活性炭、过氧化氢和次氯酸钠去除拟柱孢藻毒素的比较研究

杨世敏,段雨琪,蒋永光

(1.中国地质大学 环境学院,武汉 430074;2.武汉大学 生命科学学院,武汉 430072)

拟柱孢藻毒素(Cylindrospermopsin,CYN)是最先在拟柱孢藻(Cylindrospermopsis)中分离出的一种蓝藻毒素［1］,之后又在束丝藻、鱼腥藻等水华蓝藻中检测出了该种毒素［2-7］.拟柱孢藻是近年来引起广泛重视的一种有毒水华蓝藻,主要分布在热带和亚热带地区.在我国广东［8-9］、福建［10］、台湾［11］、云南［12］等地的许多湖泊和水库中常年存在拟柱孢藻水华,并呈现出向高纬度地区扩散的趋势［13-14］.水体中的CYN能够伴随着水华的发生并积累到较高的质量浓度,甚至超过200 μg·L-1［15-18］.CYN是一种两性离子生物碱,其化学结构由三环胍基、羟甲基尿嘧啶和各种修饰基团组成［6］.CYN具有较强的肝毒性,在体内暴露下会在肝脏富集,抑制肝细胞蛋白质合成并诱导肝细胞氧化性损伤［19］.20世纪70年代澳大利亚昆士兰州发生一起儿童集体中毒事件,流行病学调查表明,饮用水中污染的CYN导致这些儿童的肝脏损伤,并诱发了急性肠炎［20］.此外,CYN还能诱发细胞染色体损伤,具有遗传毒性和生殖毒性［21-22］.作为一种两性离子,CYN具有较高的水溶性,容易造成饮用水污染,并严重威胁动物和人类健康.在饮用水预处理的过程中,需要建立可靠的CYN去除方法.

目前关于CYN去除的研究中,主要方法有TiO2配合紫外光对CYN进行光催化降解［23］,以及利用氯系消毒剂［24-25］或其他氧化剂［26］来氧化降解CYN.这些方法均有一定的效果,但是不同研究中所使用的毒素质量浓度从微克每升到毫克每升,反应时间从几分钟到几十小时,缺少在同等条件下对不同方法的比较研究.在水处理过程中,针对特定的毒素质量浓度和处理时间的需求,操作者难以根据以往的研究成果制定性价比最优的处理方案.另外,某些方法使用的材料并不常用,推广应用时较为困难.在水处理过程中,活性炭是常用的物理吸附材料,H2O2和NaClO是常用的氧化消毒剂.本研究旨在模拟拟柱孢藻水华发生时的高浓度CYN条件,系统比较活性炭、H2O2和NaClO对CYN的吸附去除或氧化降解效果,为充分利用现有的水处理工艺同步去除CYN提供科学参考.

1 材料与方法

1.1 拟柱孢藻的培养与毒素处理试验

本研究使用的产毒藻株为拉氏拟柱孢藻C.raciborskiiCHAB3438,来自中国科学院水生生物研究所有害藻类学科组.用BG11液体培养基培养藻株,温度为25 ℃,采用LED冷白光光源,光照强度为30 μmol·m-2·s-1,光/暗周期为12 h/12 h.通过测定藻液在750 nm处的吸光度监测藻细胞生长情况.取生长到平台期的藻液,超声破碎15 min,每破碎1 min,暂停1 min.将藻细胞破碎液在4 ℃的条件下高速离心,转速为12 000 r/min,收集上清液,用0.22 μm孔径的聚醚砜滤膜(Millipore)过滤去除颗粒物,滤液用于毒素测定和去除试验.

