藍藻污染控制及藻毒素的去除

1、 學(xué)號：15103103常 州 大 學(xué)課程小論文 題 目 藍藻污染控制及藻毒素的去除 學(xué) 生 潘國浩 學(xué) 院 環(huán)境與安全工程學(xué)院 專業(yè)班級 環(huán)科（研）15 指導(dǎo)教師 趙遠 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 研究員 二一五年十二月藍藻污染控制及藻毒素的去除潘國浩（常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）摘要：近年來，隨著工業(yè)化進程的加快，人們在日常生活以及物質(zhì)資料生產(chǎn)過程中，不斷向水體中排放大量的氮、磷污染物，使水體富營養(yǎng)化程度加劇，“水華”等事件頻頻發(fā)生，嚴重破壞了水體的生態(tài)平衡，對人類的飲用水安全及身體健康構(gòu)成嚴重威脅，特別是藍藻引發(fā)的藻毒素中毒事件更是令人心憂。本文首先對藍藻及藻毒素進行簡要概

2、述，然后對藍藻的控制方法以及藻毒素的去除等進行主要分析，希望能夠為科學(xué)預(yù)測河流、湖泊等水體藍藻爆發(fā)以及采取應(yīng)對措施減少其影響而提供有效依據(jù)。關(guān)鍵詞：藍藻；控制方法；藻毒素；去除Abstract: In recent years, with the accelerated process of industrialization, People continue to discharge a large amount of nitrogen and phosphorus to the water In daily life and material production process, whi

3、ch leads to the increasing of eutrophication of water body, and "Water bloom" and other events occurred frequently. whats worse, Seriously damaged the ecological balance of the water body, threated the safety and health of human drinking water. Especially, the incident of algal toxin poiso

4、ning is a concern. In this paper, we first make a brief overview of cyanobacteria and algae toxins, then the control methods of cyanobacteria and the removal of algae toxins were analyzed. It is hoped that it can provide the effective basises for the scientific prediction of cyanobacteria outbreak i

5、n rivers, lakes and other water bodies and to reduce its influence.Key words: Cyanobacteria; control methods; algal toxin; removing目前，水體富營養(yǎng)化已是全世界所面臨的最主要的水污染問題之一1，而藍藻爆發(fā)所引起的水華現(xiàn)象則是其最直接的外在表現(xiàn)2。隨著城市化和工業(yè)化進程的加快，人們在日常生產(chǎn)、生活中向水體中排放了大量的氮、磷污染物，這就導(dǎo)致了水中營養(yǎng)物質(zhì)不斷增多，使得一些營養(yǎng)型物質(zhì)生長旺盛，特別是藍藻、紅藻的數(shù)量爆發(fā)性生長，其他藻類則逐漸減少，藻類及一些浮游生物死亡后

6、，被水體中的耗氧微生物不斷分解，大量消耗了水體中的溶解氧，魚蝦類生水生生物因缺少氧氣而不斷出現(xiàn)死亡，其殘體在腐爛過程，不但污染水質(zhì)，同時又將其自身的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)釋放到水體中，供新一代的藻類生長所需，就這樣處于不斷的惡性循環(huán)中，致使藍藻爆發(fā)而引發(fā)水華現(xiàn)象3。藍藻水華爆發(fā)所導(dǎo)致的生活飲用水污染事件時常發(fā)生，如太湖、滇池等藍藻爆發(fā)事件。不僅影響人們的日常生活，同時對旅游業(yè)、人文景觀以及水產(chǎn)養(yǎng)殖等都造成嚴重影響。其主要危害有：對水產(chǎn)養(yǎng)殖的危害：藍藻爆發(fā)性生長，覆蓋水體表面，影響水體正常的溶解氧交換，致使魚蝦類大量死亡4。對生態(tài)多樣性的危害：侵占其他藻類物種的生存空間，致使物種多樣性驟減。對人文景觀的

