高錳酸鉀預氧化對藻活性和胞內外有機物的影響

張曉東,喬俊蓮,呂麗萍,高乃云 (同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092)

高錳酸鉀預氧化對藻活性和胞內外有機物的影響

張曉東,喬俊蓮*,呂麗萍,高乃云 (同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092)

以實驗室純培養的銅綠微囊藻為研究對象,針對不同生長期藻的特性,采用高錳酸鉀預氧化劑,研究投加量對銅綠微囊藻胞內、外有機物DOC濃度的影響;高錳酸鉀氧化后銅綠微囊藻細胞及其活性的變化;預氧化對以聚合氯化鋁(PAC)作為混凝劑的混凝工藝去除不同生長期銅綠微囊藻的影響.結果表明.低濃度的高錳酸鉀對藻細胞光合作用有一定的抑制作用,高濃度(≥10mg/L)的高錳酸鉀預氧化會使藻細胞失活并釋放大量胞內有機物.當高錳酸鉀投加量為 2mg/L時,投加30mg/L PAC,第9d、21d、28d、36d培養期的藻去除率分別為81%、99%、58%、35%;在不同高錳酸鉀投加量下,第21d(對數期)的藻液,采用高錳酸鉀預氧化強化混凝除藻效果最好,其原因可能與不同生長期胞外有機物(EOM)濃度及組分不同有關.藻處于衰亡前期和衰亡后期EOM含量顯著增大,過高濃度的EOM影響了氧化劑的氧化效率,使得預氧化效果不明顯.穩定期和對數期藻液中EOM含量較低,此時氧化劑與藻細胞接觸,易刺激藻細胞分泌物質,而一定濃度的EOM可以起到助凝的作用,使得預氧化后強化混凝效果良好.高錳酸鉀還原產物是水合MnO2,會促進混凝并可以附著在藻細胞表面提高藻細胞沉降性.

銅綠微囊藻；生長期；高錳酸鉀；預氧化；混凝

藻類爆發是水體富營養化帶來的一個突出問題,其產生的藻毒素嚴重影響水源的供水安全[1].當前應對突發的水華事件最主要、最有效、最經濟的方法是混凝除藻[2-4].

高錳酸鉀預氧化是水處理中常用的強化混凝除藻工藝[5],預氧化可以大大增強混凝效果,在去除受污染水源中的藻類、色度、嗅味和有機污染物等方面備受關注[6].Knappe等[7]比較系統的研究了高錳酸鉀的強化混凝作用,從藥劑投加量到處理時間,再到混凝劑的用量,發現高錳酸鉀能有效強化混凝.高錳酸鉀氧化作用對藻細胞生物活性有一定影響.Petrusevski等[8]研究認為其主要原因是高錳酸鉀氧化降低了藻細胞活性,使其利于沉降.大量研究表明高錳酸鉀預氧化可以降低混凝除藻過程中混凝劑的用量.El-Dars[9]研究了高錳酸鉀對鋁鹽和鐵鹽混凝除藻的效果,發現高錳酸鉀可以大大降低混凝劑的用量并很好的去除藻類.高錳酸鉀強化混凝除藻的效果不僅來源于其氧化作用,其還原產物同樣助于混凝過程.Chen等[6]在前人基礎上研究認為高錳酸鉀還原產物是水合 MnO2,會對混凝有促進作用,它既能吸附有機物質,同時還能附著在藻細胞表面,提高了藻細胞的沉降性.然而由于藻細胞是一種具有生命活性的微生物,其不同生長周期的生理特性與形態特征對混凝過程具有較大的影響[10-12].特別是隨著生長期和代謝條件的變化,與藻細胞壁相聯系的官能團(主要是羧基,偶爾也有酚基、羥基)的濃度和反應會發生波動,直接影響藻細胞的負電荷密度和等電點[13-14],由于這些官能團多存在于藻細胞的EOM中, EOM的性質及其動態變化必然影響藻類的預氧化及混凝效果[15].因此對藻類不同生長周期預氧化效果的研究為預氧化在藻類去除過程中的實際應用具有一定的指導意義.

