有毒蓝藻及藻毒素的生物降解初步研究

　　富营养化的湖泊和水库中，因藻类的生长而引起的水污染已成为全球性困扰的问题。有关报导表明，中国很多湖泊中有毒水华的增长已经常性造成饮用水污染问题^[1]。美国、日本、澳大利亚、印度、芬兰等10余个国家的研究人员也报道了富营养化水体中有毒藻类的危害^[2,3]。由于家禽和动物饮用含有有毒藻类的水而死亡的事故经常发生，专家们正越来越多地关注藻毒素对人类健康的影响。
　　中国太湖（约2400km²）沿岸的一些城市水厂一直受到湖水中过量生长藻类的困扰。每年夏季，沿湖水域蓝藻疯狂增长时，沿湖自来水厂无法保证合格的出水水质，甚至停产。太湖沿岸的最大城市无锡市的自来水长期充满霉嗅味，水质低劣。中国的其它湖泊，如巢湖、滇池、武汉东湖富营养化问题也很严重。
　　日本同样也存在十分严重的湖泊富营养化问题。日本的水处理专家在这一领域内的研究活动十分活跃。日本国立环境研究所稻森悠平先生所领导的研究室在富营养化水体藻毒素的防治研究方面，取得了突出成绩^[4]。 
　　本研究的目的在于探索微囊藻和藻毒素在不同生物处理工艺条件下的性状，寻求从富营养化水源制取安全饮用水的处理方法。

　　1 材料和方法

　　1.1 有毒藻试样的制备 
　　纯种蓝藻菌株Microcystis viridis 取自日本国立环境研究所生物保存栋，将此菌种接种于盛有250mL培养液（表1）的500mL三角烧瓶中，培养液事先在121℃条件下灭菌20min。

表1 有毒蓝藻试验水样培养液 
Table 1 Medium for Microcystis cultureNaNO₃K₂HPO₄MgSO₄·7H₂OCaCl_２·2H₂ONa₂CO₃Fe-CitrateNa₂EDTA·2H₂O蒸馏水100mg10mg75mg40mg20mg6mg1mg1L

　　接种后的三角烧杯置于摇床25℃条件,采用2000 lux日光灯每12h明暗周期培养。经过大约20d培养，当三角烧瓶中藻类浓度达到10⁸~10⁹数量级，试样即可供试验用。 
　　1.2 降解途径试验方法与装置 
　　采用好氧和缺氧两种微型序批式反应器进行了蓝藻及其毒素降解途径的研究。 
　　在间歇加料的缺氧和好氧500mL三角烧瓶反应器中，放置立体网格型水处理填料，接种污泥取自日本国立建筑研究所中试净化槽，每天加法入500mL采用前述培养的含藻水，稀释后藻计数浓度为10⁶数量级。为获得大量的微生物量，同时在进水中加入20mg／L葡萄糖和20mg／L的酵母粉，进行微生物培养和驯化。 
　　1.3 分析方法 
　　采用高压液相色谱（HPLC）测定藻毒素RR、YR和LR；分光光度法测定叶绿素ａ。

　　2 结果与讨论

　　2.1 藻毒素的好氧处理试验 
　　将前述经培养驯化达40d左右的序批式好氧反应器中的水排干（反应器尚存附着生物膜的立体网格型填料），一次性注入600ｍＬ（500mL三角烧瓶注满后的容积）高浓度含藻水（藻浓度为10⁸~10^９数量级），采用微型气泵连续曝气。间隔不同时间取样进行水质指标分析，所得结果列于表2。图1则是好氧反应器对总藻毒素(细胞内外藻毒素之和)随时间变化的去除效果。
　　如表2所示，试验开始后的12h，藻毒素RR、YR和LR的浓度分别降至50.2、35.9和15.0mg/L，去除率分别达到86.2%、80.0%、和87.1%。随着处理时间的延长，3种藻毒素的去除率继续增加，在24h时已超过90%，48h时超过了99%，72h时已完全去除（低于检测浓度）。
　　值得注意的是：原水的细胞外藻毒素非常低，只占总藻毒素浓度的0.6%~4.4%，也即是说明处

表2 好氧反应器中藻毒素的浓度变化 
Table 2 Concentration of microcystin in oxic reactor藻毒素种类藻毒素浓度（μg/L）处理前处理后12h处理后24h处理后48h处理后72h细胞外藻毒素细胞外藻毒素细胞外藻毒素细胞外藻毒素细胞外藻毒素RR2.3363.41.150.2026.703.400YR1.4178.30.435.9016.801.000LR5.1116.10.315.007.400.100

