NaClO與KMnO4氧化對針桿藻滅活特性研究

摘要：以針桿藻（Synedra sp.）為研究對象，考察了NaClO與KMnO4在不同投量和不同pH條件下對針桿藻的滅活特點以及對光合活性的影響。結(jié)果表明，在0～5 mg/L投加范圍內(nèi)，NaClO對針桿藻的滅活效果隨劑量的增大而提高，投加量為3 mg/L是抑制藻活性的最佳投量，并且在酸性條件下NaClO能更好的發(fā)揮其氧化降解的作用；KMnO4對針桿藻的降解效果不明顯，說明投加KMnO4（≤5 mg/L）對針桿藻沒有很好的滅活效果。氯化對針桿藻滅活效果好，但是會造成細(xì)胞解體，引起藻內(nèi)有機物的釋放，危及飲用水安全。

關(guān)鍵詞：針桿藻；NaClO；KMnO4；滅活；光合活性

中圖分類號：X524文獻標(biāo)志碼：A文章編號：16744764（2015）03014209

Abstract：

The inactivation efficiencies of Synedra sp. by NaClO and KMnO4 oxidation were investigated. The results indicated that in the range of 0～5 mg/L in the neutral condition， the inactivation efficiencies increased with the increase of NaClO dosage and the optimun dosage was 3 mg/L. Meanwhile NaClO showed a better degradation ability in acidic condition. The degradation ability of KMnO4 was not significant， indicating that KMnO4 had no effect on inactivation. Chlorination was effective for Synedra sp. inactivation， and however led to cell disintegration and organic matter release， thus endangering the safety of drinking water.

Key words：Synedra sp.；NaClO；KMnO4；inactivation；photosynthetic activity

近年來，中國河流、湖泊富營養(yǎng)化情況嚴(yán)重，水華頻發(fā)。作為中國重點水域的三峽庫區(qū)，由于三峽工程的周期運行使得庫區(qū)的水文、水環(huán)境等較蓄水前發(fā)生了巨大的變化，庫區(qū)支流河道型的硅藻“水華”現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴(yán)重影響了供水安全[13]。硅藻的控制已經(jīng)成為一個亟待解決的熱點問題。與湖泊型水庫的典型的藍(lán)綠藻水華不同，三峽庫區(qū)多以硅藻水華為主，尤以硅藻屬的針桿藻水華最為嚴(yán)重，約占總數(shù)的85%。從藻類的生理結(jié)構(gòu)而言，硅藻為真核藻類，其細(xì)胞、細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)（外層為二氧化硅，內(nèi)層為果膠質(zhì)，對不利環(huán)境具有一定的抵御能力）、光合作用系統(tǒng)構(gòu)成上均與原核類的藍(lán)藻有著明顯的區(qū)別。而目前關(guān)于凈水廠滅藻技術(shù)的研究以藍(lán)綠藻為主[46]，如化學(xué)藥劑法、紫外線法、超聲波法等，硅藻在滅活機制和效能上可能有別于藍(lán)藻，因此，抑制硅藻類的活性并減少其對供水安全的影響具有重要的研究價值。

在各種滅藻技術(shù)中，預(yù)氯化是應(yīng)用最廣泛的方法，它能增強對藻類細(xì)胞的去除[7]。目前，對藍(lán)藻細(xì)胞的氯化效果已經(jīng)有很好的研究[810]。高錳酸鉀預(yù)處理能有效控制不好的氣味和味道并抑制生物生長，它還能提高混凝效果并且控制消毒副產(chǎn)物的生成[1112]，有學(xué)者對高錳酸鉀作為預(yù)處理藥劑對藻的去除進行研究也得到了較為不錯的結(jié)果[13]。有研究表明，NaClO、KMnO4會對藍(lán)藻的光合作用活性產(chǎn)生負(fù)面影響[14]，導(dǎo)致藍(lán)藻細(xì)胞的死亡。在過去的研究中已經(jīng)證實，脈沖調(diào)幅（PAM）熒光測定術(shù)能很好的檢測光合作用的PSII階段，表征藍(lán)藻細(xì)胞的光合作用活性[1516]，可以用來解釋藻細(xì)胞失活的內(nèi)在機制。目前的研究主要是針對藍(lán)藻，對硅藻的去除研究很少，鑒于常用化學(xué)藥劑對藍(lán)藻的去除效果好，本研究對比考察了NaClO、KMnO4在不同投加量和不同pH條件下對硅藻的滅活效果，旨在為硅藻滅活技術(shù)研究提供一定的參考。

