超声波技术去除藻毒素的效果

谷　秀，李捍东*，李　霁，汪　苹，孙赟硕，李纪恒，赵　宁.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京000 .北京工商大学食品学院，北京00048 .北京麦格东方材料技术有限公司，北京00085

超声波技术去除藻毒素的效果

谷秀1，李捍东1*，李霁1，汪苹2，孙赟硕3，李纪恒3，赵宁3
1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京100012 2.北京工商大学食品学院，北京100048 3.北京麦格东方材料技术有限公司，北京100085

研究了超声波技术在不同条件下对藻毒素（MCs）降解的效果。结果表明，当浓度为12.43 μg/L的藻毒素溶液在1 200 W超声作用5 min时，藻毒素去除率可达81%；1 200 W超声作用15 min时，藻毒素去除率达99%，几乎全部去除。不论是采用单纯超声法或超声-混凝法处理含微囊藻废水，都不会引起水体中藻毒素的上升。用超声法处理含微囊藻废水，同时具有直接破壁灭藻、抑制未灭藻的生长活性和降解藻毒素3种功效。

超声波；微囊藻；藻毒素；去除率

谷秀，李捍东，李霁，等.超声波技术去除藻毒素的效果［J］.环境工程技术学报，2015，5（2）：155-160.

GU X，LI H D，LI J，et al.Removal efficacy of microcystins by ultrasound technology［J］.Journal of Environmental Engineering Technology，2015，5（2）：155-160.

微囊藻毒素（MC-LR）的污染已成为全球性的大问题，其对饮用水安全造成极大的隐患。肝脏是微囊藻毒素的主要靶器官［1-2］。藻毒素（MCs）是国际上公认的诱发肝癌的三大因素之一［3］。基于藻毒素的严重危害性，各国均制定了相关标准，明确指出了饮用水中微囊藻毒素的限定值［4］。微囊藻毒素的检测被我国列入地表水环境质量标准与生活饮用水卫生标准中，以确保饮用水安全，其限定值与世界卫生组织（WHO）推荐的标准值（1 μg/L）［5］相一致。超声波是一种物理手段，能够在水中产生瞬间、局部的高温高压以及具有强烈冲击力的射流等一系列极端的环境。超声波的除抑藻作用主要源于超声空化的高压、强烈冲击波、高速射流和高剪切力的力学机制，破碎藻细胞的气囊结构甚至破坏藻类的细胞壁。目前在利用超声波处理藻方面，国内外已经取得了一定的进展［6-14］，在利用混凝法以及强化混凝法除藻方面也有相关的研究［15-16］。值得关注的问题是超声波技术在有效除藻的同时，藻体内藻毒素释放出的浓度是否有上升。T.J.Lee等［6］用28 kHz、1 200 W超声波处理蓝藻，超声作用5 min后，藻类的生长受到抑制，并且水体中藻毒素浓度没有升高；A.Hudder等［17］采用基因分析法研究得出，超声波照射后的微囊藻毒素对老鼠肝细胞的毒性明显减小；Song W.等［18］采用超声波去除微囊藻毒素的研究过程中发现，超声波降解藻毒素的原理是通过·OH攻击苯环以及肽键的裂缝使微囊藻毒素得到降解，同时得出微囊藻毒素的去除效果受溶液的pH和产生的H2O2的影响。

对于藻类污染的控制主要从以下两方面考虑：1）从源头治理，控制营养物质，特别是控制含氮磷的有机物过多排入受纳水体，这是处理富营养化水体最有效彻底的措施；2）当水体富营养化已经形成，一旦蓝藻水华暴发，应当采取有效的应急及治理措施。蓝藻污染带来的危害包括高密度的藻体及藻毒素两方面，而目前的大部分治理措施都立足于除藻而忽略了藻毒素，往往有些灭藻措施仅杀灭藻细胞，反而促使藻细胞内藻毒素释放至水体，导致治理措施本身存在安全性的危险。因此需开发同时具有除藻和除藻毒素作用的除藻技术。

