γ-射線輻照對(duì)太湖原水中越冬藍(lán)藻復(fù)蘇的抑制

鄭賓國(guó),張繼彪,羅興章,鄭 正*,劉 群,郭飛宏(.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 2009；2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院資源與環(huán)境研究所,河南 鄭州 45005；.復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,上海 2004)

γ-射線輻照對(duì)太湖原水中越冬藍(lán)藻復(fù)蘇的抑制

鄭賓國(guó)1,2,張繼彪3,羅興章3,鄭 正3*,劉 群1,郭飛宏1(1.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210093；2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院資源與環(huán)境研究所,河南 鄭州 450015；3.復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,上海 200433)

采用60Co衰變產(chǎn)生的γ-射線輻照太湖原水,研究其對(duì)水中越冬藍(lán)藻復(fù)蘇的抑制,分析不同吸收劑量和添加物(甲醇、碳酸鈉)對(duì)抑制效果的影響.結(jié)果表明,γ-射線輻照能有效抑制太湖水中越冬藍(lán)藻的復(fù)蘇,吸收劑量越大,抑制藍(lán)藻復(fù)蘇的效果越好.吸收劑量為5kGy的水樣,培養(yǎng)40d,水中葉綠素a(Chl-a)、葉綠素b(Chl-b)和藻藍(lán)素(PC)含量分別為對(duì)照樣的8.66%、16.8%和17.2%,抑制了越冬藍(lán)藻的復(fù)蘇.0.5%甲醇和0.22mmol/LNa2CO3添加物抑制了輻照過(guò)程,與不含添加物水樣相比,相同吸收劑量下,相同培養(yǎng)時(shí)間內(nèi),含添加物水樣中Chl-a、Chl-b和PC濃度較高.

越冬；藍(lán)藻；復(fù)蘇；γ-射線；輻照；抑制

近年來(lái),太湖和許多富營(yíng)養(yǎng)化湖泊,夏季常常發(fā)生藍(lán)藻水華,大量藍(lán)藻漂浮在水面或堆積在岸邊,高溫下分解,產(chǎn)生惡臭[1-2].一般情況下,藻類生長(zhǎng)繁殖緩慢,之所以在較短時(shí)間內(nèi)能形成水華,底泥和水體中越冬藍(lán)藻的復(fù)蘇和上升是關(guān)鍵因子.孔繁翔等[3-4]提出藍(lán)藻的生長(zhǎng)與水華形成共經(jīng)歷越冬休眠、春季復(fù)蘇、生長(zhǎng)和集聚上浮4個(gè)階段,影響每個(gè)階段的主導(dǎo)因子不同.在越冬期,由于不具備適宜的生長(zhǎng)條件,大量藻類沉入湖底,存于湖泊水體下層和底泥表面.比如許多絲狀藍(lán)藻,Anabaena和Aphanizomenon等可以產(chǎn)生休眠孢(Akinete)[5-6]存于底泥表面;塔瑪亞歷山大藻(Alexandriumtamarense)和鏈狀亞歷山大藻(A.catenella)細(xì)胞則形成配子,互相結(jié)合,變成游動(dòng)的合子(Hypnozygotes)并最終變成休眠孢囊沉降下來(lái)[7];而Microcystis和Gomphosphaeria等藻類越冬時(shí)形態(tài)不發(fā)生明顯變化,只是以休眠方式存在于底泥表層,并保持活性[8-9].在春季適宜條件下,越冬藍(lán)藻開始“復(fù)蘇”,迅速繁殖,并上浮聚集,形成藍(lán)藻暴發(fā)的“種源”.目前,對(duì)藍(lán)藻的控制措施多在水華形成之后實(shí)施[10-12].采取這些措施,雖能短時(shí)間內(nèi)清除或抑制水體中浮游藍(lán)藻,但作為“種源”的越冬藍(lán)藻依然存在,待外界環(huán)境因素適宜,能再次迅速繁殖形成水華.因此,在越冬期對(duì)“種源”藍(lán)藻采取治理措施,是防止藍(lán)藻水華暴發(fā)的一個(gè)新思路.

