活性炭、過氧化氫和次氯酸鈉去除擬柱孢藻毒素的比較研究

楊世敏,段雨琪,蔣永光

(1.中國地質大學 環境學院,武漢 430074;2.武漢大學 生命科學學院,武漢 430072)

擬柱孢藻毒素(Cylindrospermopsin,CYN)是最先在擬柱孢藻(Cylindrospermopsis)中分離出的一種藍藻毒素［1］,之后又在束絲藻、魚腥藻等水華藍藻中檢測出了該種毒素［2-7］.擬柱孢藻是近年來引起廣泛重視的一種有毒水華藍藻,主要分布在熱帶和亞熱帶地區.在我國廣東［8-9］、福建［10］、臺灣［11］、云南［12］等地的許多湖泊和水庫中常年存在擬柱孢藻水華,并呈現出向高緯度地區擴散的趨勢［13-14］.水體中的CYN能夠伴隨著水華的發生并積累到較高的質量濃度,甚至超過200 μg·L-1［15-18］.CYN是一種兩性離子生物堿,其化學結構由三環胍基、羥甲基尿嘧啶和各種修飾基團組成［6］.CYN具有較強的肝毒性,在體內暴露下會在肝臟富集,抑制肝細胞蛋白質合成并誘導肝細胞氧化性損傷［19］.20世紀70年代澳大利亞昆士蘭州發生一起兒童集體中毒事件,流行病學調查表明,飲用水中污染的CYN導致這些兒童的肝臟損傷,并誘發了急性腸炎［20］.此外,CYN還能誘發細胞染色體損傷,具有遺傳毒性和生殖毒性［21-22］.作為一種兩性離子,CYN具有較高的水溶性,容易造成飲用水污染,并嚴重威脅動物和人類健康.在飲用水預處理的過程中,需要建立可靠的CYN去除方法.

目前關于CYN去除的研究中,主要方法有TiO2配合紫外光對CYN進行光催化降解［23］,以及利用氯系消毒劑［24-25］或其他氧化劑［26］來氧化降解CYN.這些方法均有一定的效果,但是不同研究中所使用的毒素質量濃度從微克每升到毫克每升,反應時間從幾分鐘到幾十小時,缺少在同等條件下對不同方法的比較研究.在水處理過程中,針對特定的毒素質量濃度和處理時間的需求,操作者難以根據以往的研究成果制定性價比最優的處理方案.另外,某些方法使用的材料并不常用,推廣應用時較為困難.在水處理過程中,活性炭是常用的物理吸附材料,H2O2和NaClO是常用的氧化消毒劑.本研究旨在模擬擬柱孢藻水華發生時的高濃度CYN條件,系統比較活性炭、H2O2和NaClO對CYN的吸附去除或氧化降解效果,為充分利用現有的水處理工藝同步去除CYN提供科學參考.

1 材料與方法

1.1 擬柱孢藻的培養與毒素處理試驗

本研究使用的產毒藻株為拉氏擬柱孢藻C.raciborskiiCHAB3438,來自中國科學院水生生物研究所有害藻類學科組.用BG11液體培養基培養藻株,溫度為25 ℃,采用LED冷白光光源,光照強度為30 μmol·m-2·s-1,光/暗周期為12 h/12 h.通過測定藻液在750 nm處的吸光度監測藻細胞生長情況.取生長到平臺期的藻液,超聲破碎15 min,每破碎1 min,暫停1 min.將藻細胞破碎液在4 ℃的條件下高速離心,轉速為12 000 r/min,收集上清液,用0.22 μm孔徑的聚醚砜濾膜(Millipore)過濾去除顆粒物,濾液用于毒素測定和去除試驗.

