饮用水中藻毒素的研究现状*

林英姿 代玮楠

(1:吉林建筑大学松辽流域水环境教育部重点实验室,长春 130118;2:吉林省城市水资源与水环境修复工程实验室,长春 130118)

1 藻毒素的危害

近年来,大量有关藻毒素导致人体治病、动物中毒甚至死亡的报道引起了国内外学术界的特别关注.在自然界已知的毒素中,其毒性仅次于二恶英,位居第二位[1],已证实属于“三致”(致畸、致癌、致突变)物质. 微囊藻毒素(Microcystins, MCs)与人类健康存在着密切的关系,其共轭立体结构的改变会影响其毒性的改变,常见微囊藻毒素(MCs)按毒性的强弱可分为强毒性、中度毒性、弱毒性三大类.

对动物的实验研究证明,饮用含藻水后,会出现厌食、呕吐、乏力、嗜睡、分泌物增多等症状,甚至导致呼吸急促、堵塞而死亡[2].如果人体直接接触含有藻毒素的水,会引起敏感部位和皮肤过敏;少量入会引起急性胃肠炎,还会引起头晕、目眩、恶心、呕吐等症状;由于藻毒素已被证明是肝癌的强烈促癌剂,长期摄入会引起发肝癌等疾病.

根据流行病学调查显示,利用同位素追踪发现有70 %以上的MC分布在人体的肝脏和肾脏,是一种潜在的肿瘤促进剂,通过对细胞间隙信号传导等遗传外过程的影响诱发肿瘤[3].微囊藻毒素可以降低吞噬细胞的吞噬能力、B淋巴细胞产生抗体的能力、T 淋巴细胞的增值能力[4]和自然杀伤细胞对肿瘤细胞的杀伤力[5].微囊藻毒素进入细胞以后,造成细胞内蛋白酶磷酸化和去磷酸化的失衡,从而使多种酶的活性发生改变,引起细胞内生理、生化反应的紊乱[6]的作用.

2 藻毒素的来源、分类及性质

2.1 藻毒素的来源及分类

水体中的藻毒素可分为两部分,一部分溶解在水体中,称为溶解性藻毒素;另一部分在藻细胞内合成,称为细胞内毒素.随着藻细胞的生长繁殖,当藻细胞破裂或老化死亡时,胞内毒素从藻细胞内释放出来并表现出毒性.一般情况下,藻细胞内的藻毒素浓度要高于水中溶解性藻毒素浓度.淡水水体中的藻毒素主要由蓝藻门的铜绿微囊藻毒素(Mieroeystis aeruginosa)产生,像曲鱼腥藻(Anabaenaeontorta)、小球藻(ehlorella)及颤藻(Oscillatoria)的一些柱系也能产生藻毒素.此外,在绿藻、硅藻以及双鞭毛藻等常见藻类中的个别种中也发现有藻毒素的产生.

目前，已发现的微囊藻毒素的异构体有80多种,分别在多肽序列上、羟基化、去甲基化、差相异构化上各有差异[7].此外,微囊藻毒素的同系物有近70多种,其中，MC-YR,MC-LR和MC-RR是普遍存在毒性较大且研究居多的三种类型,Y,L,R分别代表酪氨酸、亮氨酸和精氨酸,以MC-LR的急性毒性最强.

2.2 藻毒素的性质

藻毒素(MCs)是一种具有七态单环状结构的物质,表达MCs生物活性的必须集团是由特殊的氨基酸Adda的空间结构构成的,同时有间隔双键和环状结构和的存在,使其在有色素存在和光照的条件下部分光解.而存在于MCs 分子的基团中的β和γ双键,又使其容易被氧化、生物降解和光降解[8].藻毒素(MCs)以中性或带负电的分子集团形式存在于水中,其分子量与活性炭吸附的分子量范围接近,有较强的极性和亲水性,水中溶解度可高达1 000 mg/L以上.能抵抗极端pH值,具有很高的耐热性,在300 ℃的高温下也不会失活、挥发.试验表明,MCs在消毒的水库中可保持稳定12 d[9-10],在去离子水中可持续保持稳定高达27 d,室温下,在干燥的藻渣中,微囊藻毒素能生存6个月,润湿后又会重新释放到水体中.由于藻毒素自然降解过程是十分缓慢的,使常规工艺对MCs的去除成为一大难题.

3 藻毒素的去除方法

由于藻毒素对人类存在着较大的潜在性危害,国内外对藻毒素去除方法的研究有了进一步的进展.目前,去除藻毒素的方法主要分为物理方法、化学方法和生物方法.