1材料和方法

1.1試驗材料和試劑

硅藻屬針桿藻 （Synedra sp.，F(xiàn)ACHB1296）購自中國科學(xué)院武漢水生生物研究所，采用AGP培養(yǎng)基[17] ，在恒溫光照培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)。恒溫光照培養(yǎng)箱運行參數(shù)：溫度為20.0±1.0 ℃；光照強度為2 500 Lx；光/暗周期為14 h∶10 h。實驗中所使用的針桿藻初始濃度約為25～35×106 cell/L。

試驗中采用的NaClO溶液（w%：36.5%）和高錳酸鉀均為分析純。

1.2試驗方法

試驗采用同一培養(yǎng)階段的針桿藻，在不同的pH及NaClO/ KMnO4投加量下，分別檢測了其光合作用活性的變化，進而表征氯化與KMnO4預(yù)氧化對針桿藻的滅活特性。大多數(shù)自然水體的pH在6.0～9.0之間，反應(yīng)藻液的pH分別采用0.1 mol/L 的鹽酸和NaOH進行調(diào)節(jié)，研究在酸性、中性、堿性（pH分別為5、7、9）水體中NaClO和KMnO4對硅藻光合活性的影響。硅藻在溫度15～25 ℃時生長較佳[18]，并且易在春季“爆發(fā)”[3]，因此，調(diào)節(jié)試驗的反應(yīng)溫度始終維持在20.0±1.0 ℃（DC0510智能恒溫槽，寧波新芝生物科技股份有限公司）。反應(yīng)過程中，采用磁力攪拌器對藻液進行攪拌，確保其各部分均勻。在預(yù)先設(shè)定的時間點進行取樣 ，并在樣品中加入一定量0.1 mol/L Na2SO3溶液，用于終止氧化反應(yīng)，隨即對樣品進行分析。

1.3分析方法

針桿藻的PSII系統(tǒng)的光量子產(chǎn)量Y（反映實際光合效率），葉綠素a及快速光響應(yīng)曲線（rapid light curves，RLC）采用浮游植物分類熒光儀（PHYTOPAM，德國Walz公司）進行測定?？焖俟忭憫?yīng)曲線的測量條件設(shè)定為：步長10 s，最大光照強度764 μmol·m-2·s-1。參數(shù)α、ETRmax由如下RLC 方程擬合得到[19]，見式（1）。

ETR=ETRmax×

（1-α×PAR/ETRmax）×e-β×PAR/ETRmax（1）

式中：ETR為相對電子傳遞速率；ETRmax為最大相對電子傳遞速率，反映最大光合速率；PAR為光強，μmol/（m2·s）；α為初始斜率，反映了光能的利用效率；試驗中主要通過Y、α、ETRmax、葉綠素a值來反應(yīng)藻細(xì)胞的活性。pH 采用雷磁PHS3C型pH計測定。

NaClO的濃度采用哈希公司的余氯儀量進行檢定。

2結(jié)果和討論

2.1NaClO對針桿藻的滅活特性研究

2.1.1NaClO投加量對針桿藻滅活效果的影響

當(dāng)NaClO投量分別為0.5、1.0、2.0、3.0、5.0 mg/L時，針桿藻光合作用活性隨時間的變化如圖1所示。從圖中可明顯看出，隨著NaClO投量（≤3 mg/L）的增加，各光合作用參數(shù)值的降解速率均隨之加快，而投量為5 mg/L對針桿藻光合作用活性的降解速率與3 mg/L的已無明顯差異。

如圖1（a）～（c）所示，當(dāng)NaClO投量為2.0 mg/L時，反應(yīng)2 min后針桿藻光能的利用效率ɑ和最大相對電子傳遞速率rETRmax兩個參數(shù)值均迅速降為0，且其降解主要發(fā)生在最初的1 min內(nèi)；反應(yīng)5 min后光量子產(chǎn)量Y值也下降至0，且其下降主要在最初的2 min內(nèi)。這說明2.0 mg/L的NaClO能在短時間內(nèi)迅速抑制針桿藻的光合系統(tǒng)，抑制可能從破壞PSII系統(tǒng)電子傳遞鏈開始。