取稀釋后的濾液600 mL裝入1 L錐形瓶,進行毒素處理試驗.活性炭購于恒興試劑,30%(m/v)過氧化氫和次氯酸鈉溶液(有效氯56.8 mg·mL-1)均購于國藥集團,以上試劑均為分析純.在活性炭處理組加入活性炭后使其終質量濃度分別達到1 g·L-1、5 g·L-1、10 g·L-1,在H2O2處理組加入H2O2后使其終質量濃度分別達到1 mg·L-1、5 mg·L-1、50 mg·L-1,在NaClO處理組加入NaClO后使其終質量濃度分別達到1 mg·L-1、2 mg·L-1、3 mg·L-1,其中次氯酸鈉的濃度根據有效氯進行換算.加入不同試劑后,攪拌混合10 min,室溫避光放置.分別于24 h和48 h后取100 mL溶液樣品,用0.22 μm濾膜過濾后取濾液用于測定毒素.設置不添加處理劑的毒素溶液作為空白對照組.活性炭為固體顆粒,不影響溶液體積,加入H2O2和NaClO后溶液總體積的變化小于1‰,對毒素初始質量濃度無明顯影響.

1.2 CYN的富集與檢測

采用固相萃取法(Solid Phase Extraction,SPE)對水溶液中的毒素進行富集［16］.SPE柱的吸附材料為石墨化炭黑(6.0 mL,250 mg),購買自上海安譜.在SPE柱中加入10 mL含體積分數5%甲酸的洗脫液(V二氯甲烷∶V甲醇=1∶4,)對填充材料進行活化,待液體流出后,加入10 mL的純水進行洗滌.取100 mL樣品溶液,加入終體積分數1%的甲酸和0.1%(m/v)的氯化鈉,混合均勻后分批注入SPE柱,使其自由流出.當樣品溶液全部流完后,加入10 mL純水洗滌,向SPE柱中鼓入空氣排出殘余水分.加入10 mL洗脫液回收毒素,在50 ℃水浴條件下,用旋轉蒸發儀蒸發濃縮毒素洗脫液,干燥后加入1 mL的純水溶解毒素,再用10 KDa的超濾管(Millipore)過濾除去大分子物質,所得濾液稀釋5倍后用于HPLC檢測.CYN標準品從加拿大國家研究理事會購買,加樣回收率平均值為97.5%.

使用島津LC-2010AHT型高效液相色譜儀(HPLC)聯合光電二極管陣列檢測器進行毒素的檢測分析.色譜柱選用Phenomenex Synergi Polar-RP,尺寸為250 mm×4.60 mm,粒徑為4 μm.參照Welker等的方法［27］,配制流動相A［體積分數0.05%的TFA水溶液］和流動相B［體積分數50%甲醇水溶液,含體積分數0.05%的TFA］.洗脫條件為:流動相B的初始比例為30%,從0～10 min逐漸增加到100%,恒定比例維持10 min.進樣體積為20 μL,柱溫為30 ℃,全波長掃描檢測,吸收峰為261 nm,在該波長處進行定量分析.CYN標準品保留時間為8.1 min.

1.3 數據分析方法

使用SPSS 21.0對不同處理組的CYN濃度進行獨立樣本t檢驗,當p<0.05時認為組間差異具有顯著性,使用Graphpad prism 5.0繪制數據圖.

2 結果與討論

2.1 藻株生長曲線和CYN含量

根據藻株C.raciborskiiCHAB3438的生長曲線(圖1)可以看出,細胞生長到第13 d時開始進入平臺期.在該時間點收集藻培養液,裂解離心后,檢測上清液中的CYN含量.圖2展示了CYN標準品(圖2a)和樣品(圖2c)的液相色譜峰圖,可以看出樣品中有一個物質峰與CYN標準品保留時間(RT=8.068 min)相同,且其吸收光譜的結構和吸收峰(圖2d)也與CYN標準品(圖2b)一致,與文獻中報道的該藻株的CYN檢測結果對照后［16］,確定樣品中該物質為CYN.根據標準品質量濃度計算出樣品溶液中的CYN含量為(754.9±30.0) μg·L-1,該結果表明有毒擬柱孢藻具有很強的產毒能力,水華發生時可能造成嚴重的水體污染.

2.2 CYN處理效果

試驗開始時,將上述毒素溶液適當稀釋,得到CYN初始質量濃度為(217.4±15.0) μg·L-1的樣品溶液,用于毒素處理試驗.如圖3所示,空白對照組24 h時的CYN含量為(193.7±3.0) μg·L-1,與初始質量濃度無顯著性差異(p>0.05);48 h后的CYN含量為(155.2±21.5) μg·L-1,與初始質量濃度和24 h時的含量有顯著性差異(p<0.05),說明CYN存在自然降解,本研究中48 h的自然降解率約為28.6%.文獻中報道的自然降解速率較低,在酸性和堿性條件下維持數周的降解率僅為25%［28］.因此,當水體中CYN質量濃度較高時,依靠自然降解很難在短時間內消除毒素污染,需要采取一定的技術手段將其去除.

