產(chǎn)嗅藻類對東太湖某地原水中嗅味物質(zhì)2-MIB的貢獻

邵 晨,黎 雷*,于水利,侯立安,楊 帆,殷 祺,漆 晴(.同濟大學環(huán)境科學與工程學院,上海0009；.吳江華衍水務有限公司,蘇州 50)

產(chǎn)嗅藻類對東太湖某地原水中嗅味物質(zhì)2-MIB的貢獻

邵 晨1,黎 雷1*,于水利1,侯立安1,楊 帆2,殷 祺2,漆 晴2(1.同濟大學環(huán)境科學與工程學院,上海200092；2.吳江華衍水務有限公司,蘇州 215220)

針對東太湖某水源地原水中嗅味物質(zhì) 2-甲基異莰醇(2-MIB)濃度過高問題,檢測并鑒定原水中藻類分布及組成,考察并建立藻類與2-MIB的相關性,并利用16SrDNA基因測序方法對其中兩種主要絲狀藻類進行鑒定.結果表明:兩個原水取水口及附近養(yǎng)殖區(qū)中2-MIB與藻密度呈明顯的線性相關(R2>0.85),且顫藻目浮絲藻、澤絲藻以及針桿硅藻等占總藻數(shù)量的 55%以上.值得注意的是,存在于藻細胞內(nèi)部的2-MIB比例可達68%,水處理過程中需考慮胞內(nèi)2-MIB的釋放風險.此外,對養(yǎng)殖區(qū)周圍水質(zhì)數(shù)據(jù)分析表明采樣點中2-MIB濃度、藻密度、氨氮濃度均和其與離養(yǎng)殖區(qū)距離呈負相關性,表明該地區(qū)取水口附近的水產(chǎn)養(yǎng)殖可能是導致2-MB偏高的主要原因.

2-甲基異莰醇;16SrDNA測序;藻源嗅味物質(zhì);胞內(nèi)胞外;藻類代謝產(chǎn)物

嗅味問題是導致全世界范圍飲用水質(zhì)量遭投訴的最常見也是最主要的問題.歐美國家開展的相關研究較早,高達 40%以上的水廠存在嚴重的嗅味問題[1].我國在嗅味方面的研究開展較晚,但近年來我國有關嗅味問題的報道也逐漸增多[2].飲用水的嗅味主要包括土霉味、青草味、魚腥味等[3],其中以能夠產(chǎn)生土霉味的 2-甲基異莰醇(2-MIB)為代表性嗅味物質(zhì)分布較為廣泛,成為很多水廠夏季水質(zhì)不達標的主要因素.國內(nèi)東湖流域監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示其嗅味物質(zhì)中2-MIB為主要成分,濃度為其他幾種嗅味物質(zhì)的十幾倍甚至幾十倍[4].

引起飲用水嗅味原因可分為人為因素和天然因素.其中人為因素主要是向水體中直接傾倒和排放能夠產(chǎn)嗅的廢水;而天然因素則是普遍存在于水體中的原因,主要由水體中如藍藻、硅藻、放線菌等的代謝產(chǎn)物引起[5].研究表明有超過 40多種藍藻可產(chǎn)生 2-MIB,包括束絲藻、魚腥藻、顫藻等[6];也有研究者發(fā)現(xiàn)嗅味物質(zhì)濃度與水中氮、磷等營養(yǎng)元素濃度以及藻類、放線菌密度相關,同時藻類、放線菌相互利用各自代謝產(chǎn)物而生成的次級代謝產(chǎn)物中也包含嗅味物質(zhì)[7].藻源嗅味物質(zhì)對原水水質(zhì)存在顯著影響.本研究針對東太湖某取水口夏季2-MIB濃度嚴重超標的問題,研究了水中主要致嗅藻類的分布及其對2-MIB的貢獻,利用基因檢測方法鑒定優(yōu)勢藻種類,并提出相關對策,以期對水廠出水中 2-MIB的控制和達標提供一定理論支持.

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

嗅味檢測儀器為氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(789A-5957c,安捷倫,美國);藻類鏡檢采用光學顯微鏡(CX31,奧林巴斯,日本).藻類過濾采用玻璃纖維膜(0.7μm,Whatman,英國).