笔者选取水华爆发时的优势藻种——铜绿微囊藻为试验对象，采用特制的探头式低频（14 kHz）大功率超声波仪进行微囊藻毒素的去除试验，探究超声法对微囊藻毒素的降解规律；分别采用高效液相色谱法和竞争酶联吸附法研究水体藻毒素（胞外毒素）浓度变化；比较了超声法与超声-混凝法在除藻过程中水体藻毒素的变化情况。以水体中藻毒素浓度的变化为指标对超声波除藻工艺进行评价，以期为蓝藻污染的治理提供一条途径。

1　材料与方法

1.1试验藻种与培养

试验使用的铜绿微囊藻藻株购于中国科学院水生生物研究所，编号为FACHB-912。采用BG11培养基在光照培养箱内进行培养，温度为25℃，光照强度为2 000 lx，光暗比为12 h∶12 h。培养期间每天定时人工摇瓶2次，并随机变换锥形瓶的位置以平衡各瓶间光照条件的差别。

1.2分析测定方法

1.2.1藻毒素溶液配制

试验所用藻毒素取自培养的铜绿微囊藻溶液。取生长稳定期的铜绿微囊藻液（稳定期微囊藻会向溶液中释放大量藻毒素），10 000 r/min下离心15 min，取上清液以0.45 μm的滤膜过滤，可保证滤去绝大部分微囊藻（微囊藻细胞粒径一般为3～6 μm）。测定滤液藻毒素并稀释至所需浓度，即为试验用微囊藻毒素溶液。

1.2.2藻毒素的测定方法

1.2.2.1高效液相色谱法

高效液相色谱法（HPLC）以其准确、灵敏、重现性好而且可以同时分析多种藻毒素异构体等优点而被WHO、美国、英国等推荐为MCs的标准检测方法。我国在GB/T 20466—2006《水中微囊藻毒素的测定》中将HPLC法列为藻毒素的标准检测方法之一。微囊藻毒素在238 nm波长下有特征吸收峰。取微囊藻毒素标准品（纯度≥95%，台湾藻研有限公司）绘制标准曲线。不同的藻毒素异构体有不同的保留时间，将其与微囊藻毒素标样的保留时间对比，便可得出测试样品中微囊藻毒素的组成。试验采用外标法依据出峰面积，计算水样中微囊藻毒素的浓度。

1.2.2.2竞争酶联免疫吸附法（藻毒素试剂盒法）［19］

采用藻毒素试剂盒法测定藻液中总藻毒素浓度。将待测藻液于3 000 r/min下离心3 min，取上清液经0.45 μm的滤膜过滤，滤液备用。采用的藻毒素试剂盒购于台湾藻研有限公司（Taiwan Algal Science Inc.）。

利用待测样品中所含的微囊藻毒素与酵素接合物共同竞争预先附着在微孔内的限量微囊藻毒素抗体进行分析。在整个反应中，检测的微囊藻毒素浓度越高，相对会竞争掉越多的酵素接合物，使得能结合上抗体的酵素接合物相对变少，反应中的酵素接合物-受质液的颜色就会变淡，若检测的藻毒素浓度低，则呈现的颜色较深，颜色的变化可通过吸光值与标准品对比，确定微囊藻毒素浓度。

1.3超声处理方法

1.3.1超声除藻

取700 mL藻液于1 L烧杯中，将超声探头置于液面中心位置（每次伸入液面高度相同，均为4 cm），在不同超声条件下分别取样测吸光度（A684）和叶绿素a浓度。

1.3.2超声抑藻

取400 mL藻液于1 L烧杯中，将超声探头置于液面中心位置（每次伸入液面高度相同，均为4 cm），采用不同超声条件进行处理后，置于500 mL锥形瓶中。用透气膜包扎瓶口，与对照组一起放入光照培养箱，培养条件与1.2.1节相同。在培养周期内，每天定时取样测吸光度（A684）和叶绿素a浓度。