2.2.1活性炭處理組

如圖3所示,活性炭去除CYN的效率與添加量和處理時間有關,添加1 g·L-1活性炭(m/v)處理24 h后殘余CYN的質量濃度為(179.8±31.6) μg·L-1,與空白對照組無顯著性差異.添加5 g·L-1和10 g·L-1活性炭處理24 h后的殘余CYN質量濃度分別為(55.3±18.9) μg·L-1和(24.1±8.4) μg·L-1,具有顯著差異(p<0.05),且均顯著低于空白對照組(p<0.05).處理48 h后,1 g·L-1、5 g·L-1、10 g·L-1活性炭處理組的殘余CYN質量濃度依次顯著降低(p<0.05),分別為(64.2±1.7) μg·L-1、(31.6±3.5) μg·L-1、(12.7±1.2) μg·L-1,均顯著低于空白對照組(p<0.05).此外,處理時間從24 h延長到48 h后,各質量濃度活性炭均能進一步顯著降低CYN質量濃度(p<0.05).由于空白對照組從24 h到48 h自然降解了38.5 μg·L-1的毒素,各活性炭組在48 h的去除效果可能也受到了自然降解的影響,但自然降解的程度無法確定.通過比較處理組CYN質量濃度在兩個時間點的差異可以推測隨著毒素濃度降低,自然降解的毒素量也會降低,下文中H2O2和NaClO兩個實驗組的結果也可以印證這一推測.總體而言,以上結果說明活性炭添加量越大、處理時間越長,去除效果越好.

從圖3可以看出,1 g·L-1的活性炭組在前24 h吸附較慢,后24 h吸附較快,而兩個高濃度活性炭組的吸附過程則是先快后慢.通常,吸附過程與吸附劑和溶質的濃度和比例,以及吸附劑的結構特征有關.由于活性炭具有疏松多孔結構,其表面位點先與被吸附溶質快速結合,孔隙內的活性位點則以相對較慢的速度與擴散進入孔隙的溶質結合［29］.在本實驗中,5 g·L-1和10 g·L-1的活性炭提供了較多的易于結合的表面位點,因而前期吸附較快,CYN質量濃度迅速降低,同時后期吸附也變慢.在1 g·L-1的活性炭組中,表面位點較少,前期吸附不明顯,CYN維持在較高質量濃度.推測后期CYN向孔隙內的擴散和吸附量增加,同時疊加了自然降解作用,因而呈現了比前期較為顯著的吸附.

2.2.2H2O2處理組

圖4顯示了添加1 mg·L-1、5 mg·L-1、50 mg·L-1H2O2處理24 h后,殘余CYN濃度約為(97.7±22.8) μg·L-1～(121.6±11.9) μg·L-1,各質量濃度之間沒有顯著差異,但均顯著低于空白對照組(p<0.05).在48 h后,各濃度H2O2處理組殘余CYN質量濃度也沒有顯著差異,約為(81.1±7.8) μg·L-1～(97.7±22.8) μg·L-1,均顯著低于空白對照組(p<0.05).對比48 h和24 h的處理結果,僅1 mg·L-1和5 mg·L-1的H2O2在延長處理時間后進一步降低了CYN的質量濃度,但減少的比例不高,而且可能是自然降解所導致的.用50 mg·L-1H2O2處理不同時間后殘余的CYN質量濃度差異不顯著.這些結果說明H2O2氧化反應發生較快,在24 h內就已經基本反應完全,而且1 mg·L-1的質量濃度已經達到H2O2反應的上限,增加其質量濃度不能有效增強處理效果.黎雷等［30］利用過氧化氫處理微囊藻毒素,發現其動態過程符合改進的一級動力學反應模型,初始階段反應較快,與本研究的結果具有一致性.

