殼聚糖改性硅藻土除藻性能及生態(tài)安全性評(píng)價(jià)

趙益華，賈凱悅，季民，趙迎新，盧佳佳，趙明杰

1. 天津生態(tài)城水務(wù)投資建設(shè)有限公司，天津 300467；2. 天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；3. 秦皇島天大環(huán)保研究院有限公司，河北 秦皇島 066000

由于人類的活動(dòng)，河流、湖泊等地表水作為接納各種污水的匯集地，環(huán)境承載能力日益變差，河道藻華爆發(fā)現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重影響水生態(tài)安全和人類健康（Xia et al.，2010）。2019年底公布的《2018年度中國環(huán)境狀況公報(bào)》顯示：全國開發(fā)利用程度較高和面積較大的107個(gè)重要湖泊（水庫）中，富營養(yǎng)狀態(tài)占湖泊總數(shù)的29%（中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部，2019）。經(jīng)過多年治理，中國城市水體的富營養(yǎng)化程度有所緩解，但由此帶來的藻污染問題仍十分嚴(yán)重，目前藻污染現(xiàn)象已是中國面臨的一項(xiàng)重大水環(huán)境問題（孔繁翔等，2005）。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)藍(lán)藻水華的治理進(jìn)行多方面研究，其中絮凝除藻的方法日益受到關(guān)注，尤其是藻華大規(guī)模爆發(fā)時(shí)，各類人工打撈工程由于成本的原因無法實(shí)施，絮凝除藻更顯示出優(yōu)勢(shì)（鄒華等，2004）。鄒華等（2007）、潘綱等（2003）、Huang et al.（2000）利用殼聚糖對(duì)多種粘土進(jìn)行改性，研究了其對(duì)銅綠微囊藻的去除效應(yīng)，探討了絮凝機(jī)理，取得了很好的效果；李凱等（2017）利用殼聚糖與海泡石復(fù)合對(duì)水華微囊藻進(jìn)行去除，發(fā)現(xiàn)當(dāng)復(fù)合比例為1∶8時(shí)，去除效率達(dá)到96.4%；季程晨等（2008）利用粉煤灰復(fù)配磁礦粉混合絮凝除藻，其投加量為200 mg·L-1時(shí)，處理率97.08%。

投加除藻劑后需要過高的攪拌力度是目前該方法被限制廣泛應(yīng)用的重要因素，此外絮凝劑的用量有所限制，生物毒性及對(duì)生態(tài)安全性評(píng)價(jià)缺乏研究，亟需開發(fā)一種高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的除藻劑并對(duì)其研究。

為了解決現(xiàn)行除藻劑用量大、易產(chǎn)生二次污染的弊端問題，本研究擬結(jié)合城市河道等景觀水體現(xiàn)狀和水質(zhì)特點(diǎn)，以殼聚糖改性硅藻土制備除藻劑提高絮凝除藻性能，降低使用量及成本消耗，在不危害水體中動(dòng)植物體的前提下，一方面抑制藻類的產(chǎn)生，另一方面對(duì)產(chǎn)生的藍(lán)藻進(jìn)行消除，達(dá)到水質(zhì)改善的目的，為該除藻劑后期應(yīng)用提供有力依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

殼聚糖改性硅藻土除藻劑：天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室制備。

藻液：銅綠微囊藻（Merismopedia aeruginosa），購自中國科學(xué)院水生生物研究所藻種庫，后由天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室經(jīng) BG-11培養(yǎng)基培養(yǎng)。

發(fā)光細(xì)菌：菌種為明亮發(fā)光桿菌 T3小種（Photobacterium phosephoremT3）。

綠色植物：菖蒲（Acorus calamusLinn.）、水竹（Phyllostachys heterocladaOliver.）、蘆葦（Phragmites australisTrin.）、水蔥（Scirpus validusVahl.），購自阿里巴巴，采自秦皇島戴河生態(tài)園河水培養(yǎng)60 d，每隔7 d換一次水，每天進(jìn)行8 h的曝氣（雷澤湘，2006）。

草魚（Ctenopharyngodon idellus）：購自阿里巴巴，采自秦皇島戴河生態(tài)園河水培養(yǎng)28 d，每隔7 d換一次水，每天進(jìn)行8 h的曝氣。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水質(zhì)檢測

藻去除率：除藻前后藻液OD680之差與藻原液OD680的比值（藻密度以吸光度OD680表示）。

葉綠素（Chl-a）的測定：水樣中藻細(xì)胞經(jīng)0.45 μm濾膜抽濾后在4 ℃在用95%乙醇避光提取24 h，離心測其吸光度（國家技術(shù)監(jiān)督局，1991）。

