酵素控制水中銅綠微囊藻的實(shí)驗(yàn)效果研究

余國(guó)忠，王世香，鄒發(fā)俊，李浩然

(1.信陽師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，河南 信陽 464000; 2.信陽市環(huán)境保護(hù)局,河南 信陽 464000)

0 引言

水體藍(lán)藻污染一直是困擾人類社會(huì)發(fā)展的嚴(yán)重問題之一，長(zhǎng)期以來，人類一直在尋找水體藍(lán)藻污染的有效控制措施，雖然產(chǎn)生了一些物理、化學(xué)、生物、生態(tài)或它們之間的組合的控制方法，但由于這些方法各自的局限性，人類依然需要探索高效、持久的控制途徑.藍(lán)藻中的銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)由于其分布廣泛、爆發(fā)頻繁、對(duì)人畜和水生態(tài)危害嚴(yán)重與控制困難等，為人類社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注[1-3].隨著全球暖化，銅綠微囊藻污染有加劇趨勢(shì)[4]，迫切需要開發(fā)新的控制技術(shù).近年來，利用廢棄生物質(zhì)制作酵素風(fēng)靡海內(nèi)外，有報(bào)道認(rèn)為酵素可以改善水體水質(zhì)[5,6]，在我國(guó)個(gè)別地方的人代會(huì)上有代表建議采用酵素治水[7]，但也存在爭(zhēng)議.關(guān)于酵素抑制水體藻類方面的研究報(bào)道很少，趙立新等[8]在北京潮白河噴灑酵素進(jìn)行試驗(yàn)，取得了一定的抑藻效果，但他們認(rèn)為仍存在許多值得商榷的問題，因此，對(duì)于酵素抑制水體藻類問題，目前尚缺乏規(guī)范、嚴(yán)密的研究成果，更缺乏酵素控制水體中銅綠微囊藻污染的效果的研究報(bào)道.本文嘗試制作一種酵素，以發(fā)生銅綠微囊藻水華的水體水作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以葉綠素a(Chl-a)去除率作指標(biāo)，檢驗(yàn)該酵素對(duì)藻類的控制效果，并考察水樣pH值的變化.

1 材料和方法

1.1 材料

(1)試劑 用廢棄蔬果做原料，自制一種酵素，采用紗布過濾液作為實(shí)驗(yàn)試劑(文中稱作試劑a)；實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配制濃度為10 g/L的碳酸鎂懸濁液、濃度為90%的丙酮溶液.

(2)儀器 普析通用T6新世紀(jì)型紫外可見分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)，OLYMPUS CX41-32C02光學(xué)顯微鏡(奧林巴斯公司)，pH計(jì)，水樣采集、攪拌、過濾與Chl-a萃取設(shè)備[9].

(3)含銅綠微囊藻原水 實(shí)驗(yàn)用含銅綠微囊藻的原水水樣取自信陽師范學(xué)院校園內(nèi)景明墓前小水渠.取樣時(shí)，水面水華明顯，使用采水器于水面下30 cm深處采集水樣.鏡檢發(fā)現(xiàn)水樣的藻類構(gòu)成非常簡(jiǎn)單，除極少量的小球藻外，其余均為銅綠微囊藻，即銅綠微囊藻是絕對(duì)優(yōu)勢(shì)藻種.

1.2 方法

由于Chl-a可以表征水中浮游藻類活細(xì)胞的生物量，Chl-a含量的高低是水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的一個(gè)重要指標(biāo)[8]，因此，本實(shí)驗(yàn)采用加入酵素前后水樣Chl-a濃度變化及其去除率作為指標(biāo)來考察酵素的控藻效果.水樣中Chl-a含量的測(cè)定采用《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》(第二版)提供的方法[8].Chl-a濃度去除的百分率公式如下：

式中: ρ 為Chl-a濃度去除百分率，%；C0為 原水水樣的Chl-a濃度，μg/L；C1為加入試劑a后水樣的Chl-a濃度，μg/L.

取1L燒杯6只，用自來水沖洗干凈、晾干后，分別編號(hào)為1、2、3、4、5、6，將采得的水樣迅速送入實(shí)驗(yàn)室搖勻后，用水樣水先分別清洗上述已編號(hào)的燒杯，循1-6的序號(hào)分別加入水樣1000、980、960、940、920、900mL，然后分別加入試劑a0(作為空白對(duì)照)、20、40、60、80、100mL，用玻璃棒攪拌均勻，形成試劑a體積分?jǐn)?shù)分別為0%、2%、4%、6%、8%、10%的混合液序列，配制完畢后用紗布蓋好.

在實(shí)驗(yàn)室溫度、光照條件下將序列混合液先放置14h，攪拌后取樣測(cè)定Chl-a濃度，比較不同體積分?jǐn)?shù)下的Chl-a濃度去除率，找出去除率最高的體積分?jǐn)?shù)所對(duì)應(yīng)的樣品號(hào)，然后將此樣品的混合時(shí)間分別延長(zhǎng)至26、38、50、62h，在每時(shí)段末攪拌水樣均勻后取樣測(cè)定Chl-a濃度.每個(gè)水樣、每個(gè)時(shí)段的Chl-a濃度的測(cè)定進(jìn)行三次，取三次測(cè)定值的平均值作為該水樣該時(shí)段的Chl-a濃度值.水樣搖勻取樣前，用pH計(jì)測(cè)定水樣的pH值.