本文以聚合氯化鋁(PAC)為混凝劑,對不同生長期的銅綠微囊藻進行高錳酸鉀預氧化強化混凝實驗,并通過藻、渾濁度去除率及EOM、Zeta電位的變化,探究了高錳酸鉀預氧化強化混凝對不同生長期銅綠微囊藻去除效率差異的機理.

1 實驗材料與方法

1.1 實驗儀器

總碳分析儀(TOCV-CPN,島津),Zetasizer Nano Z型Zeta電位分析儀(英國馬爾文),PAM調制葉綠素熒光儀(德國WALZ),UV-1800紫外可見分光光度計,MY3000-6智能型混凝試驗攪拌儀,XSP-8C三目生物顯微鏡,101a-1型電熱干燥箱,TGL-16C臺式離心機.

1.2 藥劑與材料

聚氯化鋁(PAC)(市售,Al2O3,29%～32%,鹽基度,50%～85%);藻種(銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa))購于中國科學院水生生物研究所國家淡水藻種庫(FACHB),編號為FACHB-469.(接種好的水樣置于玻璃瓶中,在光照生化培養箱中培養,培養溫度為 25℃,光照強度為 1000lx,光暗比L:D=12:12)

1.3 實驗方法

1.3.1 藻細胞生物量和藻的光合活性參數的測試方法 藻細胞生長到一定程度時,用分光光度計在 600～750nm之間每隔 5nm進行波長掃描,繪制吸收曲線,確定最大吸收峰波長.銅綠微囊藻最大吸收波長為 680nm,藻細胞的生物量即用在680nm波長處的光密度值OD680表示.然后將藻溶液稀釋成不同的濃度梯度,測定 OD680數值,同時在顯微鏡下放大 400倍用血細胞計數板進行藻細胞計數.得到藻細胞濃度與OD680值之間的換算關系,銅綠微囊藻細胞濃度(106cells/mL)= 23.209 × OD680,R2= 0.9979.

藻的光合活性參數采用PHYTO-PAM (Walz,德國)測定.光合量子產率Φe通過式(1)計算得到:

式中:Fm為在暗適應狀態下,PSII系統在打開飽和脈沖后產生的最大熒光值;Fo為在暗適應狀態下,PSII系統在打開飽和脈沖前產生的熒光值.

1.3.2 DOC的測定 將藻原液和絮凝后上清液分別經過 0.45μm 的濾膜過濾后,用總碳分析儀(TOCV-CPN,日本島津)直接測定水中DOC,以表征胞外分泌有機物(EOM).

取一定量的藻液離心,取被離心藻細胞,用純水沖洗稀釋到與胞外溶液體積相同,并采用凍融法4次后過0.45μm的濾膜,測定濾出液的DOC,為胞內有機物.

1.3.3 Zeta電位的測定 用 Zeta電位分析儀(Zetasizer Nano Z,英國馬爾文)測定藻細胞表面的Zeta電位,比較隨條件變化藻細胞Zeta電位的變化情況.

1.3.4 絮凝效果的測定 600mL燒杯中加入500mL藻懸液,投加一定濃度的高錳酸鉀預氧化2h,緊接著投加一定濃度PAC.250r/min快速攪拌2min,30r/min慢速攪拌5min.靜沉1h后,于液面下2cm處取上清液測定.

2 結果與討論

2.1 高錳酸鉀投加量對銅綠微囊藻胞內、外有機物濃度的影響

為了深入進行理論研究,投加了不同濃度的高錳酸鉀.在高錳酸鉀氧化過程中,銅綠微囊藻的胞外和胞內有機物的DOC濃度變化分別見圖1和圖2.