濁度的測定：取上清液于2100P便攜式濁度儀測定同一樣品，測定3次，取平均值。

1.2.2 毒性分析

藻毒素測定：高效液相色譜法（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2006）。

生物毒性檢測：明亮發(fā)光桿菌 T3小種（Photobacterium phosphoremT3）凍干粉（中國科學(xué)院南京土壤研究所）檢測藥劑水樣的生物毒性，其流程主要包括菌種的復(fù)蘇及培養(yǎng)、試驗(yàn)準(zhǔn)備、測定和計(jì)算結(jié)果（中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)總局，1995）。

植物生長情況表征：生物量為植株清洗后濾紙擦干稱重所得；數(shù)根數(shù)；測量株高、根長是用直尺直接測量（程麗芬等，2017）。

草魚生命活動(dòng)表征：數(shù)其存活數(shù)量，觀察眼部、尾部形態(tài)變化（Jiang，2009）。

1.2.3 表征方法

掃描電鏡（朱麗霞等，1983）：樣品用2.5%戊二醛溶液固定1 h，磷酸緩沖液，后用Milloning 緩沖液清洗2—3次，用50%—100%的乙醇洗脫樣品，每次停留約 10 min，干燥，真空噴金后于 Nova NanoSEM NPE218型掃描電鏡下觀察，攝影。

Zeta電位（ζ）（Xu et al.，2014）：配制除藻劑和藻細(xì)胞懸濁液于Nano ZSP型Zeta電位儀測定。

1.2.4 絮凝除藻

采用400 mL處于對(duì)數(shù)期的銅綠微囊藻液，吸光度為 OD680＞0.100 (±0.002)，對(duì)應(yīng)的藻密度為6.39×106ind·mL-1，達(dá)到水華爆發(fā)時(shí)的藻密度。分別投加10—100 mg·L-1的改性前后硅藻土除藻劑進(jìn)行除藻實(shí)驗(yàn)，慢速攪拌（50 r·min-1）5 min，靜置后于液面下2—3 cm處取樣測定藻密度、葉綠素a、濁度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)藻類生長情況的指標(biāo)，可以計(jì)算出相對(duì)除藻率R。相對(duì)除藻率的計(jì)算公式如下：

式中，R為相對(duì)抑制率（%）；C0為對(duì)照組的生長指標(biāo)（OD680）；Ct為試驗(yàn)組的生長指標(biāo)（OD680）。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用 Oringe 8.5軟件進(jìn)行整理和作圖，運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，顯著水平為P＜0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性硅藻土絮凝除藻性能

將改性硅藻土除藻劑進(jìn)行400 mL的jar-test實(shí)驗(yàn)，投藥后慢速攪拌（50 r·min-1）5 min，藻細(xì)胞相互聚集成絮體，靜止后沉降。圖1為實(shí)驗(yàn)中水樣藻密度去除率隨時(shí)間和投加量變化曲線。研究發(fā)現(xiàn)，在投加量為 10—30 mg·L-1的條件下，攪拌后絮體較小不易沉降；當(dāng)投加量達(dá) 40 mg·L-1時(shí)，攪拌后形成明顯絮體，靜置0.5 h后，除藻率近80%，1 h后除藻率開始趨于穩(wěn)定，均在90%以上，2 h后除藻率為95.2%。因此，在低攪拌強(qiáng)度的作用下，除藻劑仍有較高的除藻效果，在此之前尚未有文獻(xiàn)報(bào)道在無快速攪拌條件有如此高的除藻效果。

將殼聚糖改性硅藻土制得的除藻劑與CuSO4、ClO2等傳統(tǒng)除藻劑的除藻性能對(duì)比，如圖2所示，結(jié)果表明，投加CuSO4、有機(jī)氯、ClO2等傳統(tǒng)化學(xué)除藻劑后1 h藻細(xì)胞、葉綠素a與濁度的去除率均在 80%以上，但發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強(qiáng)度抑制率均高于75%，說明其毒性較高，易造成二次污染；而酶制劑等傳統(tǒng)生物除藻劑發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強(qiáng)度抑制率雖低于30%，但投加后24 h藻細(xì)胞、葉綠素a與濁度的去除率仍低于 50%，說明其除藻性能差，見效慢，不適于應(yīng)急。殼聚糖改性硅藻土除藻劑可避免傳統(tǒng)除藻劑所帶來的弊端，投加后1 h藻細(xì)胞、葉綠素a與濁度的去除率超過 90%，且發(fā)光菌的發(fā)光強(qiáng)度抑制率低于30%，實(shí)現(xiàn)高效快速、綠色除藻的目的。

