錢愛娟 潘 嶸 孫 鳳 叢海兵
(揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)
藍(lán)藻胞外聚合物的污染和調(diào)控研究進(jìn)展*
錢愛娟 潘 嶸 孫 鳳#叢海兵
(揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)
藍(lán)藻胞外聚合物(EPS)是水中重要的有機(jī)污染源,但其對(duì)水體污染的影響及對(duì)其進(jìn)行調(diào)控的研究尚未引起足夠重視。介紹了藍(lán)藻EPS的形態(tài)、組成和分布,綜述了其對(duì)供水水質(zhì)的污染,包括飲用水處理工藝和管網(wǎng)系統(tǒng),從物理方法、化學(xué)氧化方法和微生物方法3個(gè)方面總結(jié)了藍(lán)藻EPS的調(diào)控研究進(jìn)展,并提出了藍(lán)藻EPS的未來研究方向。
藍(lán)藻 胞外聚合物 污染 調(diào)控
Abstract: Cyanobacterial extracellular polymeric substances (EPS) are important organic source in water,but their contamination on water and their regulation research have not drawn scientists’ attention enoughly. The forms,components,and distribution of EPS were introduced here. The contamination of EPS on drinking water quality was summarized,including water treatment and distribution system. The regulation trends were reviewed from 3 aspects of physical methods,chemical oxidation methods and microbial methods. The future research directions of EPS were put forward as well.
Keywords: cyanobacteria; extracellular polymeric substances; contamination; regulation
近年來,水體富營(yíng)養(yǎng)化問題日益嚴(yán)峻,藍(lán)藻爆發(fā)事件頻有發(fā)生。藍(lán)藻爆發(fā)的同時(shí)會(huì)伴隨著藍(lán)藻胞外聚合物(EPS)的產(chǎn)生[1]。藍(lán)藻EPS是一種高分子黏性化合物,可將數(shù)個(gè)至數(shù)百個(gè)直徑4~6 μm的藍(lán)藻細(xì)胞黏連在一起,形成不定形的藍(lán)藻膠群體,最大直徑可達(dá)1 000 μm[2]。
藍(lán)藻EPS主要來源于細(xì)胞分泌、細(xì)胞表面物脫落及細(xì)胞吸附外來物質(zhì)。干旱[3]、紫外輻射[4]、高光強(qiáng)[5]和高鹽度[6]等環(huán)境條件均會(huì)導(dǎo)致藍(lán)藻EPS的大量產(chǎn)生。因此,藍(lán)藻EPS的形成過程受細(xì)胞活動(dòng)及環(huán)境條件的綜合影響。
藍(lán)藻EPS以天然大分子有機(jī)質(zhì)為主,包括多糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂類、糖醛酸、腐殖酸等[7-11],其中多糖和蛋白質(zhì)約占藍(lán)藻EPS總質(zhì)量的70%~80%[12],致使其在水中成為重要的有機(jī)污染源。目前,針對(duì)藍(lán)藻EPS的研究多局限于其生物生態(tài)學(xué)的表觀分析,其對(duì)水體污染的影響機(jī)制及對(duì)其進(jìn)行調(diào)控研究還未引起足夠重視。本研究綜述了藍(lán)藻EPS對(duì)供水水質(zhì)的污染和藍(lán)藻EPS的調(diào)控方法,以期對(duì)藍(lán)藻EPS的綜合治理提供參考。
藍(lán)藻EPS伴隨著藍(lán)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖不斷形成、分泌并釋放于周圍水體中,其產(chǎn)生和傳遞過程需要消耗水中大量溶解氧,影響水體的生態(tài)環(huán)境。根據(jù)藍(lán)藻EPS與細(xì)胞結(jié)合的緊密程度,在藍(lán)藻膠群體中可以將其分為3種形態(tài)(見圖1):緊密結(jié)合型EPS(TB-EPS)、松散結(jié)合型EPS(LB-EPS)和溶解型EPS(S-EPS)。TB-EPS位于藍(lán)藻膠群體內(nèi)層,與細(xì)胞表面結(jié)合緊密,穩(wěn)定的附著于細(xì)胞壁外,具有一定的外形;LB-EPS位于TB-EPS外層,結(jié)構(gòu)比較松散,是可向周圍環(huán)境擴(kuò)展、無明顯邊緣的黏液層;S-EPS分布于藍(lán)藻膠群體最外層,多以膠體狀或溶解性分子形式存在,極易分散到水相[13],[14]1023,主要是親水性有機(jī)物,包含大量的羧基、羥基、氨基等官能團(tuán),是水體中溶解性有機(jī)物的重要來源[15]。LB-EPS和TB-EPS也會(huì)在一定的水動(dòng)力條件下剝離脫落下來,釋放到水中。不同形態(tài)的EPS與細(xì)胞之間的不同黏附效果和結(jié)合狀態(tài)主要與其組分含量有關(guān),TB-EPS中糖類含量較高,LB-EPS中蛋白質(zhì)和腐殖酸含量較高[16]817,S-EPS中單糖的含量較高[17-18]。與藍(lán)藻的繁殖及水華的發(fā)生密切相關(guān)主要是LB-EPS中的色氨酸類組分和S-EPS中的腐殖酸類組分[19]。