1.4混凝处理方法

选用对数生长期（培养7～15 d）的铜绿微囊藻作为研究对象。用蒸馏水稀释原始藻液，并把pH调至7.0，使得铜绿微囊藻稀释液的藻细胞浓度为2.68×106个/mL（对应A684约为0.120），对应浊度约为23.0 NTU。

在JJ-4六联数显电动搅拌器机上，采用烧杯搅拌法进行混凝试验。取配置好的铜绿微囊藻稀释液各500 mL分装于1 L烧杯中，为了使藻液混匀，以60 r/min的搅拌速率慢速搅拌2 min；通过移液枪投加混凝剂（混凝剂用蒸馏水配置而成，溶液浓度为5 g/L），160 r/min快速搅拌2 min；然后在60 r/min下，慢速絮凝搅拌10 min；最后静置沉淀相应时间后，均匀分布取样点，用移液枪在液面下2 cm处取样，取25 mL测浊度，用样品的浊度表征铜绿微囊藻的去除效果。

2　结论与讨论

2.1超声法对微囊藻毒素的降解作用

以铜绿微囊藻毒素溶液为研究对象，通过超声波处理前后溶液中藻毒素浓度变化来分析超声法对微囊藻毒素直接降解作用。

2.1.1超声功率对藻毒素的影响

取稀释好的藻毒素溶液（初始浓度为21.51 μg/L）各700 mL置于3个烧杯中，在超声功率分别为600、1 200和1 600 W进行超声作用；于1、5、10和15 min时取样测定超声功率对藻毒素去除率的影响，结果如图1所示。

从图1可以看出，在短时间作用下，超声功率为600 W的藻毒素去除效果明显比1 200与1 600 W的差；但随着超声时间的延长，不同超声功率下的去除率差别变小，超声作用10 min时，600、1 200和1 600 W的藻毒素去除率分别为67%、79%和81%；超声作用15 min时，600、1 200和1 600 W的藻毒素去除率分别为72.5%、84.9%、85.8%。综合效果和能耗考虑，认为超声功率为1 200 W较合适用于藻毒素的去除。

图1　超声功率对藻毒素去除率的影响Fig.1The influence of ultrasonic power on microcystins removal rate

2.1.2超声作用时间的影响

取稀释好的藻毒素溶液（初始浓度为12.43 μg/L）700 mL，于1 200 W功率下进行超声作用，分别在10、30 s及1、3、5、7、10和15 min时取样进行测定，不同超声作用时间下藻毒素的去除率如图2所示。从图2可知，藻毒素在超声场中能够较快降解，超声作用5 min，藻毒素去除率就可以达到81%；超声作用15 min时，藻毒素几乎全部去除，达99%。因此，藻毒素初始浓度较低时仅用较短超声作用时间就可获得较高的去除率。

图2　超声作用时间对藻毒素去除率的影响Fig.2The influence of ultrasonic action time on microcystins removal rate

对该藻毒素初始浓度的函数ln（C/C0）与超声作用时间进行了线性拟合（图3）。从图3可以看出，二者呈非常好的线性关系。证实在该初始浓度条件下，藻毒素在超声场中的降解反应为一级反应。

图3　藻毒素降解反应动力学曲线Fig.3Kinetics curve of microcystins degradation

2.1.3藻毒素初始浓度的影响

依据我国主要湖泊、水库中微囊藻毒素污染状况的有关研究［20-21］，得出大部分水体的藻毒素污染水平均未超过GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》相关的水质标准（微囊藻毒素浓度不得超过1 μg/L）；太湖流域污染最为严重，其中太湖梅梁湾区域检测到的微囊藻毒素浓度最大值分别为10.4 μg/L（2001年7—9月）、6.69 μg/L（2005年9月）和1.59 μg/L（2010年8月）。说明我国淡水水体藻毒素的含量基本上在10 μg/L以内。为了更好地考察超声波降解藻毒素的效果，研究选取了较大的浓度范围进行试验。