圖1 不同濃度高錳酸鉀氧化過程中胞外DOC的變化Fig.1 Variation of extracellular DOC during various dosages KMnO4 oxidation

圖2 不同濃度高錳酸鉀氧化過程中胞內DOC的變化Fig.2 Variation of intracellular DOC during various dosages KMnO4 oxidation

由圖1可見,胞外DOC隨著高錳酸鉀氧化時間的延長逐漸升高.高錳酸鉀濃度越高,升高的幅度越大.胞外有機物的初始DOC濃度為1.31mg/L,在2mg/L的高錳酸鉀氧化600min之后,胞外DOC升高到了1.61mg/L,而在10mg/L和20mg/L的高錳酸鉀氧化600min之后分別升高到3.38mg/L和4.23mg/L.胞外DOC的升高可能是較高濃度的高錳酸鉀引起藻細胞的破壞,從而釋放胞內物質到水中所造成.為了考察高錳酸鉀對細胞的破壞,同時檢測了胞內DOC的濃度,結果見圖2,不同濃度高錳酸鉀氧化之后會引起胞內DOC不同程度的下降,可見藻細胞生物量有所減少.2mg/L高錳酸鉀氧化600min之后胞內DOC從14.17mg/L降低到 13.12mg/L,而經過 20mg/L的高錳酸鉀氧化600min之后胞內DOC降低到幾乎為0,由于生物細胞,即藻細胞的構成基本都含有碳元素,而且基本以有機碳的形式存在,這說明高濃度的高錳酸鉀能夠徹底破壞藻細胞的結構和內含物.由此高錳酸鉀最優投加量為2mg/L.

2.2 高錳酸鉀氧化后銅綠微囊藻藻細胞及其活性的變化

圖3 不同濃度高錳酸鉀氧化之后培養實驗中光合量子產率Фe的變化Fig.3 Variation of Фein cultivated experiment after various dosages KMnO4 oxidation

光合量子產率Фe表示的是光合作用原初反應過程中,細胞色素所吸收的光能中被傳遞進入后繼反應的能量的比例,無量綱,該值越大表明細胞對光能的吸收能力越強,藻細胞活性越大,如圖3所示,健康藻細胞的光合量子產率Фe呈現逐漸上升的趨勢,在7d的培養過程中從0.45上升到0.52,說明細胞的光捕捉能力維持在一個較高的水平;經過2mg/L高錳酸鉀氧化之后的藻細胞的Фe相對于健康細胞降到了0.39,但隨后也逐漸上升到健康細胞的水平,說明較低濃度的高錳酸鉀對細胞種群的光捕捉能力有輕微影響;隨著高錳酸鉀濃度上升到 5mg/L, Фe先是下降到了 0.19,之后在3d時上升到了0.41,說明細胞在氧化脅迫下光捕捉能力受到影響;而受到更高濃度高錳酸鉀氧化的藻細胞則在反應完之后即Фe降到接近0的水平,在隨后的培養過程中沒有恢復.總之,經過高錳酸鉀氧化之后銅綠微囊藻的光合活性受到不同程度的影響,特別是在中、高濃度高錳酸鉀的氧化之下,細胞的光合活性幾乎降低到 0,此時細胞已經基本喪失光合能力,說明一定濃度的高錳酸鉀能徹底殺死藻細胞,但在短期內又不會令其細胞解體死亡.

圖4中健康細胞是未經任何處理的銅綠微囊藻細胞,可見細胞呈橢圓形,結構完整,細胞質密實,細胞內所含物質按一定的規律排列和分布.經過高錳酸鉀氧化以后變形,并出現褶皺,但細胞還維持著一定體形形狀,只是內部結構損壞,這也證明了高錳酸鉀對藻細胞的破壞作用比較緩慢與溫和.

圖4 健康和經過高錳酸鉀處理之后銅綠微囊藻細胞的透射電鏡圖片Fig.4 Transmission electron microscope of healthy and KMnO4 oxidized Microcystis aeruginosa cells

2.3 高錳酸鉀預氧化強化混凝對不同生長期藻的去除率

取實驗室培養的不同生長期(分別為接種后9d,21d,28d,36d)藻細胞,用0.5%的NaCl溶液配制成 OD680=0.1的藻懸液,考慮到水處理的生產實際,著重研究在藻液中加入2mg/L高錳酸鉀(以下同),預氧化2h后,加入不同濃度聚合氯化鋁(PAC)進行絮凝實驗.第9d的藻投加2mg/L高錳酸鉀預氧化后與單獨混凝實驗后的OD680和渾濁度去除率、DOC和Zeta電位隨PAC投加量變化曲線.