圖1 EPS形態(tài)在藍(lán)藻膠群體中的分布Fig.1 Distribution of EPS forms in cyanobacterial palmella
藍(lán)藻EPS會(huì)影響藍(lán)藻細(xì)胞的去除,是飲用水處理工藝中的一項(xiàng)技術(shù)難題,其對(duì)飲用水處理工藝的影響如圖2所示。研究發(fā)現(xiàn),混凝工藝對(duì)無EPS包裹的離散藍(lán)藻細(xì)胞的去除率可達(dá)到80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)~90%[20-21]。然而對(duì)于藍(lán)藻EPS黏連的藍(lán)藻膠群體,藍(lán)藻細(xì)胞因具有陰離子聚合物的特性使其表面具有更強(qiáng)的親水性效應(yīng)、立體效應(yīng)和靜電排斥效應(yīng),增加了藻體的穩(wěn)定性,導(dǎo)致混凝效率降低[22]。此外,藍(lán)藻EPS的部分組分能夠?qū)е滤{(lán)藻細(xì)胞侵蝕現(xiàn)象加劇、泥水分離效果降低[14]1029。王娜等[23]22發(fā)現(xiàn),EPS中的酸性物質(zhì)能與混凝劑水解產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng),生成的表面絡(luò)合物附著在絮體顆粒表面,阻礙顆粒的相互碰撞,不易形成良好的絮體,且絮體密度低,沉淀效果差,必須增加混凝劑的投加量才能補(bǔ)償由于表面絡(luò)合物的形成對(duì)顆粒物脫穩(wěn)和混凝造成的影響。
藍(lán)藻EPS中多糖等黏性組分易黏附在濾料表面,導(dǎo)致堵塞濾料縫隙,縮短過濾周期,從而影響過濾工藝效果。
藍(lán)藻EPS不僅影響飲用水處理工藝,而且也會(huì)污染管網(wǎng)系統(tǒng)。我國(guó)45個(gè)城市的管網(wǎng)水水質(zhì)調(diào)研結(jié)果表明,出廠水經(jīng)管網(wǎng)及二次供水設(shè)施輸送后,水質(zhì)合格率下降近20%,主要原因是細(xì)菌總數(shù)增加了近4倍[24]。管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的細(xì)菌等微生物生長(zhǎng)累計(jì)到一定程度會(huì)聚成生物膜,而藍(lán)藻EPS的存在會(huì)大大促進(jìn)管網(wǎng)中生物膜的生長(zhǎng)。我國(guó)大部分水廠采用的傳統(tǒng)飲用水處理工藝,對(duì)水源水中藍(lán)藻EPS的去除效率很低,這是促進(jìn)細(xì)菌等微生物在管網(wǎng)中生長(zhǎng)的重要原因[25]。
圖2 藍(lán)藻EPS對(duì)飲用水處理工藝的影響Fig.2 The influence of cyanobacterial EPS on drinking water treatment processes
最常用的去除藍(lán)藻EPS的物理方法是離心法,通常離心法還需要聯(lián)合其他輔助手段。FLAIBANI等[26]等通過10 000 g高速離心實(shí)現(xiàn)了藍(lán)藻胞外蛋白多糖的高效去除。SU等[27]利用低速離心聯(lián)合80 ℃水浴方法實(shí)現(xiàn)了S-EPS和結(jié)合型EPS(包括TB-EPS、LB-EPS)的有效分離。XU等[16]816利用變速遞增離心聯(lián)合緩沖溶液提取、60 ℃水浴方法,對(duì)藍(lán)藻EPS不同形態(tài)的S-EPS、LB-EPS和TB-EPS實(shí)現(xiàn)了分步去除。在離心去除EPS的過程中,應(yīng)當(dāng)注意的是,在保障藍(lán)藻EPS去除效率的同時(shí),應(yīng)避免藻細(xì)胞的破損及胞內(nèi)毒素的釋放。而且,輔助手段還可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性、藻細(xì)胞破裂等問題,如高溫、外加化學(xué)物質(zhì)等,故水浴溫度、緩沖液成分等條件的確定需要嚴(yán)格考究。
低功率的超聲法也能夠起到解聚藍(lán)藻膠群體、離散藻細(xì)胞、削弱EPS不利影響的作用,但超聲功率過高、持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)容易裂解藻細(xì)胞并導(dǎo)致胞內(nèi)毒素的釋放[28-29]。因此,超聲法調(diào)控藍(lán)藻EPS需要特別謹(jǐn)慎。
活性炭表面具有細(xì)微孔狀結(jié)構(gòu),并存在羥基自由基等多種官能團(tuán),能夠吸附藍(lán)藻EPS[30]。然而,活性炭法的問題是當(dāng)活性炭吸附飽和后,大量藍(lán)藻EPS的存在會(huì)導(dǎo)致活性炭滋生細(xì)菌,應(yīng)及時(shí)對(duì)活性炭進(jìn)行解吸[23]22。