圖1 投加除藻劑后藻去除率（R）變化Fig. 1 Variation of algae removal rate (R) after adding algaecide

圖2 改性硅藻土除藻劑與傳統(tǒng)除藻劑的對(duì)比Fig. 2 Comparison between modified diatomite and traditional algaecide

2.2 表面電位對(duì)藻去除率的影響

圖3為投加不同量的硅藻土及改性硅藻土后水體Zeta電位變化及除藻效率，圖4為投加改性前后硅藻土除藻劑水體Chl-a去除率與剩余濁度變化。由圖發(fā)現(xiàn)投加未改性的硅藻土投量為 100 mg·L-1時(shí)，除藻效率僅為10.7%，其Zeta電位為-32.7 mV；經(jīng)殼聚糖改性后的硅藻土除藻劑投量為 40 mg·L-1時(shí)，除藻效率為95.2%，Chl-a去除率為94.1%，剩余濁度僅為4.6 NTU，其Zeta電位增加到-16.7 mV，當(dāng)投加量為100 mg·L-1時(shí)，Zeta電位已增加到8.2 mV。經(jīng)過改性，隨著投加量的增加，Zeta電位也隨之增加，藻密度及Chl-a的去除率明顯提高，剩余濁度逐漸降低。

圖3 投加改性前后硅藻土水體Zeta電位變化及除藻效率Fig. 3 Zeta potential change and algae removal efficiency of diatomite before and after modification

圖4 投加改性前后硅藻土水體Chl-a去除率及剩余濁度Fig. 4 Removal rate of chlorophyll-a and residual turbidity in diatomite water before and after modification

前期實(shí)驗(yàn)表明銅綠微囊藻在水體中為負(fù)電性，其Zeta電位在-40.0 mV上下，且體積小，粒徑約2.5 μm，不易沉降。未改性的硅藻原土表面通常也帶負(fù)電荷，Zeta電位在-40.5— -34.0 mV之間，投加未改性的硅藻原土除藻效率不高，這是由于帶負(fù)電荷的硅藻土在水中與同樣帶負(fù)電荷的藻細(xì)胞產(chǎn)生靜電排斥作用而降低碰撞效率，藻細(xì)胞狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，不易絮凝沉降，從而影響除藻效果。此外有研究表明改性材料殼聚糖在溶液中會(huì)發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng)和水解反應(yīng)（王閃等，2016；Morfesis et al.，2009），從而產(chǎn)生帶正電荷的聚合離子，提高硅藻土表面 Zeta電位，與帶負(fù)電的藻細(xì)胞發(fā)生靜電中和，使得藻細(xì)胞脫穩(wěn)絮凝成團(tuán)，快速沉降去除，這與圖3中投加改性硅藻土后，Zeta電位和除藻效率皆明顯提升的結(jié)果一致。

圖5為電鏡下改性前后硅藻土的表面形態(tài)?？梢钥闯鼋?jīng)過改性后，硅藻土表面粗糙且空隙較大較多，比表面積增大，大量改性劑通過表面包埋負(fù)載修飾在硅藻土表面上。這是由于改性劑有一定黏性，且硅藻土具有較強(qiáng)的吸附性能（宋來洲等，2004），使二者得以更好的結(jié)合。

圖6是沉降后藻絮體的電鏡掃描圖，發(fā)現(xiàn)可以看出顆粒狀的藻細(xì)胞相對(duì)完整，無破裂現(xiàn)象；絮體間可看到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使大量藻細(xì)胞聚集成團(tuán)，這是改性硅藻土的網(wǎng)捕卷掃作用。本研究前期實(shí)驗(yàn)利用La3＋提高硅藻土表面 Zeta電位除藻發(fā)現(xiàn)當(dāng)投加量低于 3 g·L-1時(shí)除藻率僅不及 60%，結(jié)合相關(guān)研究（Benjamin et al.，2012）表明僅利用電性中和作用不足以使其高效除藻，由此看來，改性硅藻土發(fā)揮著電性中和與網(wǎng)捕架橋雙重作用到達(dá)高效除藻的目的。

2.3 生態(tài)安全性評(píng)價(jià)