3.1 物理方法

(1) 活性炭吸附. 粉末活性炭(PAC)可有效去除由蓝藻产生的微囊藻毒素(Microcystin，又称MCYST，简称 MC).PAC的投加量影响MC的去除效果.通常认为比外表积越大,吸附才能越强.但研究发现,孔体积才是影响活性炭吸附的主要因素.大量文献表明,在常规水处理工艺中活性炭虽然可以有效去除MC但其性能会有所降低.当MC被吸附到活性炭表面时,存在两种可能性,一种是被附着在活性炭表面的生物膜降解；一种是可能再次释放到水体中,给人类健康造成危害.由此可见,对MC被吸附到活性炭表面上机理的研究尚不明确.

(2) 反渗透. 许多国家用反渗透来处理饮用水,MC的分子量在1 000左右,能被反渗透膜截留.研究发现,反渗透对MC的去除率在95 %以上,超滤对MC的去除率近乎于100 %,而纳滤可将水中的MC完全去除.膜过滤的去除效率虽然很高,但并不能从根本上去除藻毒素;而且从经济运行方面考虑,成本都很高,很难应用于大型水厂.

3.2 化学方法

(1) 氯氧化. 氯氧化作为一种传统的除藻方法,广泛应用于预处理工艺中.对含藻水进行氯化时,使藻类及藻毒素在后续常规处理工艺中去除,可有效降低胞外藻毒素的浓度,在氯的投加量为4 mg/L时,胞外藻毒素的去除率可达到56 %.但用氯氧化藻毒素时,水体中存在的如腐殖质等天然有机物容易与氯作用生成三氯甲烷等有害副产物,引起水体的二次污染.

(2) 高锰酸钾氧化. 高锰酸钾对藻毒素具有一定的氧化降解能力,可用于破坏MC分子中Adda(结构为3-氨基-9-甲氧基-2,6,8-三甲基-10-苯基-4(E),6(E)-二烯酸上)的不饱和双键.有研究表明,高锰酸钾可使藻细胞破裂导致胞内藻毒素转化成胞外藻毒素释放到水体中,当高锰酸钾投加量增加时,胞外藻毒素可被大部分去除.高锰酸钾投加量为1 mg/L时,20 min内对浓度为200μg/L的MC-LR的去除率可达95 %以上.到目前为止,还没有发现采用高锰酸钾净水能产生对人体有毒害作用的氧化副产物[11].所以,高锰酸钾预氧化在去除藻毒素的研究领域中应用比较广泛.

(3) 臭氧氧化. 臭氧是一种强氧化剂.早期的研究表明[12],1mg/L的O3对浓度为 60μg/L的MCs溶液的去除效果可达到100 %.O3对水中藻毒素的去除能力比氯、高锰酸钾更有效,这与O3具有更高的氧化电位有关.臭氧还可以起到除味、脱色、助凝等作用,操作简单可行,但设备投资大,运行费用高.虽然关于臭氧去除水中藻毒素的副产物仍需做进一步研究,但作为一种有效的净水方法,仍具有良好的发展前景.

3.3 生物方法

(1) 微生物降解. 由于MC的化学结构极为稳定,一般的真核生物和细菌肽酶不能将其分解,吕锡武等[13]研究发现,在好氧条件下微生物降解MC远比在缺氧条件下降解MC更有效,同时不会造成水体的二次污染.MC降解菌株可以广泛应用于水体环境中,可大规模消除水体中的MC,降解彻底、成本低.目前,国内外学者仍在对降解MC的微生物种类及降解机理进行大量实验研究.

(2) 人工湿地系统. 通过构建人工湿地系统,利用湿地系统中的基质、微生物及动植物之间的相互协同作用,将水体中的MCs、有机物及其他污染物去除掉.人工湿地系统方法是近年来发展的一种新型处理MCs的方法,其中以机械过滤作用为主要机制,同时伴随着生物作用和化学作用.利用人工湿地系统的方法可达到良好的环境治理效应,不会产生藻渣,而且具有非常强大的生态修复功能.

4 结语

目前,我国许多城市中的水体存在富营养化问题,藻类释放大量的藻毒素,给水体环境和人类健康带来严重的威胁.国内在对藻类及藻毒素的去除技术方面研究比较广泛,但对如何消除处理过程中产生的有害副产物的研究还比较少.我们仍需在前人研究成果的基础上,进一步研究和发现物理、生物、化学等各种去除藻毒素的技术方法,综合利用,降低成本,建立一种高效、经济的去除MCs的技术手段.

参 考 文 献

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