γ-射线辐照对太湖原水中越冬蓝藻复苏的抑制

郑宾国,张继彪,罗兴章,郑 正*,刘 群,郭飞宏(.南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 2009；2.郑州航空工业管理学院资源与环境研究所,河南 郑州 45005；.复旦大学环境科学与工程系,上海 2004)

γ-射线辐照对太湖原水中越冬蓝藻复苏的抑制

郑宾国1,2,张继彪3,罗兴章3,郑 正3*,刘 群1,郭飞宏1(1.南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 210093；2.郑州航空工业管理学院资源与环境研究所,河南 郑州 450015；3.复旦大学环境科学与工程系,上海 200433)

采用60Co衰变产生的γ-射线辐照太湖原水,研究其对水中越冬蓝藻复苏的抑制,分析不同吸收剂量和添加物(甲醇、碳酸钠)对抑制效果的影响.结果表明,γ-射线辐照能有效抑制太湖水中越冬蓝藻的复苏,吸收剂量越大,抑制蓝藻复苏的效果越好.吸收剂量为5kGy的水样,培养40d,水中叶绿素a(Chl-a)、叶绿素b(Chl-b)和藻蓝素(PC)含量分别为对照样的8.66%、16.8%和17.2%,抑制了越冬蓝藻的复苏.0.5%甲醇和0.22mmol/LNa2CO3添加物抑制了辐照过程,与不含添加物水样相比,相同吸收剂量下,相同培养时间内,含添加物水样中Chl-a、Chl-b和PC浓度较高.

越冬；蓝藻；复苏；γ-射线；辐照；抑制

近年来,太湖和许多富营养化湖泊,夏季常常发生蓝藻水华,大量蓝藻漂浮在水面或堆积在岸边,高温下分解,产生恶臭[1-2].一般情况下,藻类生长繁殖缓慢,之所以在较短时间内能形成水华,底泥和水体中越冬蓝藻的复苏和上升是关键因子.孔繁翔等[3-4]提出蓝藻的生长与水华形成共经历越冬休眠、春季复苏、生长和集聚上浮4个阶段,影响每个阶段的主导因子不同.在越冬期,由于不具备适宜的生长条件,大量藻类沉入湖底,存于湖泊水体下层和底泥表面.比如许多丝状蓝藻,Anabaena和Aphanizomenon等可以产生休眠孢(Akinete)[5-6]存于底泥表面;塔玛亚历山大藻(Alexandriumtamarense)和链状亚历山大藻(A.catenella)细胞则形成配子,互相结合,变成游动的合子(Hypnozygotes)并最终变成休眠孢囊沉降下来[7];而Microcystis和Gomphosphaeria等藻类越冬时形态不发生明显变化,只是以休眠方式存在于底泥表层,并保持活性[8-9].在春季适宜条件下,越冬蓝藻开始“复苏”,迅速繁殖,并上浮聚集,形成蓝藻暴发的“种源”.目前,对蓝藻的控制措施多在水华形成之后实施[10-12].采取这些措施,虽能短时间内清除或抑制水体中浮游蓝藻,但作为“种源”的越冬蓝藻依然存在,待外界环境因素适宜,能再次迅速繁殖形成水华.因此,在越冬期对“种源”蓝藻采取治理措施,是防止蓝藻水华暴发的一个新思路.

近些年,核辐射技术的不断发展,为环境污染防治和废物处理提供了一种有效的手段[13-16].辐射技术一般在常温常压进行,工艺简单,处理过程中不加或少加化学药品及催化剂,减少了二次污染.目前,未见有关抑制越冬蓝藻复苏研究的报道.本研究利用60Co衰变产生的γ-射线辐照太湖原水,考察不同吸收剂量和添加物对辐照抑制越冬蓝藻复苏效果的影响,为防止富营养化水体蓝藻水华暴发提供技术支持.

1 材料与方法

1.1 样品采集

于2009年12月,用40cm长的PVC柱状采水器采集太湖梅梁湾底层水样,共采集 20L,水样混装.水样测定结果为:溶解氧7.3mg/L;叶绿素浓度 40.55μg/L;水温 9.6℃;pH7.9.

1.2 仪器与试剂

光照培养箱(GXZ300B,宁波江南仪器厂);台式高速低温离心机(AvantiTM J-30I,Beckman);荧光分光光度计(F-7000,Hitachi);显微镜(CKX4,Olympus);丙酮(分析纯,国药化学集团公司);三羟甲基氨基甲烷(分析纯,国药化学集团公司);标准样品叶绿素a(Chl-a)、叶绿素b(Chl-b)、藻蓝素(PC)均购自Sigma公司.