取稀释好的藻毒素溶液（初始浓度分别为3.21、21.51和136.25 μg/L）各700 mL置于3个烧杯中，于1 200 W功率下进行超声作用；分别在1、5、10和15 min时取样测定藻毒素初始浓度对藻毒素去除率的影响，结果如图4所示。

图4　不同初始藻毒素浓度下的去除率Fig.4Removal rate of microcystins at different initial concentrations

在3个浓度试验中，藻毒素初始浓度为3.21 μg/L的去除效果最好，超声作用5 min时，藻毒素去除率达到80.7%；超声作用10 min时，藻毒素去除率达到95.7%；即使针对藻毒素初始浓度为21.51 μg/L的水样，在1 200 W超声作用下，超声作用10 min时藻毒素去除率也接近80%，完全可以满足太湖流域最高藻毒素危害发生时的处理达标要求；而针对藻毒素极端高浓度为136.25 μg/L的水样，在1 200 W超声作用下，超声作用15 min时去除率也接近70%。说明超声作用去除藻毒素效果较好。

2.2超声-混凝法除藻分析

通过考察超声法对于藻毒素浓度变化的影响，来判断超声法直接对藻毒素的降解作用，同时对比分析直接混凝和超声-混凝对藻毒素的去除作用，以此分析除藻工艺的安全性。

2.2.1超声法直接除藻过程中藻毒素的变化

取初始藻浓度A684为0.8的FACHB-912藻液700 mL，在1 200 W的超声功率下进行超声作用15 min。并于1、3、5、7、9、11、13和15 min时取样，用0.22 μm的滤膜过滤，分别用高效液相色谱法和竞争酶联吸附法测定超声过程中微囊藻释放到水体中的微囊藻毒素和总藻毒素的浓度，结果如图5所示。

图5　超声法直接除藻过程中藻毒素的变化Fig.5Ultrasonic method directly remove algae microcystins in the process of change

从图5可以看出，微囊藻毒素和总藻毒素变化趋势一致，但存在一个稳定的、不足1 mg/L的相对差值（差值为0.557～0.712）。对藻毒素的测定，高效液相色谱法可以测定不同毒素的同分异构体，测定更加准确，其值表示总藻毒素中的微囊藻毒素；竞争酶联吸附法的测试灵敏度高，其值表示藻毒素。作为比较，二者均可以满足要求。

由图5可知，随着超声作用时间延长，无论是微囊藻毒素还是总藻毒素，都呈比较稳定的下降趋势。说明随着超声时间延长，微囊藻破壁量增大，但超声波对藻毒素的降解作用更明显，因此超声处理杀灭微囊藻的同时，可以有效降解藻毒素，表明超声作用在处理藻毒素问题上是安全的。

2.2.2超声-混凝法的藻毒素降解作用

选取同批次培养的铜绿微囊藻稀释液（A684为0.125，pH为7.06），将藻液分为2组，1组直接混凝，1组超声预处理后再混凝（超声功率为57 W，超声作用时间为10 s）。每组藻液移入7个烧杯，分别投加2、4、6、8、10、12、14 mg/L的PAC。静置沉淀30 min后取样，用0.22 μm的滤膜过滤，采用竞争酶联吸附法测定藻毒素浓度，结果如图6所示。

图6　超声-混凝法与混凝法处理藻毒素的比较Fig.6Comparison of microcystins removals between ultrasonic pretreatment-coagulation and coagulation

由图6可以看出，超声-混凝法对藻毒素的降解和去除作用可以通过2个层面的对比进行：1）与单纯混凝处理相比，在混凝剂低投加量阶段，随着混凝剂投加量的增加，混凝法中藻毒素浓度略有下降，但随着混凝剂的过量投加，藻毒素浓度反而超出初始值；2）对比超声-混凝法，在混凝剂PAC投加量为8～10 mg/L时，藻毒素浓度能够迅速下降至较低水平（降为原液藻毒素浓度的45%）。与单纯超声法相比，超声-混凝法在采用比单纯超声法更低的超声功率、更短的时间和更高藻毒素初始浓度时，其除藻毒素效果明显，因此超声-混凝法更有优越性。