取稀释后的滤液600 mL装入1 L锥形瓶,进行毒素处理试验.活性炭购于恒兴试剂,30%(m/v)过氧化氢和次氯酸钠溶液(有效氯56.8 mg·mL-1)均购于国药集团,以上试剂均为分析纯.在活性炭处理组加入活性炭后使其终质量浓度分别达到1 g·L-1、5 g·L-1、10 g·L-1,在H2O2处理组加入H2O2后使其终质量浓度分别达到1 mg·L-1、5 mg·L-1、50 mg·L-1,在NaClO处理组加入NaClO后使其终质量浓度分别达到1 mg·L-1、2 mg·L-1、3 mg·L-1,其中次氯酸钠的浓度根据有效氯进行换算.加入不同试剂后,搅拌混合10 min,室温避光放置.分别于24 h和48 h后取100 mL溶液样品,用0.22 μm滤膜过滤后取滤液用于测定毒素.设置不添加处理剂的毒素溶液作为空白对照组.活性炭为固体颗粒,不影响溶液体积,加入H2O2和NaClO后溶液总体积的变化小于1‰,对毒素初始质量浓度无明显影响.

1.2 CYN的富集与检测

采用固相萃取法(Solid Phase Extraction,SPE)对水溶液中的毒素进行富集［16］.SPE柱的吸附材料为石墨化炭黑(6.0 mL,250 mg),购买自上海安谱.在SPE柱中加入10 mL含体积分数5%甲酸的洗脱液(V二氯甲烷∶V甲醇=1∶4,)对填充材料进行活化,待液体流出后,加入10 mL的纯水进行洗涤.取100 mL样品溶液,加入终体积分数1%的甲酸和0.1%(m/v)的氯化钠,混合均匀后分批注入SPE柱,使其自由流出.当样品溶液全部流完后,加入10 mL纯水洗涤,向SPE柱中鼓入空气排出残余水分.加入10 mL洗脱液回收毒素,在50 ℃水浴条件下,用旋转蒸发仪蒸发浓缩毒素洗脱液,干燥后加入1 mL的纯水溶解毒素,再用10 KDa的超滤管(Millipore)过滤除去大分子物质,所得滤液稀释5倍后用于HPLC检测.CYN标准品从加拿大国家研究理事会购买,加样回收率平均值为97.5%.

使用岛津LC-2010AHT型高效液相色谱仪(HPLC)联合光电二极管阵列检测器进行毒素的检测分析.色谱柱选用Phenomenex Synergi Polar-RP,尺寸为250 mm×4.60 mm,粒径为4 μm.参照Welker等的方法［27］,配制流动相A［体积分数0.05%的TFA水溶液］和流动相B［体积分数50%甲醇水溶液,含体积分数0.05%的TFA］.洗脱条件为:流动相B的初始比例为30%,从0～10 min逐渐增加到100%,恒定比例维持10 min.进样体积为20 μL,柱温为30 ℃,全波长扫描检测,吸收峰为261 nm,在该波长处进行定量分析.CYN标准品保留时间为8.1 min.

1.3 数据分析方法

使用SPSS 21.0对不同处理组的CYN浓度进行独立样本t检验,当p<0.05时认为组间差异具有显著性,使用Graphpad prism 5.0绘制数据图.

2 结果与讨论

2.1 藻株生长曲线和CYN含量

根据藻株C.raciborskiiCHAB3438的生长曲线(图1)可以看出,细胞生长到第13 d时开始进入平台期.在该时间点收集藻培养液,裂解离心后,检测上清液中的CYN含量.图2展示了CYN标准品(图2a)和样品(图2c)的液相色谱峰图,可以看出样品中有一个物质峰与CYN标准品保留时间(RT=8.068 min)相同,且其吸收光谱的结构和吸收峰(图2d)也与CYN标准品(图2b)一致,与文献中报道的该藻株的CYN检测结果对照后［16］,确定样品中该物质为CYN.根据标准品质量浓度计算出样品溶液中的CYN含量为(754.9±30.0) μg·L-1,该结果表明有毒拟柱孢藻具有很强的产毒能力,水华发生时可能造成严重的水体污染.

2.2 CYN处理效果

试验开始时,将上述毒素溶液适当稀释,得到CYN初始质量浓度为(217.4±15.0) μg·L-1的样品溶液,用于毒素处理试验.如图3所示,空白对照组24 h时的CYN含量为(193.7±3.0) μg·L-1,与初始质量浓度无显著性差异(p>0.05);48 h后的CYN含量为(155.2±21.5) μg·L-1,与初始质量浓度和24 h时的含量有显著性差异(p<0.05),说明CYN存在自然降解,本研究中48 h的自然降解率约为28.6%.文献中报道的自然降解速率较低,在酸性和碱性条件下维持数周的降解率仅为25%［28］.因此,当水体中CYN质量浓度较高时,依靠自然降解很难在短时间内消除毒素污染,需要采取一定的技术手段将其去除.

