiàn)有藻毒素的產(chǎn)生.

目前，已發(fā)現(xiàn)的微囊藻毒素的異構(gòu)體有80多種,分別在多肽序列上、羥基化、去甲基化、差相異構(gòu)化上各有差異[7].此外,微囊藻毒素的同系物有近70多種,其中，MC-YR,MC-LR和MC-RR是普遍存在毒性較大且研究居多的三種類型,Y,L,R分別代表酪氨酸、亮氨酸和精氨酸,以MC-LR的急性毒性最強(qiáng).

2.2 藻毒素的性質(zhì)

藻毒素(MCs)是一種具有七態(tài)單環(huán)狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì),表達(dá)MCs生物活性的必須集團(tuán)是由特殊的氨基酸Adda的空間結(jié)構(gòu)構(gòu)成的,同時(shí)有間隔雙鍵和環(huán)狀結(jié)構(gòu)和的存在,使其在有色素存在和光照的條件下部分光解.而存在于MCs 分子的基團(tuán)中的β和γ雙鍵,又使其容易被氧化、生物降解和光降解[8].藻毒素(MCs)以中性或帶負(fù)電的分子集團(tuán)形式存在于水中,其分子量與活性炭吸附的分子量范圍接近,有較強(qiáng)的極性和親水性,水中溶解度可高達(dá)1 000 mg/L以上.能抵抗極端pH值,具有很高的耐熱性,在300 ℃的高溫下也不會(huì)失活、揮發(fā).試驗(yàn)表明,MCs在消毒的水庫中可保持穩(wěn)定12 d[9-10],在去離子水中可持續(xù)保持穩(wěn)定高達(dá)27 d,室溫下,在干燥的藻渣中,微囊藻毒素能生存6個(gè)月,潤濕后又會(huì)重新釋放到水體中.由于藻毒素自然降解過程是十分緩慢的,使常規(guī)工藝對MCs的去除成為一大難題.

3 藻毒素的去除方法

由于藻毒素對人類存在著較大的潛在性危害,國內(nèi)外對藻毒素去除方法的研究有了進(jìn)一步的進(jìn)展.目前,去除藻毒素的方法主要分為物理方法、化學(xué)方法和生物方法.

3.1 物理方法

(1) 活性炭吸附. 粉末活性炭(PAC)可有效去除由藍(lán)藻產(chǎn)生的微囊藻毒素(Microcystin，又稱MCYST，簡稱 MC).PAC的投加量影響MC的去除效果.通常認(rèn)為比外表積越大,吸附才能越強(qiáng).但研究發(fā)現(xiàn),孔體積才是影響活性炭吸附的主要因素.大量文獻(xiàn)表明,在常規(guī)水處理工藝中活性炭雖然可以有效去除MC但其性能會(huì)有所降低.當(dāng)MC被吸附到活性炭表面時(shí),存在兩種可能性,一種是被附著在活性炭表面的生物膜降解；一種是可能再次釋放到水體中,給人類健康造成危害.由此可見,對MC被吸附到活性炭表面上機(jī)理的研究尚不明確.

(2) 反滲透. 許多國家用反滲透來處理飲用水,MC的分子量在1 000左右,能被反滲透膜截留.研究發(fā)現(xiàn),反滲透對MC的去除率在95 %以上,超濾對MC的去除率近乎于100 %,而納濾可將水中的MC完全去除.膜過濾的去除效率雖然很高,但并不能從根本上去除藻毒素;而且從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面考慮,成本都很高,很難應(yīng)用于大型水廠.

3.2 化學(xué)方法

(1) 氯氧化. 氯氧化作為一種傳統(tǒng)的除藻方法,廣泛應(yīng)用于預(yù)處理工藝中.對含藻水進(jìn)行氯化時(shí),使藻類及藻毒素在后續(xù)常規(guī)處理工藝中去除,可有效降低胞外藻毒素的濃度,在氯的投加量為4 mg/L時(shí),胞外藻毒素的去除率可達(dá)到56 %.但用氯氧化藻毒素時(shí),水體中存在的如腐殖質(zhì)等天然有機(jī)物容易與氯作用生成三氯甲烷等有害副產(chǎn)物,引起水體的二次污染.