分析2组试验得出：1）超声预处理有利于藻毒素结构的分解，促进了其后混凝处理时的聚集性和沉降性；2）低功率、短时间的超声预处理提高了除藻毒素效率，对于高浓度藻毒素初始液去除率可以达到55%。因此，超声-混凝法可以降解藻毒素，根据处理水的去除要求，可以选择合适的超声-混凝法工艺条件，获得既满足水质处理要求，降低运行费用和保证处理方法的安全性。对于超声波技术用于藻类去除和藻毒素的降解是否存在普遍性的规律，期待进一步的研究。

3　结论

（1）稳定期的铜绿微囊藻液，在10 000 r/min下离心15 min后，上清液以0.45 μm的滤膜过滤，可保证滤去绝大部分微囊藻。

（2）水中藻毒素的测定方法分别采用高效液相色谱法和竞争酶联吸附法，结果显示同一样品（总藻毒素浓度约为1.5 mg/L）微囊藻毒素和总藻毒素间存在一个稳定的相对差值，为0.557～0.712 mg/L。2种测定方法均可满足试验要求。

（3）超声作用与超声功率、藻毒素初始浓度、超声作用时间相关，藻毒素溶液浓度为12.43 μg/L，在1 200 W下超声作用5 min，藻毒素去除率可达81%；当超声作用15 min时，藻毒素几乎全部去除，去除率达99%。藻毒素可以在超声场中迅速降解，藻毒素浓度的函数ln（C/C0）与超声作用时间呈非常好的线性关系，其降解反应为一级反应。

（4）微囊藻废水超声处理试验显示超声处理后水样中藻毒素浓度低于处理之前，证实：超声处理杀灭微囊藻的同时可以有效降解藻毒素；降解藻毒素的速度不低于由杀灭微囊藻所释放的藻毒素量。因此超声处理微囊藻废水在藻毒素问题上是安全的，与其他物理化学法处理微囊藻废水相比，超声方法更适合于蓝藻、水华发生时的应急处理或非应急处理。

（5）与单纯超声法和混凝法相比，超声-混凝法可以在超声低功率、短时间有效除藻的同时并降低水体中藻毒素浓度。超声法处理含微囊藻废水同时具有直接破壁灭藻、抑制未灭藻的生长活性和降解藻毒素的3种功效，因此与同类物理、化学法相比，是一种十分安全、有效、彻底的控藻方法。

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Removal Efficacy of Microcystins by Ultrasound Technology

GU Xiu1，LI Han-dong1，LI Ji1，WANG Ping2，SUN Yun-shuo3，LI Ji-heng3，ZHAO Nin3
1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China 2.School of Food and Chemical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China 3.Beijing McGonagall Oriental Materials Technology Co.，Ltd，Beijing 100085，China

The effect of ultrasonic technique degrading microcystins in different conditions was discussed.The results show that when the concentration of microcystins solution is 12.43 μg/L，the microcystins removal rate can reach 81%under 1 200 W ultrasonic treatment for 5 minutes；when the same microcystins solution is under 1 200 W ultrasonic treatment for 15 minutes，microcystins removal rate can reach 99%，nearly all the microcystins being removed.When the wastewater containing microcystis is treated by either simple ultrasonic method or ultrasoniccoagulation method，the microcystins will not increase in water.The ultrasonic method in dealing with wastewater containing microcystis has three functions at the same time：destroying the cytoderm and killing microcystis directly，inhibiting the growth activity of surviving microcystis and degrading microcystins.

ultrasonic；microcystin algae；microcystins；removal rate

X703.1

1674-991X（2015）02-0155-06doi：10.3969/j.issn.1674-991X.2015.02.024

2014-10-20

谷秀（1983—），女，硕士，主要从事化学品风险评估与环境影响评价技术研究，guxiu20052005%163.com

*责任作者：李捍东（1959—），女，研究员，博士，主要从事化学品风险评估及环境生态效应研究，li_hua_dong@163.com