饮用水处理中的微囊藻毒素控制技术

饮用水处理中的微囊藻毒素控制技术

后志

武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430021

摘要：随着全球变暖的加剧以及工农业的不断发展，我国的水体富营养化现象已经十分普遍。藻类在富营养化的湖泊、水库、河流中大量繁殖形成水华，不仅影响水体的景观作用，严重时导致水生动物死亡，形成黑臭水体危及饮用水安全。

本文从物理、化学、生物方法三个方面分别总结了当前的微囊藻毒素控制技术。研究表明，常规处理工艺不能有效去除水中的微囊藻毒素。物理方法虽然对藻毒素有着较好的去除效果，但是活性炭的吸附再生以及纳滤、反渗透膜的高昂成本均阻碍了该技术的大规模应用。相比之下，化学方法虽然有着副产物等问题，却在当前应用较为普遍，臭氧-活性炭是目前对藻毒素去除效果最好，应用最广泛的技术。此外，生物法由于操作简单，运行成本低廉，也有着很大的发展前景。

关键词：富营养化，微囊藻毒素，水处理

1引言

水体富营养化所导致的水华频频爆发是目前全球所面临的重大水环境问题之一。水华不仅会产生异臭味，造成水体透明度与溶解氧含量下降，破坏水域生态系统平衡，还会提高饮用水处理难度，增加供水成本。更严重的危害是部分藻类细胞破裂或死亡后会释放有毒次级代谢产物——藻毒素，从而直接危害到水环境与人类健康[1]。蓝藻毒素种类较多，依据结构与作用靶器官，可划分为肝毒素、神经毒素、细胞毒素、皮肤毒素和刺激性毒素，微囊藻毒素（MCs）是一种来源于蓝藻微囊藻、鱼腥藻、颤藻和念珠藻等种属的肝毒素。

在我国，太湖、巢湖和滇池等地数10年来饱受水华问题的困扰，周边水厂、企业损失惨重，为此国家政府已投入数以千亿的治理资金却收效甚微。同时，周围居民将不得不面对更为严重的水质安全威胁[2]。

2藻毒素的来源及结构

微囊藻毒素(MCs)是淡水水体中出现频率最高、分布最广、造成危害最严重的一类具有强烈肝毒性的环肽毒素[3]。MCs是蓝藻的次生代谢产物,其通过非核糖体途径在细胞内合成,并在细胞破裂释放后表现出毒性[4]。光照、营养盐、微量元素、盐度、温度、pH等环境因素均能影响MCs的产生。

3.毒性及毒性机制

目前已确定的MCs的同分异构体已有100多种,其主要作用于肝脏,有关其在生物体体内及体外的肝毒性研究最为详尽。动物体的肾脏是MCs作用的另一重要靶器官,其在MCs的代谢和排泄中起着重要的作用,MCs通过与肝细胞类似的转运机制被转运至肾小管细胞内,从而对肾脏造成损伤[5]。MCs具有显著的生殖及胚胎发育毒性。雌、雄青鳉鱼30d低剂量暴露实验显示,MC-LR 能够造成雄鱼的睾丸损伤,在细精管出现大面积的溶解性区域,指示趋向凋亡的异常细胞增殖过程有所增加。MC-LR同时对卵巢有明显的影响,特别是使性腺组织萎缩,降低卵黄含量[5]。

4微囊藻毒素控制技术

常规水处理工艺对MCs的去除是非常有限的。混凝-沉淀-过滤-消毒流程仅能去除少量毒素，去除率较低，一般在50%以下。有时还会因投加化学药剂，如CuSO4等造成藻细胞裂解，毒素释放，导致藻毒素含量升高的情况。

常用的有物理、化学、生物法，其中物理法有活性炭法、膜处理法，活性炭主要通过吸附和生物降解去除水环境中MCs；膜技术是利用离子交换膜或有机高分子合成膜组成的技术，依据膜孔径的不同,可分为微滤、超滤、纳滤和反渗透[6]。化学法有化学氧化法，化学氧化法就是通过氧化剂通过失去电子对目标物进行氧化的方法，在饮用水处理中应用十分广泛，一般采用Cl2，O3，KMnO4和ClO2等氧化剂；近年来，半导体光催化剂为核心的多相光催化氧化处理技术因其无二次污染，对污染物去除彻底，安全稳定，成本较低等优点，已经被公认是最有前景的绿色环境净化技术之一[7]。其中，利用半导体粉末光催化降解水中MC的研究也取得了一定进展。人们在研究藻毒素去除方法时发现，天然水体中的生物相（某些细菌）对藻毒素的去除发挥着重要作用，由此降解MCs的一个重要途径—生物法也逐渐发展起来。有学者发现MC-LR经生物降解后其Adda侧链的共轭双键被破坏，从而证明Adda侧链是生物降解的攻击靶位，正是由于其结构的变化才导致MC-LR毒性的降低或丧失。

总结：

日趋严重的富营养化污染已经导致我国成为蓝藻水华频发的地区,蓝藻水华衍生污染物微囊藻毒素的污染已成为全球性环境问题,其对自然界中的多种生物有着严重的毒性作用。本文按照物理、化学、生物三个方面总结了当前的MCs控制技术，物理法去除藻毒素不破坏毒素结构，因此不需考虑副产物的生成，去除效果较好，但对截留或吸附后藻毒素的处置应高度重视，这类技术的应用必须采取安全严密的监控措施，以确保能达到预期的效果。化学氧化法对水中藻毒素的去除率一般可达到90%以上。但化学法都存在一定的局限性，还需考虑副产物的潜在危害。臭氧氧化是当前最有效且能够运用到工程中的控制方法，具有去除率高、矿化完全，副产物少的特点。生物法安全简便，无须特殊的设备，投资较少，去除率一般可达到90%以上，有望在饮用水的处理中得到广泛的应用。

展望

目前饮用水MCs控制技术已取得阶段性的成果，但是仍在存在诸多问题有待进一步的研究，建议未来的研究工作在以下几方面展开：

① 目前工程中运用最普遍时去除技术是臭氧氧化以及臭氧与其他工艺的联用工艺，对于西南地区广泛存在的小型水厂很难运用。因此，开发一种广泛适用于中小型给水厂的MCs控制技术是现在亟待解决的一个难题。

②在深入研究MCs微观致毒机理的基础上,加强指示蓝藻水华污染的相关分子标志物研究,以期筛选出可用于湖泊生态安全的早期诊断指标体系和分子水平上的安全阈值。

参考文献：

[1] 马健荣,邓建明,秦伯强,等.湖泊蓝藻水华发生机理研究进展[J].生态学报,2013,33(10):3020-3030.

[2] 谢平.微囊藻毒素对人类健康影响相关研究的回顾[J].湖泊学,2009,21(5):603-613.

[3] 谢平.蓝藻水华及其次生危害[J].水生态学杂志,2015,36(4):1-13.

[4] 陈刚,俞顺章,卫国荣,等.肝癌高发区不同饮用水类型中微囊藻毒素含量调查[J].中华预防

[5] Trinchet I, Djediat C, Huet H, et al. Pathological modifications following sub-chronic exposure of medaka fish (Oryzias latipes ) to microcystin-LR [ J ]. Reproductive Toxicology, 2011, 32: 329-340

[6] 赵勇, 李伟英, 张明, et al. 超滤膜对水中微囊藻毒素去除机理及影响因素研究[J]. 工业水处理, 2010, 30(4):26-29.

[7] 李响, 寻昊, 赵梦, et al. 粉末活性炭-超滤膜组合工艺去除水体中藻类及微囊藻毒素[J]. 净水技术, 2017(2):62-68.

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