7、危害：水華藍藻覆蓋水體表面，厚厚一層還發(fā)出臭味，嚴重影響水域景觀5。對人及牲畜動物的危害：藍藻種向水體中分泌藻毒素，被人或牲畜動物飲用而致使中毒，甚至危及生命6。因此尋求高效的藍藻及藻毒素的去除方法是當(dāng)前迫切需要解決的問題。本文首先概述了藍藻及藻毒素的特征種類，詳細綜述了當(dāng)前國內(nèi)外藍藻的控制方法和藻毒素的去除方法，并對未來的研究方向進行展望，以期為以后的研究提供有效依據(jù)。1 藍藻及其毒素分類1.1 藍藻的概述 藍藻，我們又稱為藍細菌，是地球上現(xiàn)存最古老的植物類群。其廣泛分布，極易生存，大部分作為優(yōu)勢種而存在7。作為一種單細胞生物，其內(nèi)有顆粒狀或網(wǎng)狀的核物質(zhì)，細胞質(zhì)中染色體和色素均勻分布。沒有核

8、膜和核仁，但有核的功能，因此其又屬于原核生物。藍藻的繁殖方式一般分為兩類：一種是無性繁殖，如某些藍藻可以產(chǎn)生內(nèi)生孢子或外生孢子等；另一種是營養(yǎng)繁殖，如絲狀體產(chǎn)生藻殖段，細胞直接分裂和群體分裂等8。藍藻的繁殖方式也就注定其只要有足夠營養(yǎng)就能夠無限繁殖。 目前已知的藍藻有2000多種，而國內(nèi)有記錄的約有900種，而能夠作為優(yōu)勢菌種形成水華的主要有束絲藻 ( Aphanizomenon) 、節(jié)球藻 ( Nodularia)、膠刺藻 ( Gloeotrichia) 、微囊藻 ( Microcystis) 、魚腥藻(Anabaena) 、腔球藻 ( Coelosphaerium) 及念珠藻 ( Nost

9、oc)等9。其中，能夠參生毒素的藻類有微囊藻屬、魚腥藻屬、顫藻屬及念珠藻屬等10。1.2 藻毒素的分類 藍藻毒素是藍藻細胞內(nèi)分泌的毒素，當(dāng)細胞壁發(fā)生破裂而分泌到水體中，所以屬于藍藻代謝過程中的次生代謝產(chǎn)物11。按其作用的靶器官的不同，主要可分為肝毒素、神經(jīng)毒素和接觸、腸胃刺激性毒素12。 1.2.1 肝毒素 在藍藻毒素中毒事件中，肝毒素中毒是報道最多的一種。主要包括微囊藻毒素、節(jié)球藻毒素和筒胞藻毒素等，這些毒素可由銅綠微囊藻、水華魚腥藻、泡沫節(jié)球藻及念珠藻等產(chǎn)生10。目前，研究最多的是微囊藻毒素，已發(fā)現(xiàn)70余種異構(gòu)體，主要為環(huán)狀七肽結(jié)構(gòu)13。其致毒機理為：微囊藻毒素與肝細胞中蛋白磷酸酶相結(jié)合，

10、抑制了酶的活性，使其酸化程度增高，導(dǎo)致哺乳動物的肝細胞呈絲狀分裂，從而破裂和出血。主要病癥表現(xiàn)為肝腫大、失血休克死亡等14。節(jié)球藻毒素分泌于節(jié)球藻，有6種異構(gòu)體，主要為環(huán)狀五肽結(jié)構(gòu)。筒胞藻毒素能夠抑制蛋白質(zhì)的合成，從而導(dǎo)致肝臟大量累積脂肪或肝細胞致死，主要表現(xiàn)病癥為脂肪肝和肝死亡等15。 1.2.2 神經(jīng)毒素有些毒素如類毒素_a、擬類毒素_a和貝類毒素等可以直接作用神經(jīng)系統(tǒng)，這些毒素可由魚腥藻、束絲藻和稍絲藻等產(chǎn)生。類毒素_a能夠與乙酰膽堿受體結(jié)合，使離子通道過度打開，其主要病癥表現(xiàn)為痙攣和呼吸系統(tǒng)衰竭而窒息死亡等。擬類毒素_a是一種單磷酸酯，其致病機理與類毒素_a相似，也可致使肌肉痙攣，但其