如圖1（d）所示，在NaClO的投加量小于1 mg/L條件下，60 min反應(yīng)時間內(nèi)葉綠素a無明顯降解；當(dāng)投量≥2.0 mg/L時，隨著投加量的增加，葉綠素a的降解速率逐漸增加，并且在0～10 min時間內(nèi)，葉綠素a值降解最為顯著， 30 min以后趨于平緩；并且圖中可見當(dāng)NaClO的投量為3.0和5.0 mg/L時，葉綠素a的降解效果已無明顯差異，增大投加量不能明顯提高其降解率。而郭建偉[20]的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)NaClO的投加量在3.75 mg/L時，銅綠微囊藻的葉綠素a在最初的1 min內(nèi)降解效果最為顯著。在本次試驗中，當(dāng)NaClO的投加量為3 mg/L時30 min后葉綠素a的降解率為86.6%，而在相同投加量下的NaClO對銅綠微囊藻的葉綠素a降解率在30 min時僅為21.79% [21]，故NaClO對針桿藻的葉綠素a降解率雖然反應(yīng)初期較為緩慢，但后期的降解效果明顯好于銅綠微囊藻。歐樺瑟等[6]提出了氯化滅活銅綠微囊藻過程的三個步驟的假說，即：氧化劑滲透內(nèi)部降解細(xì)胞結(jié)構(gòu)解體。由于硅藻的細(xì)胞壁由外層二氧化硅和內(nèi)層果膠質(zhì)組成，而藍(lán)藻的細(xì)胞壁則由外層纖維素和內(nèi)層果膠質(zhì)組成，因此，細(xì)胞壁組成及結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致NaClO能更快速地破壞并滲透進入銅綠微囊藻細(xì)胞，而與其胞內(nèi)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。另一方面，由于銅綠微囊藻屬原核生物，無核膜和葉綠體，其類囊體（膜上含有光合色素和電子傳遞鏈組分，為光合反應(yīng)中心）分散在細(xì)胞質(zhì)中；而針桿藻為真核生物，有核膜和葉綠體，其類囊體集中位于一個巨大軸生的葉綠體內(nèi)。因此，類囊體的相對集中，使得相同的反應(yīng)條件下NaClO對針桿藻中葉綠素a的破壞程度更大。

由圖1（a）和（b）比較看來，NaClO對Y、ɑ和rETRmax值的降解主要發(fā)生在2 min內(nèi)，而對葉綠素a 的降解主要發(fā)生在10 min內(nèi)，葉綠素a的降解要明顯滯后。這可能是因為NaClO需要依次滲透進入硅藻細(xì)胞、葉綠體、類囊體才能與葉綠素a發(fā)生反應(yīng)或是NaClO直接與細(xì)胞解體后釋放的葉綠素a發(fā)生反應(yīng)。因此，對葉綠體的破壞要先于葉綠素a，而對葉綠體的破壞即可直接抑制針桿藻的光合系統(tǒng)。

但是，Ma等[7]試驗表明，氯化損壞銅綠微囊藻的細(xì)胞膜，并導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)，如：毒素、K+， 葉綠素a的釋放。因此，NaClO滅活硅藻可能會造成細(xì)胞的解體，引起胞內(nèi)有機物的釋放，危及飲用水安全。

2.1.2NaClO對針桿藻的降解動力學(xué)

由2.1.1節(jié)中可知，藻的光合活性Y值和葉綠素a值隨時間遞減，并且其降解趨勢呈現(xiàn)擬一級反應(yīng)動力學(xué)的特征。

圖2和表1顯示，NaClO投加量對針桿藻的降解影響是比較大的。當(dāng)NaClO投加量為0.5 mg/L時，Y值和葉綠素a值的降解速率常數(shù)k分別為0026和0.007 min-1，而投加量增加到3.0 mg/L時，k分別為0.967和0.167 min-1，影響非常大。

在逐漸減小，特別是當(dāng)投加量為5.0 mg/L時，其對葉綠素a的降解速率幾乎與3.0 mg/L投加量的相同，說明降解的程度已經(jīng)趨于飽和，因此從經(jīng)濟性的角度考慮認(rèn)為，NaClO降解針桿藻的最佳投加量為3.0 mg/L。