圖5 硅藻土的掃描電鏡圖Fig. 5 Scanning electron microscopy of diatomite

圖6 藻絮體的掃描電鏡圖Fig. 6 Scanning electron microscopy of algal flocs

圖7 殼聚糖改性硅藻土的生物毒性Fig. 7 Biotoxicity of diatomite modified by chitosan

以發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強(qiáng)度作為毒性指標(biāo)，圖7為發(fā)光菌在殼聚糖改性硅藻土制得除藻劑中的發(fā)光強(qiáng)度抑制率及除藻劑的參比毒物濃度，反映了其生物毒性。結(jié)果表明，隨著除藻劑投量的增多，發(fā)光菌的發(fā)光強(qiáng)度抑制率有所增加但幅度不大，發(fā)光菌的發(fā)光強(qiáng)度抑制率均低于30%，最適投量40 mg·L-1時(shí)，發(fā)光菌發(fā)光強(qiáng)度抑制率僅為 25.6%，相當(dāng)于 Zn2＋質(zhì)量濃度 0.38 mg·L-1，最大投量 100 mg·L-1時(shí)的發(fā)光菌發(fā)光強(qiáng)度抑制率僅為 29.2%，相當(dāng)于 Zn2＋質(zhì)量濃度0.40 mg·L-1，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11348—1999中發(fā)光菌的發(fā)光強(qiáng)度抑制率＜30%，毒性等級(jí)為Ⅰ級(jí)，屬低度毒性風(fēng)險(xiǎn)。由于本研究制備的除藻劑所選用的原材料均為環(huán)保型材料，安全無毒，且投加除藻劑后水體pH值仍可保持在7.0—7.5之間，不影響水體酸堿平衡。

圖8為投加殼聚糖改性硅藻土后銅綠微囊藻水樣的藻毒素釋放情況。結(jié)果表明，在改性硅藻土投加量小于 70 mg·L-1時(shí)，隨著投加量的增加，細(xì)胞胞外藻毒素量逐漸升高，是由于在投加殼聚糖改性硅藻土后，通過網(wǎng)捕藻細(xì)胞絮凝沉降，微囊藻細(xì)胞因聚集摩擦受到稍許破壞，造成藻毒素釋放，但釋放量較低，僅不到1.0 μg·L-1。另外，當(dāng)除藻劑投加量大于 70 mg·L-1時(shí)，胞外藻毒素質(zhì)量濃度趨于平緩，由于投量過多藻液發(fā)生膠體再穩(wěn)現(xiàn)象，藻細(xì)胞間不易聚集。

圖8 藻毒素釋放情況Fig. 8 Release of microcystin

綜合2.1結(jié)論所述，在投加殼聚糖改性硅藻土除藻劑除藻時(shí)，并非投加量越高效果越好，而存在最佳投藥濃度，殼聚糖改性硅藻土除藻劑對(duì)銅綠微囊藻治理的最適投量為40 mg·L-1，此時(shí)水樣中藻毒素釋放量僅為 0.087 μg·L-1；當(dāng)投加量達(dá) 100 mg·L-1時(shí)，水樣中藻毒素釋放量開始趨于穩(wěn)定，最高為0.181 μg·L-1，均低于國標(biāo)規(guī)定的地表水源地微囊藻毒素MC-LR的標(biāo)準(zhǔn)限值1.0 μg·L-1。由較低的毒素釋放量可以推測出該改性硅藻土未穿透藻細(xì)胞內(nèi)部殺死藻細(xì)胞，而是通過表面相互聚集增大比重從而沉降除藻。

圖9展示的是投加不同濃度的改性硅藻土除藻劑水培系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)測定的菖蒲、水竹、蘆葦及水蔥的根長、根體積、植株生物量、株高的變化情況。由圖可知，對(duì)比未投加除藻劑的空白組，投加除藻劑后菖蒲的根莖生長并無明顯異常，只有投加10 mg·L-1的除藻劑時(shí)根體積減少了4 mL，其他參數(shù)變化幅度均在2個(gè)單位值以內(nèi)，當(dāng)投加適量的除藻劑，其根莖生長量略高于空白組，可能由于適量除藻劑的投加抑制了水體藻類的滋生，為菖蒲減少了吸收氧氣及養(yǎng)分的競爭者；相對(duì)于菖蒲，投加除藻劑對(duì)水竹根莖的生長浮動(dòng)影響略微明顯，除了對(duì)生物量的變化較小外，其他參數(shù)變化幅度均在4個(gè)單位值以內(nèi)；投加除藻劑后蘆葦?shù)母o生長并無明顯異常，參數(shù)變化幅度均在2個(gè)單位值以內(nèi)，且根部漲幅略有上升，說明除藻劑對(duì)蘆葦?shù)母可L影響低于對(duì)莖部的生長影響；除藻劑對(duì)水蔥的根部生長存在一些影響，但抑制作用較低，對(duì)比于未投加除藻劑變化幅度在2個(gè)單位值以內(nèi)，不影響植株生長，水蔥的莖部生長較快，兩個(gè)月內(nèi)平均增長了40 cm。