11、毒性更強，是類毒素_a毒性10倍左右。貝類毒素研究的比較多，目前已發(fā)現(xiàn)20余種，是一種氨基甲酸鹽，其致病機理為它可以阻斷鈉離子，從而導(dǎo)致生命體呼吸系統(tǒng)衰竭，窒息而死16。 1.2.3 接觸、腸胃刺激性毒素 接觸性毒素也可以叫皮疹毒素或直接叫皮膚毒素，主要由稍絲藻、裂須藻和顫藻等產(chǎn)生。顧名思義就是當(dāng)人體皮膚與溶于水體中的該種毒素相接觸，從而導(dǎo)致皮膚過敏或感染，伴有皮疹等炎癥發(fā)生，同時其還是一種促腫瘤劑。不過，目前其主要存在于海洋藍藻中，在淡水水體中尚未有發(fā)現(xiàn)的報導(dǎo)9。腸胃刺激性毒素主要是以脂多糖內(nèi)毒素為主，其為藍藻細胞壁的組成成分，伴隨藍藻解體分散到水體中，被人、牲畜及家禽等口腔攝入，其病癥表現(xiàn)

12、為嘔吐、腹瀉和發(fā)燒等。2. 藍藻污染的控制方法隨著人們對藍藻的了解不斷深入，國內(nèi)外對藍藻的控制方法也是層出不窮，各種處理手段的運用，使藍藻的控制處理已得到很大解決。其大體可以分為三類：物理法、化學(xué)法及生物法。 2.1 物理法通過對國內(nèi)外的物理除藻技術(shù)進行對比分析，其方法主要有人工和機械打撈除藻、微濾除藻、氣浮除藻及超聲波除藻。人工和機械打撈除藻最為直接，主要手段為對于污染嚴重、藍藻爆發(fā)生長茂密的河段，根據(jù)風(fēng)向、水流方向，分河段使用圍欄進行截留，最好使用活動型圍欄，在人工和機械的作用下，使藍藻堆積在某一規(guī)定區(qū)域，然后進行打撈，生產(chǎn)成有機肥得到綜合利用17。該種方法短期內(nèi)快速有效，但往往要耗費大量

13、人力物力，且藍藻復(fù)發(fā)快。微濾除藻是使用微濾機（網(wǎng)眼孔徑在10m-45m）直接濾去水體中大于或等于其孔徑大小的藻類18。此法操作工藝簡單，運行維護成本低，但對濁度、色度、有機物等去除效果不佳。氣浮除藻是指將經(jīng)過溶氣的水導(dǎo)向溶氣釋放器，使其突然降壓，溶于水中的氣體分散成大量的細小微氣泡，粘附水體中的藻類從而與其相結(jié)合浮至水面后出去。此法除藻效率高，可達94%，同時對原水中的色度、濁度、氣味等都有很好的去除效果，但對除去的藻類殘渣目前還沒有很好的處理途經(jīng)19。超聲波除藻是通過向藍藻污染的水體中發(fā)射16KHz以上的超聲波，利用其空化效應(yīng)，使藻類細胞壁破裂，破壞其胞內(nèi)結(jié)構(gòu)，使其死亡20。此法具有清潔、高