2.2.1活性炭处理组

如图3所示,活性炭去除CYN的效率与添加量和处理时间有关,添加1 g·L-1活性炭(m/v)处理24 h后残余CYN的质量浓度为(179.8±31.6) μg·L-1,与空白对照组无显著性差异.添加5 g·L-1和10 g·L-1活性炭处理24 h后的残余CYN质量浓度分别为(55.3±18.9) μg·L-1和(24.1±8.4) μg·L-1,具有显著差异(p<0.05),且均显著低于空白对照组(p<0.05).处理48 h后,1 g·L-1、5 g·L-1、10 g·L-1活性炭处理组的残余CYN质量浓度依次显著降低(p<0.05),分别为(64.2±1.7) μg·L-1、(31.6±3.5) μg·L-1、(12.7±1.2) μg·L-1,均显著低于空白对照组(p<0.05).此外,处理时间从24 h延长到48 h后,各质量浓度活性炭均能进一步显著降低CYN质量浓度(p<0.05).由于空白对照组从24 h到48 h自然降解了38.5 μg·L-1的毒素,各活性炭组在48 h的去除效果可能也受到了自然降解的影响,但自然降解的程度无法确定.通过比较处理组CYN质量浓度在两个时间点的差异可以推测随着毒素浓度降低,自然降解的毒素量也会降低,下文中H2O2和NaClO两个实验组的结果也可以印证这一推测.总体而言,以上结果说明活性炭添加量越大、处理时间越长,去除效果越好.

从图3可以看出,1 g·L-1的活性炭组在前24 h吸附较慢,后24 h吸附较快,而两个高浓度活性炭组的吸附过程则是先快后慢.通常,吸附过程与吸附剂和溶质的浓度和比例,以及吸附剂的结构特征有关.由于活性炭具有疏松多孔结构,其表面位点先与被吸附溶质快速结合,孔隙内的活性位点则以相对较慢的速度与扩散进入孔隙的溶质结合［29］.在本实验中,5 g·L-1和10 g·L-1的活性炭提供了较多的易于结合的表面位点,因而前期吸附较快,CYN质量浓度迅速降低,同时后期吸附也变慢.在1 g·L-1的活性炭组中,表面位点较少,前期吸附不明显,CYN维持在较高质量浓度.推测后期CYN向孔隙内的扩散和吸附量增加,同时叠加了自然降解作用,因而呈现了比前期较为显著的吸附.

2.2.2H2O2处理组

图4显示了添加1 mg·L-1、5 mg·L-1、50 mg·L-1H2O2处理24 h后,残余CYN浓度约为(97.7±22.8) μg·L-1～(121.6±11.9) μg·L-1,各质量浓度之间没有显著差异,但均显著低于空白对照组(p<0.05).在48 h后,各浓度H2O2处理组残余CYN质量浓度也没有显著差异,约为(81.1±7.8) μg·L-1～(97.7±22.8) μg·L-1,均显著低于空白对照组(p<0.05).对比48 h和24 h的处理结果,仅1 mg·L-1和5 mg·L-1的H2O2在延长处理时间后进一步降低了CYN的质量浓度,但减少的比例不高,而且可能是自然降解所导致的.用50 mg·L-1H2O2处理不同时间后残余的CYN质量浓度差异不显著.这些结果说明H2O2氧化反应发生较快,在24 h内就已经基本反应完全,而且1 mg·L-1的质量浓度已经达到H2O2反应的上限,增加其质量浓度不能有效增强处理效果.黎雷等［30］利用过氧化氢处理微囊藻毒素,发现其动态过程符合改进的一级动力学反应模型,初始阶段反应较快,与本研究的结果具有一致性.

