γ-射線輻照對太湖原水中越冬藍藻復蘇的抑制

鄭賓國,張繼彪,羅興章,鄭 正*,劉 群,郭飛宏(.南京大學環境學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 2009；2.鄭州航空工業管理學院資源與環境研究所,河南 鄭州 45005；.復旦大學環境科學與工程系,上海 2004)

γ-射線輻照對太湖原水中越冬藍藻復蘇的抑制

鄭賓國1,2,張繼彪3,羅興章3,鄭 正3*,劉 群1,郭飛宏1(1.南京大學環境學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 210093；2.鄭州航空工業管理學院資源與環境研究所,河南 鄭州 450015；3.復旦大學環境科學與工程系,上海 200433)

采用60Co衰變產生的γ-射線輻照太湖原水,研究其對水中越冬藍藻復蘇的抑制,分析不同吸收劑量和添加物(甲醇、碳酸鈉)對抑制效果的影響.結果表明,γ-射線輻照能有效抑制太湖水中越冬藍藻的復蘇,吸收劑量越大,抑制藍藻復蘇的效果越好.吸收劑量為5kGy的水樣,培養40d,水中葉綠素a(Chl-a)、葉綠素b(Chl-b)和藻藍素(PC)含量分別為對照樣的8.66%、16.8%和17.2%,抑制了越冬藍藻的復蘇.0.5%甲醇和0.22mmol/LNa2CO3添加物抑制了輻照過程,與不含添加物水樣相比,相同吸收劑量下,相同培養時間內,含添加物水樣中Chl-a、Chl-b和PC濃度較高.

越冬；藍藻；復蘇；γ-射線；輻照；抑制

近年來,太湖和許多富營養化湖泊,夏季常常發生藍藻水華,大量藍藻漂浮在水面或堆積在岸邊,高溫下分解,產生惡臭[1-2].一般情況下,藻類生長繁殖緩慢,之所以在較短時間內能形成水華,底泥和水體中越冬藍藻的復蘇和上升是關鍵因子.孔繁翔等[3-4]提出藍藻的生長與水華形成共經歷越冬休眠、春季復蘇、生長和集聚上浮4個階段,影響每個階段的主導因子不同.在越冬期,由于不具備適宜的生長條件,大量藻類沉入湖底,存于湖泊水體下層和底泥表面.比如許多絲狀藍藻,Anabaena和Aphanizomenon等可以產生休眠孢(Akinete)[5-6]存于底泥表面;塔瑪亞歷山大藻(Alexandriumtamarense)和鏈狀亞歷山大藻(A.catenella)細胞則形成配子,互相結合,變成游動的合子(Hypnozygotes)并最終變成休眠孢囊沉降下來[7];而Microcystis和Gomphosphaeria等藻類越冬時形態不發生明顯變化,只是以休眠方式存在于底泥表層,并保持活性[8-9].在春季適宜條件下,越冬藍藻開始“復蘇”,迅速繁殖,并上浮聚集,形成藍藻暴發的“種源”.目前,對藍藻的控制措施多在水華形成之后實施[10-12].采取這些措施,雖能短時間內清除或抑制水體中浮游藍藻,但作為“種源”的越冬藍藻依然存在,待外界環境因素適宜,能再次迅速繁殖形成水華.因此,在越冬期對“種源”藍藻采取治理措施,是防止藍藻水華暴發的一個新思路.

近些年,核輻射技術的不斷發展,為環境污染防治和廢物處理提供了一種有效的手段[13-16].輻射技術一般在常溫常壓進行,工藝簡單,處理過程中不加或少加化學藥品及催化劑,減少了二次污染.目前,未見有關抑制越冬藍藻復蘇研究的報道.本研究利用60Co衰變產生的γ-射線輻照太湖原水,考察不同吸收劑量和添加物對輻照抑制越冬藍藻復蘇效果的影響,為防止富營養化水體藍藻水華暴發提供技術支持.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

于2009年12月,用40cm長的PVC柱狀采水器采集太湖梅梁灣底層水樣,共采集 20L,水樣混裝.水樣測定結果為:溶解氧7.3mg/L;葉綠素濃度 40.55μg/L;水溫 9.6℃;pH7.9.

1.2 儀器與試劑

光照培養箱(GXZ300B,寧波江南儀器廠);臺式高速低溫離心機(AvantiTM J-30I,Beckman);熒光分光光度計(F-7000,Hitachi);顯微鏡(CKX4,Olympus);丙酮(分析純,國藥化學集團公司);三羥甲基氨基甲烷(分析純,國藥化學集團公司);標準樣品葉綠素a(Chl-a)、葉綠素b(Chl-b)、藻藍素(PC)均購自Sigma公司.

1.3 輻照源與輻照過程

60Co輻照源(江蘇省農業科學研究院原子能研究所,源強度為1.85×1016Bq);取200mL太湖水樣分裝于500mL的密封玻璃瓶內,放于離輻照源一定距離的位置進行 γ-射線輻照,樣品的吸收劑量分別 1,2,3,4,5kGy.樣品吸收劑量采用重鉻酸銀劑量計跟蹤測定.