圖5 不同生長期OD680隨PAC投加量的變化Fig.5 Variation of OD680 with PAC dosages in different growth phases

圖6 不同生長期渾濁度隨PAC投加量的變化Fig.6 Varition of turbidity with PAC dosages in different growth phases

圖7 接種第9d各指標隨PAC投加量變化Fig.7 Variation of parameters with PAC dosages after inoculation 9d

由圖 7(a)可知,預氧化強化混凝效果較好,預氧化后,PAC投加量僅為20mg/L時,OD680和渾濁度去除率分別由未預氧化前的 40%,35.9%提高到 79%,78.4%,去除率均增加了 40%左右.由圖7(b)可知,預氧化后,DOC值均較未預氧化組高,其原因可能是氧化劑雖然將部分 DOC氧化,但同時刺激藻細胞分泌有機物質,胞外有機物(EOM)增大,使得DOC升高,這和Chen等[6]發現一致,因為高錳酸鉀氧化有機物的同時也破壞藻細胞,過量的高錳酸鉀使得藻胞內有機物釋放到水體中,所以 DOC濃度反而上升了.預氧化前后,Zeta電位變化不大.因此高錳酸鉀強化混凝可能主要是通過吸附架橋機制,由于在中性條件下,高錳酸鉀為弱氧化劑,其還原產物——水合MnO2[16]增加了混凝附著點,與破碎藻細胞及胞內有機物通過吸附架橋作用,使水中細小顆粒聚集結大,提高混凝效果.

2.3.2 接種第21d(穩定期) 圖8為處于接種第21d藻,投加2mg/L高錳酸鉀預氧化與未預氧化混凝實驗后OD680去除率和渾濁度去除率、DOC和Zeta電位隨PAC投加量變化曲線.

圖8 接種第21d各指標隨PAC投加量變化Fig.8 Variation of parameters with PAC dosages after inoculation 21d

從圖 8(a)可知,由于預氧化強化混凝的作用,使PAC投加量僅為10mg/L時,OD680和渾濁度去除率分別從 22%,24.3%提高到 76%,86.5%,去除率增加了約60%.由圖8(b)可知,預氧化前后,水中DOC、Zeta電位變化不大,可見高錳酸鉀對有機物的氧化作用和對藻細胞破壞釋放有機物的作用基本相當,新生MnO2增加了混凝附著點,提高了混凝劑的凝聚作用.

2.3.3 接種第28d(衰亡早期) 圖9為處于接種第28d藻,投加2mg/L高錳酸鉀預氧化與未預氧化,OD680去除率和渾濁度去除率、DOC和Zeta電位隨投加量變化曲線

圖9 接種第28d各指標隨PAC投加量變化Fig.9 Variation of parameters with PAC dosages after inoculation 28d

由圖9(a)可知:接種第28d,預氧化有一定的強化混凝效果,預氧化后,PAC投加量僅為 30mg/L時,OD680去除率、渾濁度去除率由之前的29.6%、30.3%提高到58.2%、79.2%.由圖9(b)可知,DOC、Zeta電位變化不大,然而藻液中DOC含量較第9d、第21d高,過高的DOC含量可能影響預氧化強化混凝的效果.符合余國忠等[13]的結論:EOM 應是抵抗氧化劑的第一道屏障, EOM 的多寡直接影響所需氧化劑量的大小,兩者之間似乎呈正相關關系. 2.3.4 接種第36d(衰亡后期) 圖10處于接種第36d藻,投加2mg/L高錳酸鉀預氧化與未預氧化,OD680去除率、渾濁度去除率、DOC、Zeta電位隨投加量變化曲線.

由圖10(a)可以發現:接種第36d藻,預氧化并沒有起到強化混凝效果,預氧化后,投加量增加到60mg/L時,OD680去除率、渾濁度去除率均不到70%,由圖10(b)可知,預氧化后,DOC雖有一定下降,但DOC仍然很高,過高濃度的EOM影響了氧化劑的效果,使得預氧化效果不明顯.