14、效、反應(yīng)條件溫和、速度快等優(yōu)點，但因藍藻細胞壁破裂，從而使其胞內(nèi)溶解性毒素會釋放到水體中，致藻毒素污染。2.2 化學(xué)法 化學(xué)法控藻技術(shù)主要包括化學(xué)藥劑法、壓力強化混凝法等?；瘜W(xué)藥劑法一般是利用除藻劑、殺藻劑以及金屬鹽等，通過其氧化作用直接破壞藻類細胞，使其死亡，或通過金屬鹽抑制藻類的正常代謝及金屬離子的絮凝作用達到控制藍藻繁殖和除藻的效果17。此法除藻方法簡單、省時省力、除藻效率高，但容易對水域環(huán)境造成二次污染，影響水質(zhì)及水生生物的生長發(fā)育。壓力強化混凝控藻是通過外部加壓，使藍藻氣囊破裂，藍藻顆?？焖傧鲁?，再進行混凝沉淀以達到除藻效果。此法除藻效率高，可達99.5%，但外部加壓容易造成藍藻細胞

15、的破裂，從而使溶解性藻毒素釋放到水體中21-22。2.3 生物法生物法是指合理調(diào)整水生生物鏈，利用營養(yǎng)與捕食關(guān)系以及生物之間的相互作用而達到除藻效果，其主要包括魚類控藻法、微生物控藻等。魚類控藻法是指向藍藻污染水體中投放肉食性魚類，調(diào)節(jié)浮游動物的種群結(jié)構(gòu)，使其數(shù)量大增，通過它們對藻類的攝食，從而達到除藻效果23。這種方法對環(huán)境影響小，除藻效果好，但是穩(wěn)定性差，對群體性藍藻去除效果不佳。微生物控藻是指利用一些微生物如中性檸檬酸菌、光合細菌、消化細菌等，在代謝過程中會釋放毒藻素直接殺死藻類，或通過微生物激發(fā)水體中食藻動物的繁殖發(fā)育，大量攝食藻類以達到抑制藻類爆發(fā)的作用。此類方法清潔、高效，對環(huán)境影

16、響小，但目前還處于實驗室階段，許多機理及中間產(chǎn)物等研究尚不透徹，且見效周期長24。以上的這些控藻方法，雖然能夠?qū)λ{藻的生長、繁殖、發(fā)育等達到抑制作用，在一定程度上有效的控制了藍藻水華的爆發(fā)，但是并不能從根本上消除藍藻爆發(fā)后所帶來的影響，其中藍藻去除后遺留在水體中的藻毒素一直是目前亟待解決的問題。3. 藻毒素的去除方法藻毒素我們通常稱為溶解性藻毒素，其去除方法也大體可分為三類，即物理法、化學(xué)法、生物法。3.1 物理方法藻毒素的物理去除方法主要包括活性炭吸附法、膜濾法等?；钚蕴课绞悄壳把芯孔疃嗟囊环N物理去除微囊藻毒素的方法。常用于吸附藻毒素的活性炭吸附材料主要有顆?；钚蕴浚℅AC）、粉末活性炭（

17、PAC）以及纖維活性炭（ACF），其中吸附效果最好的是纖維活性炭（ACF），也是目前發(fā)展起來的新型碳材料。其吸附機理為在活性炭纖維經(jīng)中90%以上為微孔，這就它提供了比顆?；钚蕴亢头勰┗钚蕴扛蟮谋缺砻娣e和更強的吸附能力，使它在吸附微囊藻毒素的同時也吸附水體中的微生物，被吸附的微生物能夠在一定程度上分解藻毒素而使其被去除25。此法的優(yōu)點是吸附容量大、吸附解吸速度快，但其生產(chǎn)過程較復(fù)雜，價格較高，不適合大規(guī)模使用。膜濾法去除藻毒素主要有微濾、超濾、反滲透以及納濾這四種技術(shù)，顧名思義就是在外加壓力的情況下，使污染水體通過這些濾膜而被截留從而達到去除藻毒素的效果。微濾和超濾其膜的孔隙（0.01-1m）