1.4 水樣培養

將輻照處理后水樣裝入經高溫滅菌的三角瓶中,放置在光照培養箱中培養,培養溫度為25,℃光照強度2000lx;作為對照樣的原水,在相同條件下培養.

1.5 分析方法

取采集的水樣少量,加入魯古氏碘液固定后,使用顯微鏡觀察藻類組成,未發現裸藻、紅藻和隱藻.

定期取一定量的培養水樣,按文獻[4]方法,提取色素,并使用熒光分光光度計測出其中藻類Chl-a、Chl-b和PC含量.在所有可發生光合作用的藻類中均能發現 Chl-a,而在綠藻和裸藻中只含有Chl-b,在藍藻、紅藻和隱藻中含有PC.本實驗中不存在裸藻、紅藻和隱藻,因此,Chl-a、Chl-b和PC含量可分別表征水體中藻類總量、綠藻數量和藍藻數量.

2 結果與討論

2.1 γ-射線輻照對越冬藍藻復蘇的抑制

γ-射線進入水體后,先與水分子作用,在瞬間(10-7s)生成大量自由基(·OH、H·、 e-aq和 H3O+),其反應如式(1)所示,式(1)中括號內的數值表示每吸收 100eV的能量時,水中產生的各種自由基的數量[17].由于水中存在分子氧,輻照產生的 H·和 eaq能與 O2反應生成 H O.2和 O.2-[式(2)和式(3)];當吸收劑量較大時,ea-q和·OH、H+之間反應生成 OH-和 H·[式(4)和(5)].此外,γ-射線輻照過程中,也會發生如式(6)～式(9)的反應,生成 H2O2、O2等[13].這些自由基能與水體中的溶解物或懸浮物發生作用.

2.1.1 γ-射線輻照對水樣中Chl-a含量的影響 取自太湖的水樣經 γ-射線處理后,放置在恒溫光照培養箱中培養,培養溫度25,℃光照強度2000lx,定期取樣分析水中Chl-a的變化,結果如圖1所示.

圖1 Chl-a含量隨吸收劑量和培養時間的變化Fig.1 Changes of Chl-a abundance with absorbed doses and culture time

圖 1表明,太湖水樣經 γ-射線輻照后,其Chl-a的含量減少,隨吸收劑量增加,Chl-a濃度降低.輻照后水樣經相同時間培養,隨吸收劑量增加,Chl-a的增加量逐漸減少.說明 γ-射線處理后的水樣中藻類濃度降低,吸收劑量越大,藻類濃度越低;藻類濃度低的水樣,其復蘇量也比較少.圖1還表明,水樣經40d培養后,對照樣中Chl-a的含量從 40.55μg/L 增加到 724.4μg/L,吸收劑量為5kGy的水樣,Chl-a含量從 7.28μg/L增加到62.7μg/L,為對照樣的 8.66%,即藻類總復蘇量僅為對照樣的 8.66%,說明 γ-射線輻照有效的抑制了越冬藻類的復蘇.

2.1.2 γ-射線輻照對水樣中 Chl-b含量的影響 取自太湖的水樣經γ-射線處理后,在恒溫光照培養箱中培養,培養溫度為25,℃光照強度2000lx,定期取樣分析水中Chl-b的變化,結果如圖2所示.

圖2表明,水樣經γ-射線輻照后,其Chl-b的含量減少,吸收劑量越大,Chl-b含量越低.輻照后的水樣經相同時間培養,吸收劑量越大,Chl-b增加的量越少.說明輻照處理過的水樣中綠藻數量減少,且吸收劑量越大,綠藻數量越少;綠藻數量少的水樣,其復蘇量也比較少.圖2還表明,吸收劑量為5kGy的水樣,培養40d,其Chl-b含量從1.02μg/L增加到29.09μg/L;而相同培養時間,未經輻照處理水樣中Chl-b含量從5.73μg/L增加到173μg/L,即輻照后水中綠藻復蘇量為對照樣的16.8%,表明γ-射線輻照有效抑制了越冬綠藻的復蘇.

圖2 Chl-b含量隨吸收劑量和培養時間的變化Fig.2 Changes of Chl-b abundance with absorbed doses and culture time

2.1.3 γ-射線輻照對水樣中PC含量的影響 將經 γ-射線輻照處理后的水樣放置在光照培養箱中培養,培養溫度為 25℃,光照強度 2000lx,定期取不同輻照劑量處理過的水樣,分析 PC含量,結果如圖3所示.

圖3 PC含量隨吸收劑量和培養時間的變化Fig.3 Changes of PC abundance with absorbed doses and culture time

圖3表明,經γ-射線輻照后的水樣,PC的濃度降低,吸收劑量越大,PC濃度越低.輻照后的水樣經相同時間培養,隨吸收劑量增加,PC增加的量逐漸降低.說明輻照處理過的水樣中藍藻濃度降低,吸收劑量越大,藍藻濃度越低;藍藻濃度低的水樣,其藍藻復蘇量也比較低.輻照劑量為5kGy的水樣,培養40d,PC含量從1.98μg/L增加到10μg/L,未經輻照處理的水樣,其PC含量達到58μg/L,即輻照處理后藍藻復蘇量為對照樣17.2%,γ-射線輻照抑制了越冬藍藻的復蘇.