近些年,核輻射技術(shù)的不斷發(fā)展,為環(huán)境污染防治和廢物處理提供了一種有效的手段[13-16].輻射技術(shù)一般在常溫常壓進(jìn)行,工藝簡(jiǎn)單,處理過(guò)程中不加或少加化學(xué)藥品及催化劑,減少了二次污染.目前,未見有關(guān)抑制越冬藍(lán)藻復(fù)蘇研究的報(bào)道.本研究利用60Co衰變產(chǎn)生的γ-射線輻照太湖原水,考察不同吸收劑量和添加物對(duì)輻照抑制越冬藍(lán)藻復(fù)蘇效果的影響,為防止富營(yíng)養(yǎng)化水體藍(lán)藻水華暴發(fā)提供技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

于2009年12月,用40cm長(zhǎng)的PVC柱狀采水器采集太湖梅梁灣底層水樣,共采集 20L,水樣混裝.水樣測(cè)定結(jié)果為:溶解氧7.3mg/L;葉綠素濃度 40.55μg/L;水溫 9.6℃;pH7.9.

1.2 儀器與試劑

光照培養(yǎng)箱(GXZ300B,寧波江南儀器廠);臺(tái)式高速低溫離心機(jī)(AvantiTM J-30I,Beckman);熒光分光光度計(jì)(F-7000,Hitachi);顯微鏡(CKX4,Olympus);丙酮(分析純,國(guó)藥化學(xué)集團(tuán)公司);三羥甲基氨基甲烷(分析純,國(guó)藥化學(xué)集團(tuán)公司);標(biāo)準(zhǔn)樣品葉綠素a(Chl-a)、葉綠素b(Chl-b)、藻藍(lán)素(PC)均購(gòu)自Sigma公司.

1.3 輻照源與輻照過(guò)程

60Co輻照源(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院原子能研究所,源強(qiáng)度為1.85×1016Bq);取200mL太湖水樣分裝于500mL的密封玻璃瓶?jī)?nèi),放于離輻照源一定距離的位置進(jìn)行 γ-射線輻照,樣品的吸收劑量分別 1,2,3,4,5kGy.樣品吸收劑量采用重鉻酸銀劑量計(jì)跟蹤測(cè)定.

1.4 水樣培養(yǎng)

將輻照處理后水樣裝入經(jīng)高溫滅菌的三角瓶中,放置在光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng),培養(yǎng)溫度為25,℃光照強(qiáng)度2000lx;作為對(duì)照樣的原水,在相同條件下培養(yǎng).

1.5 分析方法

取采集的水樣少量,加入魯古氏碘液固定后,使用顯微鏡觀察藻類組成,未發(fā)現(xiàn)裸藻、紅藻和隱藻.

定期取一定量的培養(yǎng)水樣,按文獻(xiàn)[4]方法,提取色素,并使用熒光分光光度計(jì)測(cè)出其中藻類Chl-a、Chl-b和PC含量.在所有可發(fā)生光合作用的藻類中均能發(fā)現(xiàn) Chl-a,而在綠藻和裸藻中只含有Chl-b,在藍(lán)藻、紅藻和隱藻中含有PC.本實(shí)驗(yàn)中不存在裸藻、紅藻和隱藻,因此,Chl-a、Chl-b和PC含量可分別表征水體中藻類總量、綠藻數(shù)量和藍(lán)藻數(shù)量.

2 結(jié)果與討論

2.1 γ-射線輻照對(duì)越冬藍(lán)藻復(fù)蘇的抑制

γ-射線進(jìn)入水體后,先與水分子作用,在瞬間(10-7s)生成大量自由基(·OH、H·、 e-aq和 H3O+),其反應(yīng)如式(1)所示,式(1)中括號(hào)內(nèi)的數(shù)值表示每吸收 100eV的能量時(shí),水中產(chǎn)生的各種自由基的數(shù)量[17].由于水中存在分子氧,輻照產(chǎn)生的 H·和 eaq能與 O2反應(yīng)生成 H O.2和 O.2-[式(2)和式(3)];當(dāng)吸收劑量較大時(shí),ea-q和·OH、H+之間反應(yīng)生成 OH-和 H·[式(4)和(5)].此外,γ-射線輻照過(guò)程中,也會(huì)發(fā)生如式(6)～式(9)的反應(yīng),生成 H2O2、O2等[13].這些自由基能與水體中的溶解物或懸浮物發(fā)生作用.

2.1.1 γ-射線輻照對(duì)水樣中Chl-a含量的影響 取自太湖的水樣經(jīng) γ-射線處理后,放置在恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng),培養(yǎng)溫度25,℃光照強(qiáng)度2000lx,定期取樣分析水中Chl-a的變化,結(jié)果如圖1所示.