2-甲基異莰醇(2-MIB)標樣、內(nèi)標物2-異丁基-3-甲氧基吡嗪(2-Isobutyl-3-methoxypyrazine, IB)標樣均為色譜純,純度不低于 95%(Sigma,美國),使用前用Milli-Q超純水稀釋至所需濃度.甲醇為色譜純,純度不低于90%(Sigma,美國).NaCl、NaOH和HCl為分析純(國藥化學試劑,中國).

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品采集 2013年8月在太湖某水源地水廠取水口A、取水口B以及附近養(yǎng)殖區(qū)連續(xù)取樣,采集水面下 0.5m處水樣,低溫保存至實驗室進行嗅味物質(zhì)及藻類檢測.

1.2.2 2-MIB分析測定嗅味物質(zhì)通過固相微萃取-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)進行測定,結果為水中溶解態(tài)與顆粒物吸附態(tài)總和.利用頂空固相微萃取 CTC自動進樣器富集水中痕量待測嗅味物質(zhì),10mL樣品添加3g氯化鈉,在65℃下同步震蕩萃取30min.GC條件為載氣為高純氦氣(99.999%);壓強為90kPa;柱中流速為1.45mL/min;不分流進樣;柱初始溫度為60℃,保持3min,以6℃/min升溫至150oC,再以15℃/min升溫至250℃,保持3min;進樣口溫度250℃.MS條件為電子轟擊源(EI);電子能量為 70eV;離子源溫度為 200℃;接口溫度為 250℃;離子掃描范圍為 m/z 45～500;掃描時間為5.0～20.27min.采用SIM模式時,2-MIB特征離子為95,108,保留時間為 12.033min;IB特征離子為138,124,保留時間為11.781.

1.2.3 藻類密度分析及 DNA測序鑒定利用濃縮過濾方法收集水中藻細胞進行顯微鏡下觀察藻類計數(shù)[8].具體步驟為,將 250mL原水經(jīng)0.45μm濾膜過濾后,用蓋玻片將膜表面藻細胞刮下并溶于3mL Milli-Q超純水中,然后采用血球計數(shù)板進行顯微鏡計數(shù)與種類鑒定.將原水藻類經(jīng)過分離提純后,取新鮮藻液 50mL,用濾膜將藻類截留后,研磨震蕩使其細胞破裂,提取 DNA,通過16S rDNA測序方法,利用藍藻通用引物進行擴增測序,結果與基因庫進行比對,鑒定藻種類.

2 結果與討論

2.1 原水嗅味物質(zhì)含量

東太湖某水廠每年夏季都存在原水中2-MIB濃度過高的問題,以 2013年夏季的數(shù)據(jù)(圖1)為例可知,從7月中旬起,取水口A和B及附近養(yǎng)殖區(qū)中2-MIB濃度開始出現(xiàn)攀升,最高可達 1000ng/L,取水口采樣點平均值均超過100ng/L,養(yǎng)殖區(qū)的采樣點平均值甚至高達503.62ng/L,而 2-MIB 的嗅閾值僅僅為 10～15ng/L,且常規(guī)水處理工藝對2-MIB的去除率非常低[9],極易導致出水嗅味濃度超標.

圖1 2013年7月太湖某取水口A、B及附近養(yǎng)殖區(qū)典型嗅味物質(zhì)2-MIB濃度Fig.1 Concentration of typical odor compound 2-MIB in two water intakesand a nearby aquiculture area of Tai Lake in July, 2013

2.2 藻種類數(shù)量分布與主要藻類基因鑒定

圖2 DNA電泳條帶Fig.2 DNA electrophoresis bands

以往關于太湖中藻類的研究報道以微囊藻等為主[10-11],而本研究結果表明(圖2),取水口A、B以及養(yǎng)殖區(qū)原水中藻類均以絲狀藻和硅藻為主.通過顯微鏡觀察,發(fā)現(xiàn)絲狀藻主要分為兩種.分離提純后分別提取其DNA,通過瓊脂糖電泳測定其堿基長度基本均在 5000bp位置(圖 2).將DNA樣品進行測序與現(xiàn)有基因庫進行比對,結果發(fā)現(xiàn)一種藻類 DNA與 Limnothriχ sp.匹配度達100%,另一種與 Planktothriχpseudagardhii匹配度達99%.可以確定兩者均為藍藻門顫藻目,前者為澤絲藻屬,后者為浮絲藻屬.有研究表明,浮絲藻能夠產(chǎn)生典型嗅味物質(zhì)如 2-MIB、土嗅素等