(2) 高錳酸鉀氧化. 高錳酸鉀對藻毒素具有一定的氧化降解能力,可用于破壞MC分子中Adda(結(jié)構(gòu)為3-氨基-9-甲氧基-2,6,8-三甲基-10-苯基-4(E),6(E)-二烯酸上)的不飽和雙鍵.有研究表明,高錳酸鉀可使藻細(xì)胞破裂導(dǎo)致胞內(nèi)藻毒素轉(zhuǎn)化成胞外藻毒素釋放到水體中,當(dāng)高錳酸鉀投加量增加時(shí),胞外藻毒素可被大部分去除.高錳酸鉀投加量為1 mg/L時(shí),20 min內(nèi)對濃度為200μg/L的MC-LR的去除率可達(dá)95 %以上.到目前為止,還沒有發(fā)現(xiàn)采用高錳酸鉀凈水能產(chǎn)生對人體有毒害作用的氧化副產(chǎn)物[11].所以,高錳酸鉀預(yù)氧化在去除藻毒素的研究領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣泛.

(3) 臭氧氧化. 臭氧是一種強(qiáng)氧化劑.早期的研究表明[12],1mg/L的O3對濃度為 60μg/L的MCs溶液的去除效果可達(dá)到100 %.O3對水中藻毒素的去除能力比氯、高錳酸鉀更有效,這與O3具有更高的氧化電位有關(guān).臭氧還可以起到除味、脫色、助凝等作用,操作簡單可行,但設(shè)備投資大,運(yùn)行費(fèi)用高.雖然關(guān)于臭氧去除水中藻毒素的副產(chǎn)物仍需做進(jìn)一步研究,但作為一種有效的凈水方法,仍具有良好的發(fā)展前景.

3.3 生物方法

(1) 微生物降解. 由于MC的化學(xué)結(jié)構(gòu)極為穩(wěn)定,一般的真核生物和細(xì)菌肽酶不能將其分解,呂錫武等[13]研究發(fā)現(xiàn),在好氧條件下微生物降解MC遠(yuǎn)比在缺氧條件下降解MC更有效,同時(shí)不會(huì)造成水體的二次污染.MC降解菌株可以廣泛應(yīng)用于水體環(huán)境中,可大規(guī)模消除水體中的MC,降解徹底、成本低.目前,國內(nèi)外學(xué)者仍在對降解MC的微生物種類及降解機(jī)理進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究.

(2) 人工濕地系統(tǒng). 通過構(gòu)建人工濕地系統(tǒng),利用濕地系統(tǒng)中的基質(zhì)、微生物及動(dòng)植物之間的相互協(xié)同作用,將水體中的MCs、有機(jī)物及其他污染物去除掉.人工濕地系統(tǒng)方法是近年來發(fā)展的一種新型處理MCs的方法,其中以機(jī)械過濾作用為主要機(jī)制,同時(shí)伴隨著生物作用和化學(xué)作用.利用人工濕地系統(tǒng)的方法可達(dá)到良好的環(huán)境治理效應(yīng),不會(huì)產(chǎn)生藻渣,而且具有非常強(qiáng)大的生態(tài)修復(fù)功能.

4 結(jié)語

目前,我國許多城市中的水體存在富營養(yǎng)化問題,藻類釋放大量的藻毒素,給水體環(huán)境和人類健康帶來嚴(yán)重的威脅.國內(nèi)在對藻類及藻毒素的去除技術(shù)方面研究比較廣泛,但對如何消除處理過程中產(chǎn)生的有害副產(chǎn)物的研究還比較少.我們?nèi)孕柙谇叭搜芯砍晒幕A(chǔ)上,進(jìn)一步研究和發(fā)現(xiàn)物理、生物、化學(xué)等各種去除藻毒素的技術(shù)方法,綜合利用,降低成本,建立一種高效、經(jīng)濟(jì)的去除MCs的技術(shù)手段.

參 考 文 獻(xiàn)

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