圖1 Chl-a含量隨吸收劑量和培養(yǎng)時(shí)間的變化Fig.1 Changes of Chl-a abundance with absorbed doses and culture time

圖 1表明,太湖水樣經(jīng) γ-射線輻照后,其Chl-a的含量減少,隨吸收劑量增加,Chl-a濃度降低.輻照后水樣經(jīng)相同時(shí)間培養(yǎng),隨吸收劑量增加,Chl-a的增加量逐漸減少.說(shuō)明 γ-射線處理后的水樣中藻類濃度降低,吸收劑量越大,藻類濃度越低;藻類濃度低的水樣,其復(fù)蘇量也比較少.圖1還表明,水樣經(jīng)40d培養(yǎng)后,對(duì)照樣中Chl-a的含量從 40.55μg/L 增加到 724.4μg/L,吸收劑量為5kGy的水樣,Chl-a含量從 7.28μg/L增加到62.7μg/L,為對(duì)照樣的 8.66%,即藻類總復(fù)蘇量?jī)H為對(duì)照樣的 8.66%,說(shuō)明 γ-射線輻照有效的抑制了越冬藻類的復(fù)蘇.

2.1.2 γ-射線輻照對(duì)水樣中 Chl-b含量的影響 取自太湖的水樣經(jīng)γ-射線處理后,在恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng),培養(yǎng)溫度為25,℃光照強(qiáng)度2000lx,定期取樣分析水中Chl-b的變化,結(jié)果如圖2所示.

圖2表明,水樣經(jīng)γ-射線輻照后,其Chl-b的含量減少,吸收劑量越大,Chl-b含量越低.輻照后的水樣經(jīng)相同時(shí)間培養(yǎng),吸收劑量越大,Chl-b增加的量越少.說(shuō)明輻照處理過(guò)的水樣中綠藻數(shù)量減少,且吸收劑量越大,綠藻數(shù)量越少;綠藻數(shù)量少的水樣,其復(fù)蘇量也比較少.圖2還表明,吸收劑量為5kGy的水樣,培養(yǎng)40d,其Chl-b含量從1.02μg/L增加到29.09μg/L;而相同培養(yǎng)時(shí)間,未經(jīng)輻照處理水樣中Chl-b含量從5.73μg/L增加到173μg/L,即輻照后水中綠藻復(fù)蘇量為對(duì)照樣的16.8%,表明γ-射線輻照有效抑制了越冬綠藻的復(fù)蘇.

圖2 Chl-b含量隨吸收劑量和培養(yǎng)時(shí)間的變化Fig.2 Changes of Chl-b abundance with absorbed doses and culture time

2.1.3 γ-射線輻照對(duì)水樣中PC含量的影響 將經(jīng) γ-射線輻照處理后的水樣放置在光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng),培養(yǎng)溫度為 25℃,光照強(qiáng)度 2000lx,定期取不同輻照劑量處理過(guò)的水樣,分析 PC含量,結(jié)果如圖3所示.

圖3 PC含量隨吸收劑量和培養(yǎng)時(shí)間的變化Fig.3 Changes of PC abundance with absorbed doses and culture time

圖3表明,經(jīng)γ-射線輻照后的水樣,PC的濃度降低,吸收劑量越大,PC濃度越低.輻照后的水樣經(jīng)相同時(shí)間培養(yǎng),隨吸收劑量增加,PC增加的量逐漸降低.說(shuō)明輻照處理過(guò)的水樣中藍(lán)藻濃度降低,吸收劑量越大,藍(lán)藻濃度越低;藍(lán)藻濃度低的水樣,其藍(lán)藻復(fù)蘇量也比較低.輻照劑量為5kGy的水樣,培養(yǎng)40d,PC含量從1.98μg/L增加到10μg/L,未經(jīng)輻照處理的水樣,其PC含量達(dá)到58μg/L,即輻照處理后藍(lán)藻復(fù)蘇量為對(duì)照樣17.2%,γ-射線輻照抑制了越冬藍(lán)藻的復(fù)蘇.