綜上所述，在不同濃度投加條件下，4種挺水植物在收獲時(shí)的生物量、株高、根長、根體積等形態(tài)指標(biāo)均有明顯的增長，且與空白組對(duì)比，其變化量小，均在4個(gè)單位值以內(nèi)，水生植物生長情況無明顯異?，F(xiàn)象，說明殼聚糖改性硅藻土除藻劑對(duì)水生植物正常生長影響較小。

圖9 殼聚糖改性硅藻土對(duì)4種綠色植物生長影響Fig. 9 The effect of Diatomite modified by Chitosan on the growth of four green plants

表1 殼聚糖改性硅藻土對(duì)草魚生命活動(dòng)影響Table 1 Effect of algaecide on life activities of grass carp

表1顯示了投加不同濃度的殼聚糖改性硅藻土除藻劑后28 d對(duì)草魚生命活動(dòng)影響結(jié)果。當(dāng)草魚培養(yǎng)14 d時(shí)，空白對(duì)照組的草魚死亡率與投加除藻劑后對(duì)應(yīng)的草魚死亡率均為零，表明該時(shí)段及除藻劑濃度水樣對(duì)草魚生命活動(dòng)基本無影響。當(dāng)草魚培養(yǎng)21 d后，空白對(duì)照組的草魚死亡率及投加殼聚糖改性硅藻土除藻劑濃度在 70 mg·L-1和 100 mg·L-1時(shí)對(duì)應(yīng)的草魚死亡率均高于投加除藻劑質(zhì)量濃度在10 mg·L-1和 40 mg·L-1時(shí)對(duì)應(yīng)的草魚死亡率，說明適量濃度的除藻劑更有利于草魚的生存。由于空白組未投加除藻劑，21 d后水體藻滋生嚴(yán)重，堵塞草魚呼吸器官，阻礙草魚正常生命活動(dòng)；而投加濃度過高時(shí)，會(huì)影響水體的酸堿平衡，酸度多高會(huì)對(duì)草魚的皮膚等器官造成一定的腐蝕。如圖 10所示生存下來的草魚體態(tài)樣貌，觀察無明顯畸形病變，說明殼聚糖改性硅藻土的毒性較低，對(duì)草魚正常生命活動(dòng)無較大影響。

3 結(jié)論

（1）改性硅藻土僅慢速攪拌（50 r·min-1）5 min的條件下可有效地消除藻污染現(xiàn)象，最佳投量為40 mg·L-1，藻密度去除率為95.2%，Chl-a的去除率為94.1%，剩余濁度僅為4.6 NTU；對(duì)比幾種傳統(tǒng)除藻劑，改性硅藻土除藻劑既發(fā)揮著高效快速除藻的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)避免了傳統(tǒng)除藻劑毒性高、易造成二次污染的弊端。

圖10 投加除藻劑后草魚生命狀態(tài)Fig. 10 Life state of grass carp after adding algaecide

（2）硅藻土經(jīng)改性后表面Zeta電位明顯提升，除藻率也隨之提高。改性劑附著在硅藻土表面發(fā)揮著電性中和與網(wǎng)捕卷掃的雙重作用，從而實(shí)現(xiàn)高效除藻的目的。

（3）利用發(fā)光細(xì)菌發(fā)光強(qiáng)度檢測改性硅藻土急性生物毒性屬于低毒性風(fēng)險(xiǎn)，且發(fā)現(xiàn)改性硅藻土并沒有穿透藻細(xì)胞內(nèi)部殺死藻細(xì)胞，其藻毒素釋放量低于國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)微囊藻毒素MC-LR的標(biāo)準(zhǔn)限值1.0 μg·L-1；且投加改性硅藻土除藻劑后，培養(yǎng)的水生動(dòng)植物生長變化較空白組無明顯異常，說明除藻劑對(duì)水體生態(tài)環(huán)境影響較小，具有綠色生態(tài)、環(huán)境友好型特點(diǎn)。