　　于旺盛生长期的藻毒素基本上在藻细胞内部。试验结果表明：此时藻毒素易被好氧氧化。从表2还可以看到尽管藻毒素总浓度较高，但在好氧生物反应条件下，细胞内外的藻毒素均能得到有效的降解。
　　2.2 好氧与缺氧方法的效果比较 
　　好氧和缺氧两种方法处理藻毒素的结果如表3所示。经过24h处理后，好氧反应器对总藻毒素去除率分别为RR 92.7%、YR 90.6%、LR 93.6%；而在同样处理时间条件下的缺氧反应器处理效果则分别为：RR 5.2%、YR 2.4%、LR 14.6%。两种反应器处理效果对比明显，这表明，好氧工艺去除藻毒素能力远比缺氧有效。从表3中还可以观察到另一个和好氧反应器不同的特点是缺氧反应器中藻毒素的细胞外浓度在处理24h后，反而增加了，很明显，这是由于在缺氧条件下兼性厌氧菌的水解作用，使蓝藻细胞内的毒素溶解进入水中而引起的。

表3 好氧、缺氧反应器处理藻毒素效果比较
Table 3 Comparison of microcystin removal by oxic and anoxic treatment藻毒素种类藻毒素浓度（mg/L）处理前好氧处理后24h缺氧处理后24h细胞外总毒素细胞外总毒素细胞外总毒素RR2.3363.4026.716.0344.6YR1.4178.3016.89.3174.1LR5.1116.107.47.899.2

　　还进行了叶绿素ａ的处理实验（表4）,也同样表明好氧反应器的降解效率（87.4％）远高于缺氧反应器（42.7%）。

表4 好氧、缺氧反应器处理叶绿素-a效果比较
Table 4 Comparison of microcystin removal by oxic and anoxic treatment反应器处理前浓度

（mg/L）

处理24h后浓度

（mg/L）

去除率

（%）

好氧

缺氧

2847.5

2847.5

358.7

1631.5

87.4

42.7

　　2.3 微生物镜检观察 
　　在试验开始后的不同时刻，从批量式反应器中取样在显微镜下进行生物观察，发现到一些有趣现象。好氧反应器的样品在显微镜下，可观察到大量草履虫的存在，并且清晰可见草履虫以很快的速度吞食蓝藻，草履虫也吞食细菌和颤体虫（后生动物）的分泌物，颤体虫的分泌物是其吞食蓝藻后尚未被完全消化，分泌物颜色仍为蓝绿色，明显含有大量叶绿素。而这种含有叶绿素的分泌物仍可被草履虫所利用。草履虫吞食蓝藻后，其分泌物也是蓝绿色，说明也含有叶绿素，且可能藻毒素降解也不会十分彻底。这些分泌物进而被细菌利用分解。
　　多次观察和对比实验结果表明反应器中草履虫多时，蓝藻和藻毒素去除效果好。这一发现对于解释含藻水处理的机制有积极意义，但仍需做进一步的研究加以确认。 
　　这些观察现象尚需进一步的研究加以确认证实，但可以得到的初步结论是以草履虫为主的微生物链可以很好解释蓝藻及其毒素的降解途径。

　　3 结论

　　好氧反应器降解蓝藻和藻毒素远比缺氧反应器有效，这一成果对于选择富营养化水处理工艺有重要参考价值。
　　在好氧状态下，维持大量草履虫吞食蓝藻对蓝藻和藻毒素降解起重要作用。而同时共生的细菌也是分解藻毒素不可少的一个环节。

　　参考文献

　　1. 王红兵, 朱惠刚. 淡水浮游藻类污染及其毒性. 上海环境科学，1995,14(8）:3841 
　　2. T.W. Lambedt, et al. Microcystin class of toxins : health effects and safety of drinking water supplies. Environ. Rev.,1994,2:167185 
　　3. 稻森悠平, 秋元里乃.生物膜の有用微生物にょゐァォコの分解高度净化. 水环境学会志，1994,17(9) 
　　4. xiwu Lu, Yuhei Inamori and Guoji Ding. Degradation mechanism of Cyanobacteria and Its Toxins under Biological Process. Proceedings of 32^nd Conference of Japan Society on Water Environment, March 1618, 1998, Chiba, Japan