2.2 添加物對(duì)輻照的影響

2.2.1 添加甲醇對(duì)輻照的影響 為考察 γ-射線輻照產(chǎn)生的·OH自由基和 e-aq對(duì)藻類細(xì)胞的作用,在試驗(yàn)水樣中添加 0.5%甲醇.甲醇是一種良好的·OH 淬滅劑,能與·OH 和 e-aq反應(yīng)[13],其對(duì)輻照的影響如圖4所示.

圖4 甲醇對(duì)輻照的影響Fig.4 The effect of methanol on irradiation

圖 4表明,無(wú)論是否添加甲醇,水樣中Chl-a、Chl-b、PC含量均隨吸收劑量增加而降低.相同吸收劑量下,相比對(duì)照樣,添加甲醇水樣中 Chl-a、Chl-b、PC含量均比較高.吸收劑量為500Gy,未添加甲醇水樣中Chl-a、Chl-b、PC含量分別為2.28,1.02,1.98μg/L;添加甲醇水樣中Chl-a、Chl-b、PC 含量為 12.25,1.93,7.02μg/L,說(shuō)明甲醇抑制了γ-射線輻照對(duì)藻類細(xì)胞的作用.原因是 CH3OH與·OH和 e-aq發(fā)生反應(yīng)[式(10)和式(11)],降低了水中·OH 和 e-aq濃度,抑制了輻照過(guò)程.此結(jié)論也表明,·OH 和在輻照過(guò)程中起重要作用.

2.2.2 Na2CO3對(duì)輻照的影響 Na2CO3進(jìn)入水體后水解生成 H CO3-和 C O32-,能與·OH、e-aq和·H發(fā)生反應(yīng).試驗(yàn)水樣中添加0.22mmo/LNa2CO3,考察其對(duì)輻照的影響,結(jié)果如圖5所示.

圖5 碳酸鈉對(duì)輻照的影響Fig.5 The effect of sodium carbonate on irradiation

由圖 5可知,無(wú)論是否添加 Na2CO3,隨吸收劑量增加,培養(yǎng)后水樣中Chl-a,Chl-b,PC的含量均降低.但添加 Na2CO3后,相同吸收劑量下,水樣中 Chl-a,Chl-b,PC 含量分別為 11.73,1.83,5.93μg/L,均比未添加 Na2CO3水樣中的 Chl-a,Chl-b,PC含量高.這表明 Na2CO3抑制了輻照對(duì)藻類的作用,原因是發(fā)生了如式(12)～(16)的反應(yīng)[18].此結(jié)論進(jìn)一步說(shuō)明和·H在輻照過(guò)程中起重要作用.

3 結(jié)論

3.1 γ-射線輻照能有效抑制太湖水中越冬藍(lán)藻的復(fù)蘇,吸收劑量越大,抑制藍(lán)藻復(fù)蘇的效果越好.吸收劑量為5kGy的水樣,培養(yǎng)40d,水中Chl-a、Chl-b和PC含量?jī)H為對(duì)照樣的8.66%、16.8%和17.2%,越冬藍(lán)藻的復(fù)蘇受到了抑制.

3.2 0.5%CH3OH和 0.2mmol/LNa2CO3添加物抑制了 γ-射線輻照對(duì)藻類細(xì)胞的作用,原因是CH3OH能清除水中的·OH和 eaq;Na2CO3能與水中的·OH、 ea-q和·H 反應(yīng),降低其濃度,這也說(shuō)明·OH、 ea-q和·H自由基在輻照過(guò)程中起著重要作用.

[1] 馬榮華,孔維娟,段洪濤,等.基于MODIS影像估測(cè)太湖藍(lán)藻暴發(fā)期藻藍(lán)素含量 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2009,29(3):254-260.

[2] Chen Y W, Qin B Q, Teubner K, et al. Long-term dynamics of phytoplankton assemblages: Microcystis-domination in Lake Taihu, a large shallow lake in China [J]. Journal of Plankton Research, 2003,25:445-453.

[3] 孔繁翔,高 光.大型淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中藍(lán)藻水華形成機(jī)理的思考 [J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2005,25(3):589-595.

[4] 閻 榮,孔繁翔,韓小波.太湖底泥表層越冬藻類群落動(dòng)態(tài)的熒光分析法初步研究 [J]. 湖泊科學(xué), 2004,16(2):163-168.

[5] Annika SD, Lars-Anders H.Effect of bioturbation on recruitment of algal cells from the “seed bank” of lake sediments [J]. Limnol.Ocean, 2002,47(6):1836-1843.