近年來,膜分離法在飲用水凈化方面的應(yīng)用發(fā)展非常迅速,該法被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ纳疃人幚矸椒?。然而用膜分離法調(diào)控藍(lán)藻EPS會(huì)造成嚴(yán)重的膜污染,引起跨膜壓力增大,導(dǎo)致膜通量急劇下降[31]。因此,目前使用膜分離法調(diào)控藍(lán)藻EPS的實(shí)施難度還很大,技術(shù)應(yīng)用較為困難,有待進(jìn)一步研究。
化學(xué)氧化方法是目前使用較多、較為成熟有效的藍(lán)藻處理技術(shù)。研究證實(shí),預(yù)氯氧化、預(yù)臭氧氧化、預(yù)高錳酸鉀氧化等化學(xué)氧化方法均有利于藍(lán)藻EPS的降解[32-33]。比較而言,氯是強(qiáng)氧化劑,能更快地降解藍(lán)藻EPS,然而也容易破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)導(dǎo)致胞內(nèi)毒素釋放。目前,針對(duì)藍(lán)藻爆發(fā)常采用的預(yù)氧化劑為高錳酸鉀,但其氧化效果受藻細(xì)胞形態(tài)、運(yùn)動(dòng)性及胞外有機(jī)物濃度等因素的影響。所以化學(xué)氧化方法仍需要尋求降解藍(lán)藻EPS效果和保證藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)不被破壞的平衡條件。
對(duì)于水處理過程中過濾出水殘留的藍(lán)藻EPS仍可以通過后續(xù)消毒工藝進(jìn)行化學(xué)氧化并予以降解,但需考慮其成為消毒副產(chǎn)物的潛在威脅。研究發(fā)現(xiàn),藍(lán)藻EPS易與氯反應(yīng),生成氯化消毒副產(chǎn)物,占三鹵甲烷生成勢(shì)的63%,占鹵乙酸生成勢(shì)的31%[34-35]。因此,化學(xué)氧化方法降解藍(lán)藻EPS應(yīng)考慮其對(duì)水體造成的二次污染問題。
長(zhǎng)期以來,人們對(duì)藍(lán)藻EPS調(diào)控的研究多集中在物理方法和化學(xué)氧化方法上,而微生物方法的研究不多。COLOMBO等[36]發(fā)現(xiàn),某些細(xì)菌能夠利用魚腥藻EPS作為自身生長(zhǎng)的碳源,并對(duì)EPS進(jìn)行酶解去除。微生物酶解去除的方法能實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻EPS的完全降解,但耗時(shí)較長(zhǎng),酶解周期約29 d,且降解細(xì)菌為厭氧型,必須在無氧條件下操作,會(huì)產(chǎn)生水體惡臭等一些新問題。此外,微生物方法仍是一個(gè)目前具有爭(zhēng)議的方法,許多國(guó)家尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)微生物方法的采用尤為慎重,以避免細(xì)菌等微生物本身可能帶來的生物入侵、生態(tài)平衡破壞等一系列問題。因此,微生物方法調(diào)控藍(lán)藻EPS能否成為一種有效的手段仍然有待商榷。
(1) 藍(lán)藻EPS有機(jī)物含量高,但其在水中的釋放規(guī)律尚不清楚,且其具體組分也仍有待探究。
(2) 藍(lán)藻EPS阻礙了藻細(xì)胞與混凝劑的結(jié)合,降低了混凝沉降性能,影響藻細(xì)胞的去除,而現(xiàn)有水處理工藝中缺乏合適的藍(lán)藻EPS調(diào)控方法。
(3) 藍(lán)藻EPS是管網(wǎng)細(xì)菌滋生的重要貢獻(xiàn)者,然而其在管網(wǎng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及風(fēng)險(xiǎn)分析目前仍近乎空白,未來應(yīng)對(duì)此開展深入研究。
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Contaminationandregulationtrendsofcyanobacterialextracellularpolymericsubstances
QIANAijuan,PANRong,SUNFeng,CONGHaibing.
(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,YangzhouUniversity,YangzhouJiangsu225127)
2017-03-17)
錢愛娟,女,1993年生,碩士研究生,主要從事微污染水的處理技術(shù)研究。#
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*江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃(自然科學(xué)基金)青年基金資助項(xiàng)目(No.BK20150456);江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(No.15KJD610006);揚(yáng)州市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(社會(huì)發(fā)展)項(xiàng)目(No.YZ2015072)。
10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.08.021