圖10 接種第36d各指標隨PAC投加量變化Fig.10 Variation of parameters with PAC dosages after inoculation 36d

2.4 高錳酸鉀的助凝作用機理

高錳酸鉀對于藻液有較強的助凝效果,濃度越高時助凝效果越強.高錳酸鉀除了前述的能改變藻細胞的沉降性能,有助于后續混凝工藝的進行外,其自身對于銅綠微囊藻細胞也有一定的絮凝效果.研究表明,EOM 對于銅綠微囊藻的混凝去除有促進作用.判斷在未投加混凝劑的藻懸濁液中高錳酸鉀對于細胞的凝聚效果是二氧化錳吸附以及EOM促進的共同作用.圖11為運用掃描電鏡觀察到的高錳酸鉀預氧化前后的藻細胞形態,可以發現藻細胞在受到高錳酸鉀氧化后會聚集在一起,藻細胞表面的細胞分泌物會形成一層包裹體附著在藻團外,導致氧化劑無法迅速作用至藻團內部細胞表面.高濃度下高錳酸鉀的強絮凝作用可能會導致氧化劑作用至藻細胞時間的延遲,從而導致高錳酸鉀暴露值臨界點的后移.

圖11 高錳酸鉀氧化藻細胞前后SEM圖Fig.11 SEM images of M. aeruginosa cells after permanganation

3 結論

3.1 最優高錳酸鉀投加量為2mg/L.不同藻生長階段高錳酸鉀強化混凝除藻效果順序為:第21d＞第9d＞第28d＞第36d.

3.2 第21d和第9d的藻,高錳酸鉀預氧化降低了藻細胞活性,有利于藻類沉降,起到強化混凝除藻作用;在培養后期,高錳酸鉀強化混凝的效果越來越弱.

3.3 不同培養階段的藻胞外有機物的濃度不同,當EOM濃度較低時(第9d、第21d),氧化劑易與藻細胞接觸,導致細胞受損,促進胞外有機物分泌.高錳酸鉀還原產物是水合 MnO2,會對混凝有促進作用,它既能吸附有機物質,同時還能附著在藻細胞表面,提高了藻細胞的沉降性.

3.4 高錳酸鉀氧化會對細胞膜和細胞壁產生破壞作用,導致其釋放胞內有機物到水中,引起胞外有機物濃度的升高.一定濃度的 EOM可以起到助凝的作用,EOM 的性質及其動態變化必然影響藻類的預氧化及混凝效果.

3.5 當EOM濃度過高時(第28d、第36d),會大量消耗氧化劑,顯著影響氧化劑氧化效率,使得預氧化效果不明顯.

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Pre-oxidation effects of potassium permanganate on activity of algal cells and the organics of intracellular and extracellular.

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Based on different characteristics of pure-cultured Microcystis aeruginosa in different growth phases, the effect of potassium permanganate pre-oxidation, on the DOC of intracellular and extracellular, removal efficiency and changes of cells were studied, and PAC was used as coagulant for subsequent coagulation. The results showed Low concentration potassium permanganate used in pre-oxidation phase can inhibit the algal photosynthesis, and high concentration used would inactivate the algal cells and release large quantities of intracellular organic matter. When potassium permanganate dosage is 2mg/L and PAC dosage is 30mg/L, in 9d、21d、28d、36d, the removal rates of algae are 81%、99%、58.2%、35.35% respectively. In different potassium permanganate dosages, algal samples reach the best removal efficiency in 21day which is the logarithmic stage, which may be related to the content and components of Extracellular Organic Matter (EOM) in different growth phase. In early senescence phase and late senescence phase, the concentration of EOM significantly increase, which affected oxidation of potassium permanganate and thus resulted in the decrease of coagulation effectiveness. Since the concentration of EOM was low in stationary phase and logarithmic phase, oxidant could contact with algae and promoted algae to secrete EOM. The proper amount of EOM can enhance the efficiency of algae removal. The reduction product of potassium permanganate is hydrated MnO2, which will promote coagulation and can be attached to the surface of algae to improve algal cell sedimentation.

microcystis aeruginosa；growth phase；potassium permanganate；pre-oxidation；coagulation

X524

A

1000-6923(2017)07-2708-07

張曉東(1993-),男,河南鶴壁人,碩士研究生,研究方向為水處理技術.

2016-12-24

國家水體污染控制與治理重大科技專項(2012ZX07403-001);上海市科委項目(0400236036)

* 責任作者, 副教授, qiaoqiao@tongji.edu.cn