18、稍大，所以對藻細胞能夠很好的截留過濾，但是相對于分子粒徑更小的藻毒素去除效果欠佳，去除率最高才達42%26；而反滲透膜和納濾膜，其孔隙（1-10nm）更小，對藻毒素的去除率可以達到96%-99.9%。此法去除藻毒素效果好，但膜的造價昂貴，技術(shù)要求高，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。3.2 化學(xué)方法 化學(xué)方法去除藻毒素一般是通過投加藥劑或其他化學(xué)反應(yīng)來直接作用藻毒素，將其轉(zhuǎn)化為無毒或毒性更小的物質(zhì)的過程，主要有化學(xué)藥劑氧化法、光降解和光催化法、電化學(xué)降解法。目前比較常用的化學(xué)藥劑氧化法主要包括氯化氧化法、高錳酸鉀氧化法、臭氧氧化法以及Fenton試劑氧化法。前兩種方法是現(xiàn)在自來水廠、污水處理廠中比較常用的凈水工

19、藝，在處理污水中雜質(zhì)的同時對藻毒類物質(zhì)也有很好的氧化降解作用，但其副作用也比較明顯，如通過氯降解過藻毒素的水含有很大的氯味，甚至在這過程中還會產(chǎn)生具有三致作用的副產(chǎn)物27。后種方法是屬于高級氧化技術(shù)，去除藻毒素的效果好，可達99%28，且其反應(yīng)的中間產(chǎn)物對環(huán)境影響小，在去除藻毒素的過程中，還能夠去除異味，達到消毒效果，具有很好的應(yīng)用前景。光降解與光催化氧化法兩者有點類似，都要有光的照射。光降解是指有機物在紫外線的照射下，通過自由基的作用將其轉(zhuǎn)化為小分子中間產(chǎn)物，從而轉(zhuǎn)變?yōu)榈投净驘o毒性的降解產(chǎn)物的過程。微囊藻毒素等藻類毒素的降解就是通過這一原理，將其側(cè)鏈的Adda基團破壞已達到脫毒效果29。由于

20、光降解總是受到光的強度的制約，去除效率不是太高，同時其降解周期較長，見效時間短，通過不斷的改進以及新型材料的出現(xiàn)，已形成了種去毒效果更好的光催化氧化除藻法。TiO2是目前應(yīng)用比較多的高效的光催化氧化材料，當(dāng)有紫外線照射時，就會在TiO2表面發(fā)生一系列的電子反應(yīng)，產(chǎn)生氧化能力超強的羥基自由基，這些自由基直接攻擊藻毒素，破壞其Adda基團的共軛雙鍵，從而使其毒性降低或消失30。光催化氧化法高效、快速、清潔、最終產(chǎn)物低毒或無毒性，是目前研究比較熱的課題，但其沒有紫外線照射，反應(yīng)就會終止還是我們的首要難題。電化學(xué)降解藻毒素分為兩種：一是將藻毒素直接在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)的直接降解；二是先通過電解水體

21、中的物質(zhì)，使其發(fā)生電子反應(yīng)，生產(chǎn)自由基再破壞藻毒素中Adda基團的共軛雙鍵來降低毒性的間接降解。此類方法高效、快速，去除率最高可達98%，具有非常好的應(yīng)用前景31。3.3 生物方法 生物降解法主要是利用微生物對藻毒素進行降解，這也是藻毒素的最終轉(zhuǎn)化的主要途經(jīng)，主要是通過培養(yǎng)特定的微生物群，這些微生物菌種能夠破壞藻類毒素如藍藻肝毒素的Adda基團的共軛雙鍵，使其環(huán)肽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為線性結(jié)構(gòu)，進一步降解為短肽，從而到達降低毒性的效果32。現(xiàn)在生物降解工藝中又發(fā)展了一種新的去除藻毒方法，即生物膜法，也是現(xiàn)在一些凈水工藝中逐漸應(yīng)用廣泛的方法。其主要是指水體或底泥中的一些微生物在特定條件下，分泌粘性物質(zhì)將各種