1.3 辐照源与辐照过程

60Co辐照源(江苏省农业科学研究院原子能研究所,源强度为1.85×1016Bq);取200mL太湖水样分装于500mL的密封玻璃瓶内,放于离辐照源一定距离的位置进行 γ-射线辐照,样品的吸收剂量分别 1,2,3,4,5kGy.样品吸收剂量采用重铬酸银剂量计跟踪测定.

1.4 水样培养

将辐照处理后水样装入经高温灭菌的三角瓶中,放置在光照培养箱中培养,培养温度为25,℃光照强度2000lx;作为对照样的原水,在相同条件下培养.

1.5 分析方法

取采集的水样少量,加入鲁古氏碘液固定后,使用显微镜观察藻类组成,未发现裸藻、红藻和隐藻.

定期取一定量的培养水样,按文献[4]方法,提取色素,并使用荧光分光光度计测出其中藻类Chl-a、Chl-b和PC含量.在所有可发生光合作用的藻类中均能发现 Chl-a,而在绿藻和裸藻中只含有Chl-b,在蓝藻、红藻和隐藻中含有PC.本实验中不存在裸藻、红藻和隐藻,因此,Chl-a、Chl-b和PC含量可分别表征水体中藻类总量、绿藻数量和蓝藻数量.

2 结果与讨论

2.1 γ-射线辐照对越冬蓝藻复苏的抑制

γ-射线进入水体后,先与水分子作用,在瞬间(10-7s)生成大量自由基(·OH、H·、 e-aq和 H3O+),其反应如式(1)所示,式(1)中括号内的数值表示每吸收 100eV的能量时,水中产生的各种自由基的数量[17].由于水中存在分子氧,辐照产生的 H·和 eaq能与 O2反应生成 H O.2和 O.2-[式(2)和式(3)];当吸收剂量较大时,ea-q和·OH、H+之间反应生成 OH-和 H·[式(4)和(5)].此外,γ-射线辐照过程中,也会发生如式(6)～式(9)的反应,生成 H2O2、O2等[13].这些自由基能与水体中的溶解物或悬浮物发生作用.

2.1.1 γ-射线辐照对水样中Chl-a含量的影响 取自太湖的水样经 γ-射线处理后,放置在恒温光照培养箱中培养,培养温度25,℃光照强度2000lx,定期取样分析水中Chl-a的变化,结果如图1所示.

图1 Chl-a含量随吸收剂量和培养时间的变化Fig.1 Changes of Chl-a abundance with absorbed doses and culture time

图 1表明,太湖水样经 γ-射线辐照后,其Chl-a的含量减少,随吸收剂量增加,Chl-a浓度降低.辐照后水样经相同时间培养,随吸收剂量增加,Chl-a的增加量逐渐减少.说明 γ-射线处理后的水样中藻类浓度降低,吸收剂量越大,藻类浓度越低;藻类浓度低的水样,其复苏量也比较少.图1还表明,水样经40d培养后,对照样中Chl-a的含量从 40.55μg/L 增加到 724.4μg/L,吸收剂量为5kGy的水样,Chl-a含量从 7.28μg/L增加到62.7μg/L,为对照样的 8.66%,即藻类总复苏量仅为对照样的 8.66%,说明 γ-射线辐照有效的抑制了越冬藻类的复苏.

2.1.2 γ-射线辐照对水样中 Chl-b含量的影响 取自太湖的水样经γ-射线处理后,在恒温光照培养箱中培养,培养温度为25,℃光照强度2000lx,定期取样分析水中Chl-b的变化,结果如图2所示.

图2表明,水样经γ-射线辐照后,其Chl-b的含量减少,吸收剂量越大,Chl-b含量越低.辐照后的水样经相同时间培养,吸收剂量越大,Chl-b增加的量越少.说明辐照处理过的水样中绿藻数量减少,且吸收剂量越大,绿藻数量越少;绿藻数量少的水样,其复苏量也比较少.图2还表明,吸收剂量为5kGy的水样,培养40d,其Chl-b含量从1.02μg/L增加到29.09μg/L;而相同培养时间,未经辐照处理水样中Chl-b含量从5.73μg/L增加到173μg/L,即辐照后水中绿藻复苏量为对照样的16.8%,表明γ-射线辐照有效抑制了越冬绿藻的复苏.