[6] 顧海峰,藍(lán)東兆,方 琦,等.我國(guó)東南沿海亞歷山大藻休眠孢囊的分布和萌發(fā)研究 [J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2003,14(7):1147-1150.

[7] Hense I, Beckmann A.Towards a model of cyanobacteria life cycle-effects of growing and resting stages on bloom formation[J]. Ecological Modelling, 2006,195(324):205-218.

[8] Barbiero R P, Welch E B. Contribution of benthic blue-green algal recruitment to lake populations and phosphorus translocation [J].Freshwater Biology, 1992,27:249-260.

[9] Brunberg A K, Blomqvist P.Benthic overwintering of Microcystis colonies under different environmental conditions [J]. Journal of Plankton Research, 2002,24:1247-1252.

[10] Satoshi N, Yutaka H, Masaaki H, et al. Growth inhibition of blue-green algae by allelopathic effects of macrophytes [J]. Water Science and Technology, 1999,39:47-53.

[11] Lee T J, Nakano K. Matsurnara ultrasonic irradiation for blue-green algae bloom control [J]. Environmental Technology,2001,22:383-390.

[12] Zeeshan M, Prasad S M. Differential response of growth,photosynthesis, antioxidantenzymes and lipid peroxidation to UV-B radiation in three cyanobacteria [J]. South African Journal of Botany, 2009,75:466-474.

[13] Basfar A A, Khan H, Al-Shahrani A A, et al. Radiation induced decomposition of methyl tert-butyl ether in water in presence of chloroform:kinetic modelling [J]. Water Research, 2005,39:2085-2095

[14] 胡 俊,王建龍.γ-射線輻照-H2O2聯(lián)合技術(shù)降解3-氯酚的研究[J]. 環(huán)境科學(xué), 2009,30(10):2937-2941.

[15] 袁守軍,鄭 正,牟艷艷,等.γ-射線輻照法去除水中的六價(jià)鉻 [J].中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2005,25(6):655-659.

[16] Zhang J B, Zheng Z, Zhang Y N. Low-temperature plasma-induced degradation of aqueous 2,4-dinitrophenol [J].Journal of Hazardous Materials, 2008,154:506-512.

[17] Woods R J, Pikaev A K. Applied radiation chemistry: radiation processing [M]. New York: John Wiley and Sons, 1994.

[18] Buxton G V, Ereenstock C L, Helman W P, et al. Critical review of rate constants for reactions of hydrated electrons, hydrogen atom and hydroxyl radicals (OH/O-) in aqueous solution [J].Journal of Physical and Chemical Reference Data, 1988,17(2):513-887.

Inhibition of overwinter cyanobacteria recovery in Taihu water by gamma-ray irradiation.

ZHENG Bin-guo1,2, ZHANG Ji-biao3, LUO Xing-zhang3, ZHENG Zheng3*, LIU Qun1, GUO Fei-hong1(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210093, China；2.Institute of Resources and Environment, Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management, Zhengzhou 450015, China；3.Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China). China Environmental Science, 2011,31(2)：316～320

The inhibition of overwintering cyanobacteria recovery in Taihu Water by gamma-ray irradiation from60Co was studied, the effects of different absorbed doses and additives (methanol, sodium carbonate) on inhibition were investigated.Gamma-ray irradiation significantly inhibited the recovery of overwintering cyanobacteria, the increasing of absorbed dose enhanced the inhibition effect. The ratio of chlorophyll a, chlorophyll b and phycocyanin, in water with the absorbed dose of 5kGy and 40 days culture, were 8.66%、16.8% and 17.2% to that in control sample, the recovery of overwintering cyanobacteria was inhibited. 0.5% CH3OH、0.22mmol/LNa2CO3additives restrained irradiation process, with the same absorbed dose and culture time, the chlorophyll a, chlorophyll b and phycocyanin concentration in water sample contained additives were higher than that in control sample.

overwintering；cyanobacteria；recovery；gamma-ray；irradiation；inhibition

X172

A

1000-6923(2011)02-0316-05

2010-06-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11075039); “十一五” 國(guó)家重大水專項(xiàng)(2008ZX07101-004)

* 責(zé)任作者, 教授, zzhenghj@fudan.edu.cn

鄭賓國(guó)(1979-),男,河南漯河人,博士,主要從事水污染控制研究.發(fā)表論文10余篇.