22、菌種群，粘黏起來形成菌膠團，逐漸形成一塊由微生物組成的生物膜，當(dāng)含藻毒素的水體通過時，在這些微生物膠團的作用下進行降解29。生物降解藻毒素簡單、安全、成本低、環(huán)境影響小，但也有其局限性，微生物生長環(huán)境苛刻，耗時長。4. 討論與展望4.1 討論通過對以上的這些控藻方法以及藻毒素去除方法的比較發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的這些除藻、控藻技術(shù)還有很多局限性以及弊端。首先拿藍藻的控制方法來說，人工或機械打撈在藍藻爆發(fā)期雖然可以在一定程度上減少藍藻蔓延，但是對于一些大的水域，這就顯得捉襟見肘，而且費時費力；微濾、氣浮這兩種方法還只適合處理小河段水域，大規(guī)模使用還不大現(xiàn)實；超聲波除藻是非?？旖?、有效的，可以在藍藻水華爆發(fā)初

23、期及時殺死藻細胞，抑制其爆發(fā)性生長，但是藻細胞的破裂，大量藻毒素分散于水體，易造成二次毒素污染；化學(xué)控藻方法都會導(dǎo)致藻細胞破裂，毒素流出，造成二次污染；綜上比較，其生物控藻法就比較清潔，操作簡單，除藻效果也比較好，但見效周期長，系統(tǒng)不穩(wěn)定也是其局限性。對于藻毒素去除方面，就單一技術(shù)而言，化學(xué)氧化法、生物處理技術(shù)、膜濾法等，這些都是現(xiàn)在比較新興的水處理工藝，高效率、污染小，使其成為現(xiàn)在廣泛關(guān)注的焦點，但是這些大多還屬于實驗室階段，關(guān)于如何解決其反應(yīng)過程中的能耗問題以及如何大規(guī)模使用，目前還沒有定論。4.2 展望 希望今后在藍藻污染控制以及藻毒素去除的研究方面，能夠關(guān)注以下幾點： 重點研究如何改進

24、單個獨立處理工藝，發(fā)揮每一種工藝的優(yōu)勢，減少其處理工藝的局限性，為后續(xù)處理帶來方便。 不管是藍藻控制還是藻毒素去除，這都是一個連續(xù)的過程，如何將多種工藝進行組合，爭取效益最大化，是未來研究的重中之重。 藻毒素去除技術(shù)中，TiO2光催化氧化技術(shù)是比較高效、清潔的，但TiO2的負載一直是一個難題，希望今后重點研究TiO2負載技術(shù)，以方便對TiO2粉體的回收。同時如何提高太陽能的利用率也是我們未來研究的重點方向。 以上這些處理技術(shù)如膜濾法、生物膜法、電化學(xué)降解法等，還都屬于實驗階段，如何運用到實際應(yīng)用中，也是我們亟待解決的問題。 最后，希望政府部門能夠加大監(jiān)管力度，提高法律壁壘，健全工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活

25、污廢水的凈化處理設(shè)施，面對藍藻水華爆發(fā)、藻毒素中毒等突發(fā)事件，能夠制定及時有效的應(yīng)對措施。參考文獻1 孫曉陽.淺談水體富營養(yǎng)化J. 資源節(jié)約與環(huán)保,2015,05:154.2 龔心語,范榮桂,向倫宏. 藍藻的防治、去除及應(yīng)用的研究進展J. 廣州化工,2015,17:35-37+105.3 樊樹紅. 水體富營養(yǎng)化的探究J. 黑龍江科技信息,2010,28:8.4 龔心語,范榮桂,向倫宏. 藍藻的防治、去除及應(yīng)用的研究進展J. 廣州化工,2015,17:35-37+105.5 李保全,陳雪. 藍藻水華的危害及生物除藻方法簡述J. 南方農(nóng)業(yè),2015,06:187+189.6 鄧美英. 藍藻的危害及

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