實(shí)驗(yàn)于2017年4月進(jìn)行，測(cè)得酵素的pH為3.4, 測(cè)得原水水樣Chl-a濃度為303.9μg/L、pH為7.0.對(duì)照中國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從Chl-a濃度看，此水體達(dá)到重富營(yíng)養(yǎng)化或超富營(yíng)養(yǎng)化水平[9].

2 結(jié)果與討論

2.1 混合14 h后水樣Chl-a的去除效果

水樣序列混合14h后的Chl-a濃度去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1.在圖1中，1號(hào)水樣即原水水樣在實(shí)驗(yàn)室放置14h后，Chl-a濃度為317.8μg/L，相比原水取樣時(shí)的303.9μg/L，升高了13.9μg/L，表明在這段時(shí)間內(nèi)水樣中的藻細(xì)胞仍然處于增殖階段.

投加試劑a后，水樣Chl-a濃度減小，在體積分?jǐn)?shù)從2%到8%(對(duì)應(yīng)圖1燒杯序號(hào)2-5號(hào))范圍內(nèi)，隨試劑a投加量的增加，水樣Chl-a濃度降低，Chl-a濃度的去除率從33.33%上升到53.17%，與原水以及1號(hào)燒杯水樣結(jié)果比較，試劑對(duì)水中Chl-a有比較明顯的降解作用，表明投加酵素不僅對(duì)水樣中藻類的生長(zhǎng)有一定的抑制作用，而且對(duì)水樣中的活藻細(xì)胞產(chǎn)生了一定的滅活效果.但圖1顯示，當(dāng)試劑a的體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，水樣Chl-a濃度快速下降，隨著試劑a體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，水樣Chl-a濃度雖然繼續(xù)降低，但降低速度減慢，當(dāng)試劑a體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，水樣Chl-a濃度的去除率下降為50.14%，說明酵素對(duì)藻類的滅活效果存在投量限制，并非投量越高效果越好，酵素體積分?jǐn)?shù)為8%時(shí)的藻類控制效果最佳.

圖1 混合14 h后不同體積分?jǐn)?shù)的水樣Chl-a濃度去除變化Fig. 1 Removal of Chl-a concentration from raw water samplesmixed with different volume fractions of Regent a for 14 hours

2.2 試劑a體積分?jǐn)?shù)為8%、不同混合時(shí)間條件下水樣Chl-a濃度的去除效果

繼續(xù)延長(zhǎng)試劑a體積分?jǐn)?shù)為8%的水樣的混合時(shí)間分別為26、38、50、62 h，不同混合時(shí)間條件下水樣Chl-a濃度去除結(jié)果見圖2.從圖2可以看出，隨著混合時(shí)間延長(zhǎng)，水樣中Chl-a濃度呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，到第62 h末，水樣中的Chl-a濃度降低為64.51 μg/L，去除率也由第14 h末的53.17%上升為第62 h末的78.77%，可見試劑a對(duì)水樣中Chl-a濃度具有一定的持續(xù)降低效果，表明一定體積分?jǐn)?shù)的酵素對(duì)原水水樣中的藻類具有一定的持續(xù)控制作用，由于銅綠微囊藻在實(shí)驗(yàn)采用的原水藻類組成中絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位.可以認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)用酵素對(duì)受試原水中的銅綠微囊藻有一定的滅活作用.

圖2 體積分?jǐn)?shù)為8%的混合水樣中Chl-a濃度隨時(shí)間的變化Fig. 2 Changes of Chl-a concentration with time in raw watersample mixed with 8% volume fraction of Regent a

2.3 水樣與試劑a混合后的pH值變化

實(shí)驗(yàn)中測(cè)定混合水樣pH值并與原水水樣pH值比較，發(fā)現(xiàn)試劑加入后，混合水樣的pH值發(fā)生了顯著變化(圖3、圖4).

圖3 不同體積分?jǐn)?shù)的混合水樣14 h后的pH值變化Fig. 3 Changes of pH values in raw water samples mixed withdifferent volume fractions of Regent a for 14 hours