2.2 添加物對輻照的影響

2.2.1 添加甲醇對輻照的影響 為考察 γ-射線輻照產生的·OH自由基和 e-aq對藻類細胞的作用,在試驗水樣中添加 0.5%甲醇.甲醇是一種良好的·OH 淬滅劑,能與·OH 和 e-aq反應[13],其對輻照的影響如圖4所示.

圖4 甲醇對輻照的影響Fig.4 The effect of methanol on irradiation

圖 4表明,無論是否添加甲醇,水樣中Chl-a、Chl-b、PC含量均隨吸收劑量增加而降低.相同吸收劑量下,相比對照樣,添加甲醇水樣中 Chl-a、Chl-b、PC含量均比較高.吸收劑量為500Gy,未添加甲醇水樣中Chl-a、Chl-b、PC含量分別為2.28,1.02,1.98μg/L;添加甲醇水樣中Chl-a、Chl-b、PC 含量為 12.25,1.93,7.02μg/L,說明甲醇抑制了γ-射線輻照對藻類細胞的作用.原因是 CH3OH與·OH和 e-aq發生反應[式(10)和式(11)],降低了水中·OH 和 e-aq濃度,抑制了輻照過程.此結論也表明,·OH 和在輻照過程中起重要作用.

2.2.2 Na2CO3對輻照的影響 Na2CO3進入水體后水解生成 H CO3-和 C O32-,能與·OH、e-aq和·H發生反應.試驗水樣中添加0.22mmo/LNa2CO3,考察其對輻照的影響,結果如圖5所示.

圖5 碳酸鈉對輻照的影響Fig.5 The effect of sodium carbonate on irradiation

由圖 5可知,無論是否添加 Na2CO3,隨吸收劑量增加,培養后水樣中Chl-a,Chl-b,PC的含量均降低.但添加 Na2CO3后,相同吸收劑量下,水樣中 Chl-a,Chl-b,PC 含量分別為 11.73,1.83,5.93μg/L,均比未添加 Na2CO3水樣中的 Chl-a,Chl-b,PC含量高.這表明 Na2CO3抑制了輻照對藻類的作用,原因是發生了如式(12)～(16)的反應[18].此結論進一步說明和·H在輻照過程中起重要作用.

3 結論

3.1 γ-射線輻照能有效抑制太湖水中越冬藍藻的復蘇,吸收劑量越大,抑制藍藻復蘇的效果越好.吸收劑量為5kGy的水樣,培養40d,水中Chl-a、Chl-b和PC含量僅為對照樣的8.66%、16.8%和17.2%,越冬藍藻的復蘇受到了抑制.

3.2 0.5%CH3OH和 0.2mmol/LNa2CO3添加物抑制了 γ-射線輻照對藻類細胞的作用,原因是CH3OH能清除水中的·OH和 eaq;Na2CO3能與水中的·OH、 ea-q和·H 反應,降低其濃度,這也說明·OH、 ea-q和·H自由基在輻照過程中起著重要作用.

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Inhibition of overwinter cyanobacteria recovery in Taihu water by gamma-ray irradiation.

ZHENG Bin-guo1,2, ZHANG Ji-biao3, LUO Xing-zhang3, ZHENG Zheng3*, LIU Qun1, GUO Fei-hong1(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210093, China；2.Institute of Resources and Environment, Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management, Zhengzhou 450015, China；3.Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China). China Environmental Science, 2011,31(2)：316～320

The inhibition of overwintering cyanobacteria recovery in Taihu Water by gamma-ray irradiation from60Co was studied, the effects of different absorbed doses and additives (methanol, sodium carbonate) on inhibition were investigated.Gamma-ray irradiation significantly inhibited the recovery of overwintering cyanobacteria, the increasing of absorbed dose enhanced the inhibition effect. The ratio of chlorophyll a, chlorophyll b and phycocyanin, in water with the absorbed dose of 5kGy and 40 days culture, were 8.66%、16.8% and 17.2% to that in control sample, the recovery of overwintering cyanobacteria was inhibited. 0.5% CH3OH、0.22mmol/LNa2CO3additives restrained irradiation process, with the same absorbed dose and culture time, the chlorophyll a, chlorophyll b and phycocyanin concentration in water sample contained additives were higher than that in control sample.

overwintering；cyanobacteria；recovery；gamma-ray；irradiation；inhibition

X172

A

1000-6923(2011)02-0316-05

2010-06-22

國家自然科學基金資助項目(11075039); “十一五” 國家重大水專項(2008ZX07101-004)

* 責任作者, 教授, zzhenghj@fudan.edu.cn

鄭賓國(1979-),男,河南漯河人,博士,主要從事水污染控制研究.發表論文10余篇.