2.2.3NaClO處理組

從圖5中可以看出,處理24 h和48 h后,各濃度NaClO處理組的殘余CYN質量濃度均與空白對照組有顯著性差異(p<0.05).其中, 1 mg·L-1、2 mg·L-1、3 mg·L-1的NaClO處理24 h后殘余的CYN質量濃度依次顯著降低(p<0.05),處理48 h后殘余的CYN質量濃度分別為(89.8±13.1) μg·L-1、(109.1±20.9) μg·L-1、(67.7±13.7) μg·L-1,與24 h的結果沒有顯著性差異,3 mg·L-1的NaClO處理組殘余的CYN質量濃度仍然顯著低于1 mg·L-1和2 mg·L-1的NaClO處理組(p<0.05).這些結果說明NaClO 氧化反應較快,在24 h內就已經完成,且高質量濃度時處理效果最好.

圖6比較了10 g·L-1活性炭、1 mg·L-1H2O2和3 mg·L-1NaClO去除CYN的效率.活性炭在24 h和48 h的去除效率分別達到88.9%和94.1%,顯著高于H2O2和NaClO(p<0.05).在24 h時,H2O2的去除效率顯著低于NaClO(p<0.05),但延長處理時間到48 h后,二者處理效率分別為60.2%和68.8%,無顯著差異.反應體系的pH會影響氯系消毒劑和H2O2對藍藻毒素的氧化降解效果,pH大于8時,毒素去除率降低［28,31-32］.本試驗中的反應液pH值均小于8,可以排除pH對去除效率的影響.

2.3 不同方法處理CYN的比較

表1展示了本研究和文獻中報道的不同處理方法對CYN的去除效率.

表1 不同方法去除CYN的效率

目前利用TiO2及其衍生材料對CYN等藻類毒素進行光催化降解的研究較多［23,36-44］,這類方法可以在較短的時間內降解高達10 mg·L-1的CYN.次溴酸鉍與TiO2類似,也可以在光催化下氧化降解CYN［45］.但是,TiO2等催化劑的價格較高,在大規模水處理時成本高昂,一定程度上限制了其推廣應用.活性炭作為一種廉價且綠色環保的吸附材料,在處理中等質量濃度毒素時,適當延長時間,可以達到與TiO2等催化劑相近的去除效率.NaClO是最常用的含氯消毒劑,具有較強的氧化性,SENOGLES等［24］在處理較低質量濃度CYN時,使用了質量濃度高于本研究的NaClO,取得了較高的去除效率并縮短了處理時間,與本研究的結果具有一致性.另外,二氧化氯(ClO2)是一種新型氯系消毒劑,用于低質量濃度CYN處理時也能得到較高的去除效率［35］.由于ClO2在常溫常壓下為氣態,使用時需要專用裝置,不如NaClO更為便捷.本研究使用低質量濃度H2O2處理CYN的去除效率略低,但使用較高濃度H2O2,并輔以紫外線激活或磁鐵礦催化,可以高效的氧化降解高質量濃度CYN［33-34］.由于H2O2的反應產物為水,不會產生二次污染物,相比于含氯消毒劑具有顯著優勢.

在實際水處理過程中,應秉持經濟可行和環境友好的原則,根據處理時限的要求,對每一種特定的水源選擇適當的毒素處理方式［46］.通過對降解劑種類、降解時間、投加量和pH條件等關鍵操作參數進行優化,提高CYN的去除效率并盡量減少毒性副產物的生成.此外,當NaClO和H2O2處理CYN的效果不理想時,可以與活性炭聯合使用,以達到最大的去除效率.

3 結 論

本研究針對CYN引起的水污染問題和應急處置的需要,根據水處理工藝的實際情況,比較了活性炭、H2O2和NaClO對CYN的處理效果.對于較高質量濃度(217.4 μg·L-1)的CYN,10 g·L-1活性炭處理24 h的吸附去除效率為88.9%,可以去除大部分的CYN.處理時間為48 h時,10 g·L-1活性炭、1 mg·L-1H2O2、3 mg·L-1NaClO去除CYN的效率分別為94.1%,60.2%、68.8%.總體上,提高處理劑的質量濃度和延長處理時間可以獲得更高的CYN去除效率,在試驗條件下,活性炭對CYN的吸附效率高于H2O2和NaClO對CYN的氧化降解效率,但H2O2和NaClO用量更少,成本較低.