圖3中，相同的混合時(shí)間下，隨試劑a從0%增大到8%，水樣pH分別為7.5、3.9、3.5、3.4、3.2、3.2，原水的pH為7.0，可見混合水樣的pH下降非常明顯.試劑a的pH為3.4，試劑a體積分?jǐn)?shù)在6%時(shí)，混合水樣的pH為3.4，試劑a體積分?jǐn)?shù)達(dá)到8%、10%時(shí)，混合水樣的pH為3.2，小于試劑a的pH，但是投加10%的試劑a與投加8%的試劑a相比，水樣的pH沒有變化，這是一個(gè)值得注意的現(xiàn)象.試劑a為0%的水樣的pH比原水水樣的pH高出0.5，說明原水水樣在14 h內(nèi)沒有發(fā)生自然酸化，因此可以排除這段時(shí)間內(nèi)原水水樣自然酸化對(duì)混合水樣酸度值的影響.由于體積分?jǐn)?shù)占8%、10%的試劑a的投加并沒有徹底消除水樣中的Chl-a(圖1)，可以推測(cè)，混合水樣中試劑a的體積濃度超過一定程度時(shí)，混合水樣的物質(zhì)成分可能產(chǎn)生了某些變化，從而使混合水樣的pH降低，而且，這種物質(zhì)體系的變化又有一定的穩(wěn)定性，從而使得混合水樣的pH保持相對(duì)的穩(wěn)定性.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的具體原因需要進(jìn)一步研究.

圖4 體積分?jǐn)?shù)為8%時(shí)的混合水樣pH值隨時(shí)間的變化Fig. 4 Changes of pH with time in raw watersample mixed with 8% volume fraction of Regent a

圖4中，試劑a體積分?jǐn)?shù)為8%的混合水樣混合時(shí)間在0～62 h內(nèi)，水樣pH分別為7.0、3.2、3.1、3.1、3.2、3.2，明顯地，除在0～14 h的混合時(shí)間內(nèi)pH降低顯著外，再延長(zhǎng)混合時(shí)間，pH則降低且變化緩慢，從第14 h末～第26 h末，pH只降低了0.1；在隨后的第26 h～第28 h內(nèi)，水樣pH保持3.1不變；以后的12 h內(nèi),水樣pH又升高到3.2，從第50 h末～第62 h末，水樣pH保持3.2不變.因此，混合14 h以后，隨著混合時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，水樣的pH變化并不十分明顯，但是仍呈現(xiàn)酸性，且比試劑a的酸性強(qiáng)，這同樣可能是混合水樣中的物質(zhì)體系發(fā)生了變化引起的.

諸多研究和實(shí)踐表明，水體pH值是水體內(nèi)外眾多因素綜合作用的結(jié)果，外來因素造成水體pH值變化后會(huì)引發(fā)水體物質(zhì)體系變化，進(jìn)而導(dǎo)致水體生態(tài)的變化，影響水體正常功能，激劇的水體pH值變化的結(jié)果是水體出現(xiàn)不可逆的變化，最終造成水體出現(xiàn)生態(tài)災(zāi)難.圖3、圖4表明，酵素的使用會(huì)引起水樣的pH變化，顯著降低了水樣的pH，使水變酸，而且水樣的酸度值會(huì)維持幾十個(gè)小時(shí)，這種情況如果出現(xiàn)在具體水體，必然會(huì)使水體失去正常功能.當(dāng)然，本文結(jié)果雖然基于原水基礎(chǔ)，但是仍為實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，對(duì)水體的緩沖性能考慮不夠，實(shí)驗(yàn)用酵素對(duì)具體水體pH影響如何，還需要開展進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)調(diào)查研究.

將圖1-圖4關(guān)聯(lián)起來，可以看出，原水中的銅綠微囊藻具有相當(dāng)強(qiáng)的耐酸能力，體積分?jǐn)?shù)占8%的試劑a對(duì)水樣作用了62 h后，水樣的剩余Chl-a濃度仍然高達(dá)64.51 μg/L，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從Chl-a濃度看，水樣水仍處于富營(yíng)養(yǎng)化水平[9]，表明對(duì)于銅綠微囊藻在藻類構(gòu)成中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的富營(yíng)養(yǎng)化水體，本實(shí)驗(yàn)用酵素難以高效控制這類水體的銅綠微囊藻，說明酵素存在抑藻應(yīng)用上的局限性.另外，廢棄生物質(zhì)種類眾多，成分復(fù)雜，不同生物質(zhì)或生物質(zhì)的組合發(fā)酵后會(huì)形成不同特性的酵素，在利用酵素進(jìn)行銅綠微囊藻占優(yōu)勢(shì)的水體富營(yíng)養(yǎng)化污染控制時(shí)，應(yīng)根據(jù)酵素性質(zhì)、水體情況，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上謹(jǐn)慎行事.

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1)適量的廢棄生物質(zhì)制作的酵素對(duì)銅綠微囊藻占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的富營(yíng)養(yǎng)化原水中的藻類具有一定程度和一定持續(xù)時(shí)間的滅活作用，但不能夠徹底殺滅水中的銅綠微囊藻；2)酵素本身的酸性及其投加到水中可能引起的作用，導(dǎo)致受試水的酸化現(xiàn)象，水的酸化程度并不隨著酵素量的提高以及酵素作用時(shí)間的延長(zhǎng)而發(fā)生明顯的波動(dòng).銅綠微囊藻細(xì)胞對(duì)投加酵素所形成的酸化水具有一定的耐受性；3)酵素對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水中銅綠微囊藻污染的控制具有局限性，其實(shí)踐應(yīng)用應(yīng)在深入研究的基礎(chǔ)上審慎進(jìn)行.