[12-13],同時,其部分種類會分泌藻毒素,包括肝毒性的微囊藻毒素(Microcystins)、海兔毒素(Aplysiatoxin),神經(jīng)毒性的魚腥藻毒素-a (Anatoxin-a)以及貝類麻痹性毒素(PSP)[14-15].因而該種藻類也被認作極為重要的有害藍藻之一.另有研究表明浮絲藻不僅在富營養(yǎng)型水體中生長,同時在中營養(yǎng)型寬闊淺水水體中也能大量繁殖[16].東太湖地區(qū)湖水平均深度不足 3m,湖面寬闊風力較小,從春季進入夏季后,湖水流速下降,水溫穩(wěn)定在30℃,這些條件均適宜澤絲藻、浮絲藻等對水力沖刷較敏感的絲狀藍藻生長.

圖3 采樣點藻種類分布Fig.3 Distribution of algae species in sampling places

圖4 典型藻類顯微鏡照片F(xiàn)ig.4 Microscope photos of typical odor producing algae

通過連續(xù)監(jiān)測原水中藻類含量,澤絲藻、浮絲藻與針桿硅藻分別占總藻數(shù)量的 36.34%、26.28%和15.03%,連續(xù)測定9d的監(jiān)測結果基本一致,表明水體環(huán)境適宜上述幾種藻類生長,且組成穩(wěn)定,文獻[17-18]表明顫藻目絲狀藍藻類,如顫藻屬、浮絲藻屬等藍藻會產(chǎn)生大量2-MIB,單位藻體產(chǎn)生的2-MIB濃度可達0.75pg/cell,童淑珠[19]報道Oscillatoriasp.可以產(chǎn)生2-MIB,吳中興等[16]研究發(fā)現(xiàn)多種拉氏擬擬浮絲藻類均能產(chǎn)生典型嗅味物質(zhì).而其他典型藍藻諸如銅綠微囊藻,其單位藻體產(chǎn)生的 2-MIB 濃度僅僅為 5.98× 10-5pg/cell[20].此外,上述 3處水樣中還能觀察到其他致嗅藻類諸如柵列藻、盤星藻、鼓藻等,圖4為水樣中代表性藻類鏡檢圖.進一步說明當?shù)卦写嬖诖罅靠梢葬尫判嵛段镔|(zhì)的藍藻,在溫度、光照適應情況下,會迅速增殖并合成釋放嗅味物質(zhì)進入水體,即水源中的致嗅藻類可能是2-MIB的重要來源.

2.3 藻類密度與嗅味物質(zhì)濃度關系

原水中 2-MIB 濃度較高,平均值為608.35ng/L,其中養(yǎng)殖區(qū)濃度高于取水口 A、B,具體見表1.

表1 采樣點2-MIB濃度(ng/L)Table 1 Concentration of 2-MIB in sampling places(ng/L)

圖5和表1中數(shù)據(jù)表明2-MIB濃度與藻類密度有較強的線性相關性(R2=0.85),每個藻細胞對應2-MIB濃度為 0.59pg/cell,即當藻細胞濃度達到16949.15個/L時,2-MIB濃度便可超過國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)[21]中規(guī)定的10ng/L.因此該地區(qū)水中致嗅藻類的存在將極大影響水質(zhì)安全.同時,結果還表明(圖 6),水中氨氮濃度與藻密度相關性明顯,且氨氮濃度從養(yǎng)殖區(qū)向取水口A和B方向依次降低,推測主要由魚蝦類水產(chǎn)動物的代謝導致養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)較高的氨氮濃度,并逐漸向外圍擴散.隨著采樣點逐漸遠離養(yǎng)殖區(qū),水樣中藻類密度、2-MIB濃度呈線性下降(圖7),證明取水口附近的水產(chǎn)養(yǎng)殖可能會導致當?shù)卮婊畲罅慨a(chǎn)嗅藻類并釋放嗅味物質(zhì),或者使原本由于當?shù)靥厥獾乩項l件情況下生長的大量產(chǎn)嗅藻類在該營養(yǎng)鹽條件下大量合成釋放嗅味物質(zhì).