图2 Chl-b含量随吸收剂量和培养时间的变化Fig.2 Changes of Chl-b abundance with absorbed doses and culture time

2.1.3 γ-射线辐照对水样中PC含量的影响 将经 γ-射线辐照处理后的水样放置在光照培养箱中培养,培养温度为 25℃,光照强度 2000lx,定期取不同辐照剂量处理过的水样,分析 PC含量,结果如图3所示.

图3 PC含量随吸收剂量和培养时间的变化Fig.3 Changes of PC abundance with absorbed doses and culture time

图3表明,经γ-射线辐照后的水样,PC的浓度降低,吸收剂量越大,PC浓度越低.辐照后的水样经相同时间培养,随吸收剂量增加,PC增加的量逐渐降低.说明辐照处理过的水样中蓝藻浓度降低,吸收剂量越大,蓝藻浓度越低;蓝藻浓度低的水样,其蓝藻复苏量也比较低.辐照剂量为5kGy的水样,培养40d,PC含量从1.98μg/L增加到10μg/L,未经辐照处理的水样,其PC含量达到58μg/L,即辐照处理后蓝藻复苏量为对照样17.2%,γ-射线辐照抑制了越冬蓝藻的复苏.

2.2 添加物对辐照的影响

2.2.1 添加甲醇对辐照的影响 为考察 γ-射线辐照产生的·OH自由基和 e-aq对藻类细胞的作用,在试验水样中添加 0.5%甲醇.甲醇是一种良好的·OH 淬灭剂,能与·OH 和 e-aq反应[13],其对辐照的影响如图4所示.

图4 甲醇对辐照的影响Fig.4 The effect of methanol on irradiation

图 4表明,无论是否添加甲醇,水样中Chl-a、Chl-b、PC含量均随吸收剂量增加而降低.相同吸收剂量下,相比对照样,添加甲醇水样中 Chl-a、Chl-b、PC含量均比较高.吸收剂量为500Gy,未添加甲醇水样中Chl-a、Chl-b、PC含量分别为2.28,1.02,1.98μg/L;添加甲醇水样中Chl-a、Chl-b、PC 含量为 12.25,1.93,7.02μg/L,说明甲醇抑制了γ-射线辐照对藻类细胞的作用.原因是 CH3OH与·OH和 e-aq发生反应[式(10)和式(11)],降低了水中·OH 和 e-aq浓度,抑制了辐照过程.此结论也表明,·OH 和在辐照过程中起重要作用.

2.2.2 Na2CO3对辐照的影响 Na2CO3进入水体后水解生成 H CO3-和 C O32-,能与·OH、e-aq和·H发生反应.试验水样中添加0.22mmo/LNa2CO3,考察其对辐照的影响,结果如图5所示.

图5 碳酸钠对辐照的影响Fig.5 The effect of sodium carbonate on irradiation

由图 5可知,无论是否添加 Na2CO3,随吸收剂量增加,培养后水样中Chl-a,Chl-b,PC的含量均降低.但添加 Na2CO3后,相同吸收剂量下,水样中 Chl-a,Chl-b,PC 含量分别为 11.73,1.83,5.93μg/L,均比未添加 Na2CO3水样中的 Chl-a,Chl-b,PC含量高.这表明 Na2CO3抑制了辐照对藻类的作用,原因是发生了如式(12)～(16)的反应[18].此结论进一步说明和·H在辐照过程中起重要作用.

3 结论

3.1 γ-射线辐照能有效抑制太湖水中越冬蓝藻的复苏,吸收剂量越大,抑制蓝藻复苏的效果越好.吸收剂量为5kGy的水样,培养40d,水中Chl-a、Chl-b和PC含量仅为对照样的8.66%、16.8%和17.2%,越冬蓝藻的复苏受到了抑制.

3.2 0.5%CH3OH和 0.2mmol/LNa2CO3添加物抑制了 γ-射线辐照对藻类细胞的作用,原因是CH3OH能清除水中的·OH和 eaq;Na2CO3能与水中的·OH、 ea-q和·H 反应,降低其浓度,这也说明·OH、 ea-q和·H自由基在辐照过程中起着重要作用.

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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

国家自然科学基金资助项目(11075039); “十一五” 国家重大水专项(2008ZX07101-004)

* 责任作者, 教授, zzhenghj@fudan.edu.cn

郑宾国(1979-),男,河南漯河人,博士,主要从事水污染控制研究.发表论文10余篇.