2.2.3NaClO处理组

从图5中可以看出,处理24 h和48 h后,各浓度NaClO处理组的残余CYN质量浓度均与空白对照组有显著性差异(p<0.05).其中, 1 mg·L-1、2 mg·L-1、3 mg·L-1的NaClO处理24 h后残余的CYN质量浓度依次显著降低(p<0.05),处理48 h后残余的CYN质量浓度分别为(89.8±13.1) μg·L-1、(109.1±20.9) μg·L-1、(67.7±13.7) μg·L-1,与24 h的结果没有显著性差异,3 mg·L-1的NaClO处理组残余的CYN质量浓度仍然显著低于1 mg·L-1和2 mg·L-1的NaClO处理组(p<0.05).这些结果说明NaClO 氧化反应较快,在24 h内就已经完成,且高质量浓度时处理效果最好.

图6比较了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的去除效率分别达到88.9%和94.1%,显著高于H2O2和NaClO(p<0.05).在24 h时,H2O2的去除效率显著低于NaClO(p<0.05),但延长处理时间到48 h后,二者处理效率分别为60.2%和68.8%,无显著差异.反应体系的pH会影响氯系消毒剂和H2O2对蓝藻毒素的氧化降解效果,pH大于8时,毒素去除率降低［28,31-32］.本试验中的反应液pH值均小于8,可以排除pH对去除效率的影响.

2.3 不同方法处理CYN的比较

表1展示了本研究和文献中报道的不同处理方法对CYN的去除效率.

表1 不同方法去除CYN的效率

目前利用TiO2及其衍生材料对CYN等藻类毒素进行光催化降解的研究较多［23,36-44］,这类方法可以在较短的时间内降解高达10 mg·L-1的CYN.次溴酸铋与TiO2类似,也可以在光催化下氧化降解CYN［45］.但是,TiO2等催化剂的价格较高,在大规模水处理时成本高昂,一定程度上限制了其推广应用.活性炭作为一种廉价且绿色环保的吸附材料,在处理中等质量浓度毒素时,适当延长时间,可以达到与TiO2等催化剂相近的去除效率.NaClO是最常用的含氯消毒剂,具有较强的氧化性,SENOGLES等［24］在处理较低质量浓度CYN时,使用了质量浓度高于本研究的NaClO,取得了较高的去除效率并缩短了处理时间,与本研究的结果具有一致性.另外,二氧化氯(ClO2)是一种新型氯系消毒剂,用于低质量浓度CYN处理时也能得到较高的去除效率［35］.由于ClO2在常温常压下为气态,使用时需要专用装置,不如NaClO更为便捷.本研究使用低质量浓度H2O2处理CYN的去除效率略低,但使用较高浓度H2O2,并辅以紫外线激活或磁铁矿催化,可以高效的氧化降解高质量浓度CYN［33-34］.由于H2O2的反应产物为水,不会产生二次污染物,相比于含氯消毒剂具有显著优势.

在实际水处理过程中,应秉持经济可行和环境友好的原则,根据处理时限的要求,对每一种特定的水源选择适当的毒素处理方式［46］.通过对降解剂种类、降解时间、投加量和pH条件等关键操作参数进行优化,提高CYN的去除效率并尽量减少毒性副产物的生成.此外,当NaClO和H2O2处理CYN的效果不理想时,可以与活性炭联合使用,以达到最大的去除效率.

3 结 论

本研究针对CYN引起的水污染问题和应急处置的需要,根据水处理工艺的实际情况,比较了活性炭、H2O2和NaClO对CYN的处理效果.对于较高质量浓度(217.4 μg·L-1)的CYN,10 g·L-1活性炭处理24 h的吸附去除效率为88.9%,可以去除大部分的CYN.处理时间为48 h时,10 g·L-1活性炭、1 mg·L-1H2O2、3 mg·L-1NaClO去除CYN的效率分别为94.1%,60.2%、68.8%.总体上,提高处理剂的质量浓度和延长处理时间可以获得更高的CYN去除效率,在试验条件下,活性炭对CYN的吸附效率高于H2O2和NaClO对CYN的氧化降解效率,但H2O2和NaClO用量更少,成本较低.