圖5 藻類密度與2-MIB濃度相關性Fig.5 Correlation between the concentration of algae and 2-MIB

圖6 藻類密度與氨氮濃度關系Fig.6 Correlation between the concentration of algae and ammonia nitrogen

圖7 藻類密度與2-MIB濃度隨距離變化Fig.7 Correlation between the concentration of algae and 2-MIB along withdistance variation

2.4 嗅味物質(zhì)在藻細胞內(nèi)外的分布

圖8 藻細胞、胞外水溶液中2-MIB濃度比例Fig.8 Proportion ofintracellular andextracellular concentration of 2-MIB

為進一步確定原水中藻類對與嗅味物質(zhì)貢獻,測定了藻細胞內(nèi)和胞外水溶液中2-MIB濃度(圖8),取水口A和B水樣中胞內(nèi)2-MIB濃度均大于30%.養(yǎng)殖區(qū)水樣中胞內(nèi)2-MIB濃度所占比例較取水口處高接近一倍,達到68%,表明取水口處的2-MIB部分由取水口處的藻細胞釋放,部分可能來自于養(yǎng)殖區(qū)的擴散.綜上,藻細胞自身含有大量2-MIB,當藻細胞經(jīng)預氧化等處理細胞破裂后,其胞內(nèi)嗅味物質(zhì)會大量進入水溶液,造成溶解性嗅味物質(zhì)濃度升高,因此,實際生產(chǎn)采用預氧化除藻時,應優(yōu)選氧化劑并優(yōu)化氧化劑濃度,盡量控制藻細胞的破裂及胞內(nèi)嗅味物質(zhì)的釋放.

3 結語

東太湖某水源地水體富營養(yǎng)化、氨氮濃度升高,同時水深較淺,夏季高溫時水體波動較小,致使大量澤絲藻,浮絲藻等致嗅絲狀藍藻的生長,在其生長過程中代謝生成大量 2-MIB,導致原水中嗅味物質(zhì)2-MIB濃度嚴重過量.若想從根源解決該地區(qū)原水中的嗅味問題,應考慮停止取水口附近的水產(chǎn)養(yǎng)殖,并進一步研究上述幾種致嗅藻類的對各種環(huán)境條件的響應機制,提出最適宜的技術手段.

[1]Suffet I H, Corado A, Chou D, et al. AWWA taste and odor survey [J]. Journal of the American Water Works Association, 1996, 88(4):168?180.

[2]李 勇,陳 超,張曉健,等.東江水中典型致嗅物質(zhì)的調(diào)查 [J].中國環(huán)境科學, 2008,28(11):974-978.

[3]劉妍娟,儲昭升,金相燦,等.螺旋魚腥藻土嗅素的產(chǎn)生和分布規(guī)律 [J]. 中國環(huán)境科學,2009,29(10):1082-1085.

[4]徐 盈,黎 雯,吳文忠.東湖富營養(yǎng)水體中藻菌異味性次生代謝產(chǎn)物的研究 [J]. 生態(tài)學報, 1999,19(2):212-216.

[5]馬曉燕.土臭素和二甲基異冰片的控制技術及機理研究 [D].上海:同濟大學環(huán)境科學與工程學院, 2007.

[6]IzaguirreG, Taylor W D. Geosmin and MIB events in a new reservoir in southern California [J]. Water Science and Technology, 2007,55(5):9-14.

[7]SugiuraN, IwamiN, InamoriY, et al. Significance of attached cyanobacteria relevant to the occurrence of musty odor in lake Kasumigaura [J]. Water Research, 1998,32(12):3549-3554.

[8]王 瓚,喬俊蓮,王國強,等.濃縮過濾--超聲震蕩法檢測水中藻類 [J]. 中國給水排水, 2008,24(14):86-87.

[9]馬 軍,李學艷,陳忠林等.臭氧氧化分解飲用水中嗅味物質(zhì) 2-甲基異莰醇 [J]. 環(huán)境科學, 2006,27(12):2483-2487.

[10]顧蘇莉,陳 方,孫將陵.太湖藍藻檢測及暴發(fā)情況分析 [J]. 水資源保護, 2011,27(3):28-32.

[11]徐 瑤.富營養(yǎng)化水體微囊藻分子生態(tài)研究 [D]. 南京:南京師范大學, 2011.

[12]Tsuchiya Y, Matsumoto A. Identification of volatile metabolites produced by blue-green algae [J]. Water Science and Technology, 1988,20:149-155.

[13]Berglind L, JohnsenI J, Ormerod K, et al. Oscillatoriabrevis (Kütz) Gom. and some other especially odouriferous benthic Cyanophytes in Norwegian inland waters [J]. Water Science and Technology, 1983,15:241-246.