2.1.3NaClO在不同pH條件下對針桿藻滅活效果的影響

NaClO在不同pH條件下（pH=5、7、9）對針桿藻滅活效果的影響如圖4所示。針桿藻在不同pH條件下的滅活速率依次為：pH=5> pH=7 pH=9。這主要是因為20℃時，當(dāng)pH=9.5時，在水溶液中NaClO以ClO-的形式存在；當(dāng)pH=7.5時，以ClO-及HClO各占50%的形式存在，而當(dāng)pH=5.0時，以HClO的形式存在。一方面，由于硅藻表面帶負(fù)電荷[23]，因此，分子態(tài)的HClO更接近硅藻表面并滲透進入細(xì)胞。另一方面，HClO的氧化還原電位遠(yuǎn)高于離子態(tài)的ClO-。因此，NaClO在酸性條件下更能發(fā)揮對硅藻的滅活作用。

2.2KMnO4對針桿藻的滅活研究

2.2.1KMnO4投加量對針桿藻滅活效果的影響

當(dāng)KMnO4投量分別為0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、5.0 mg/L時，針桿藻光合作用活性隨時間的變化如圖5所示。從圖5（a）～（c）中可明顯看出，KMnO4對光合作用參數(shù)光量子產(chǎn)量Y值和光能利用率ɑ值均無明顯降解效果；而最大光合速率rETRmax值的變化趨勢與NaClO降解過程中該值的變化一致，在最初2 min內(nèi)電子傳遞速率迅速降低，說明KMnO4只抑制了電子的傳遞，減緩了針桿藻的光合系統(tǒng)PSII階段，但是并沒有從根本上對針桿藻的光合作用能力進行破壞。

如圖5（d）所示，在KMnO4幾種投量條件下，60 min反應(yīng)時間內(nèi)葉綠素a均無明顯降解，而KMnO4氧化是優(yōu)先損壞藻細(xì)胞內(nèi)的色素 [14]，故可能是 KMnO4較難滲透進入針桿藻的葉綠體，因此不易實現(xiàn)對葉綠素a的降解，對光合系統(tǒng)抑制不明顯。并且當(dāng)KMnO4的投加量≥1.5 mg/L時，水質(zhì)呈紅色，經(jīng)過1.5 h沒有褪色，可見較大的投加量會影響出水水質(zhì)。因此，從整體上看，在pH=7時投加KMnO4對針桿藻的活性影響不大。

而Fan等[24]研究指出，高錳酸鉀能有效降解微囊藻，并且在1～3 mg/L范圍內(nèi)能保持藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整[25]，明顯優(yōu)于對硅藻的滅活效果，可能是因為藍(lán)藻和硅藻的細(xì)胞壁組成與結(jié)構(gòu)的差異。在本研究中明顯觀察到氯化對針桿藻的滅活效果要優(yōu)于高錳酸鉀對其的氧化作用，F(xiàn)an等[26]對藍(lán)藻的處理研究也報道了類似的意見。

2.2.2KMnO4在不同pH條件下對針桿藻滅活效果的影響

KMnO4在不同pH條件下（pH=5、7、9）對針桿藻滅活效果的影響如圖6所示。針桿藻在不同pH條件下的滅活速率依次為：pH=5> pH=7> pH=9。這主要是因為KMnO4在酸性和堿性條件下其反應(yīng)式不同，在酸性條件下其標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位為E0=1.51 V，Mn能由+7價降低到+2價，而在中性和堿性條件下，其氧化還原電位低得多，分別只有E0=0.588 V和E0=0.564 V[27]，Mn各自只能降低到+4和+6價，說明其氧化性的順序為酸性>>中性>堿性。

如圖6（ac）所示，即使是pH=5時，在60 min后，其Y值也只降低到了0.4，降解率僅為37.5%。并且如圖6（d）中所示，3種pH條件下葉綠素a在60 min內(nèi)都沒有明顯的降解趨勢。因此，從整體上看，KMnO4對針桿藻沒有明顯的滅活效果。

3結(jié)論

1）NaClO對針桿藻的滅活效果顯著，其降解過程符合擬一級反應(yīng)動力學(xué)，投加量為3 mg/L時就能達到很好的滅活效果。但是氯化會破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞分解，引起藻內(nèi)有機物的釋放，在后續(xù)試驗研究中，可以探討胞內(nèi)有機物釋放對飲用水安全的影響。

2）酸性條件下NaClO能更好的發(fā)揮其氧化降解的作用。

3）KMnO4在投加量≤5mg/L時對針桿藻的滅活效果不明顯；更高劑量下可能會對針桿藻的滅活效果更明顯，但是會影響出水水質(zhì)。

4）酸性和堿性條件下KMnO4對針桿藻都沒有明顯的滅活效果。

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（編輯胡玲）