[14]Sivonen K, Jones G. Cyanobacterial toxins [C]//Bartram J, Chorus I. Toxic Cyanobacteria in water: a guide to their public health consequences, monitoring and management. London: E & FN Spon, 1999:41-111.

[15]Pomati F, Sacchi S, Rossetti C, et al. The freshwater cyanobacteriumPlanktothriχsp. FP1: molecular identification and detection of paralytic shellfish poisoning toxins [J]. J. Phycol., 2000,36:553-562.

[16]吳中興,余博識,彭 欣,等.中國水華藍藻的新記錄屬--擬浮絲藻屬(Planktothricoides) [J]. 武漢植物學研究, 2008,26(5): 461-465.

[17]Li Zonglai, Peter Hobson, An Wei, et al. Earthy odor compounds production and loss in three cyanobacterial cultures [J]. Water Research, 2012,46(16):5165-5173.

[18]Kevin K, Schradera, Margaret E, et al. Cyanobacteria and earthy/musty compounds found in commercial catfish (Ictaluruspunctatus) ponds in the Mississippi Delta and Mississippi-Alabama Blackland Prairie [J]. Water Research, 2005, 39(13):2807-2814.

[19]童淑珠.水源中2-MIB與geosmin鑒定與氧化之研究 [D]. 臺南:國立成功大學, 2006.

[20]Li Lei, GaoNaiyun, Deng Yang, et al. Characterization of intracellular and extracellular algae organic matters (AOM) of Microcysticaeruginosa and formation of AOM-associated disinfection byproducts and odor and taste compounds [J]. Water Research, 2012,46(4):1233-1240.

[21]GB5749-2006 生活飲用水衛(wèi)生標準 [S].

京津冀有望用上“海電”

據(jù)報道,位于唐山灣、規(guī)模為300臺,每臺單機容量為4MW的京津冀地區(qū)首個海洋風電項目,將于2016年完成裝機和建成調(diào)試,并將于2017年初并入電網(wǎng),直供京津冀地區(qū)使用.

京津冀地區(qū)空氣污染嚴重,發(fā)展清潔能源已成為多方共識.海上風電是清潔能源發(fā)展的新方向之一.不久前國家發(fā)改委制定出臺了海上風電價格政策,此舉助推了海上風電項目的發(fā)展建設,進一步優(yōu)化能源結構,促進節(jié)能減排.那么,海上風電具備哪些優(yōu)勢,其發(fā)展前景如何,其他國家又是如何發(fā)展的?

摘自中國環(huán)境報2014-08-21

Contribution of algae on theoccurrence of odor and taste compound 2-MIB in drinking water source of East Tai Lake

SHAO Chen1, LI Lei1*, YU Shui-li1, HOU Li-an1, YANG Fan2, YIN Qi2, QI Qing2(1.College of Environmental

Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Huayan Water Service Corporatiion limited, Suzhou 215220, China). China Environmental Science, 2014,34(9)：2328～2333

To figure out the reasonof severe odor problem in the water source of East Taihulake, the algae species and cell densities, as well as their correlationswith 2-MIBconcentration were investigated. Two dominated filamentous algae species in the water were identified according to16S rDNAdetection. The result indicated thatthe algae cell density and the concentration of 2-MIB were of high correlation with R2>0.85.Sometypical odor compounds producer Oscillatoriales (includingthe identified species Limnothrix and Planktothrix) and Synedraaccount for over 55% of the total algae cell numbers. In particular, the intracellular 2-MIB account for 68%of its total concentration, indicating the risk of intracellular 2-MIB release during the water treatment. In addition, the density of algae as well as the concentration of 2-MIB and ammonia nitrogen were decreased withthe increasing distance between sampling points and the aquiculture zone, suggesting that the high concentration of 2-MIB around the intakes wasprobably caused by the aquiculture activities.

2-MIB；16SrDNAgene identification；algae related odor and taste compounds；intracellular-extracellular；algae metabolism products

X524

A

1000-6923(2014)09-2328-06

邵 晨(1988-),男,吉林長春人,同濟大學環(huán)境科學與工程學院碩士研究生,主要從事水處理理論與技術研究.

2013-11-25

國家科技重大專項資助(2012ZX07403-001);國家自然科學基金(51308398);中國博士后基金(2013M531215,2014T70428)

* 責任作者, 講師, lilei@#edu.cn