1、第 9 卷第 2 期2000 年 5 月长江流域资源与环境Resources and Environment in the Yangtze BasinVol. 9 No. 2May 2000文章编号 :100428227 (2000) 0220242206人工湿地系统去除藻毒素研究 X吴振斌 ,陈辉蓉 XX ,雷腊梅 ,宋立荣 ,付贵萍 ,金建明 ,贺 锋 ,何振荣(中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室 ,武汉 430072)摘 要 :以含水华的鱼塘水作为进水灌溉两套上行流 - 下行流人工湿地系统 ,系统内种植芦苇等水生植物。灌溉一周后收集人工湿地进出水水样 ,用 HPLC
2、 法检测其藻毒素含量 ,结合温度、电位、溶氧等理化指标和细菌、藻类数量的变化 ,分析人工湿地系统对藻毒素的去除效果及影响其效果的可能因素。结果表明 ,人工湿地系统对藻毒素有一定的去除作用 ,对藻毒素含量 0. 117 g/ L 的进水 ,两套系统去除率分别为 68. 5 %和 34. 6 % ,芦苇 - 水葱组合的湿地系统去除效果优于茭白 - 石菖蒲组合的湿地系统。在三种主要藻毒素 RR、 YR、 L R 中 ,湿地对 YR 的去除效果最好 ,湿地出水中浓度降至检测限以下。基质的吸附和细菌的降解作用是去除藻毒素的主要机制 ,后者与湿地系统的电位、细菌活动有密切关系。关键词 :人工湿地 ;藻毒素
3、 ;去除率文献标识码 :A随着城市工业化进程加快 ,环境污染日益加剧 , 自然界的许多水体趋向富营养化 ,部分出现了水华。构成水华的藻类主要为蓝藻 ( Cyanophyceae) ,在其过度繁殖时 ,不仅会造成水味腥臭 ,透明度下降 ,消耗水体溶解氧 ,影响水体美观和水生生物生长 ,而且蓝藻中的微囊藻属( M icrocystis) 、颤藻属 ( Oscillatoria) 、鱼腥藻属 ( A nabaena) 、念珠藻属 ( Nostoc) 等许多藻类能释放微囊藻毒素 ( M icrocystins , MCs) ,危害人体健康。许多大中型城市的湖泊、水库为居民饮用水的主要来源 ,水体的富营
4、养化使自来水厂处理成本上升 ,也日益严重地影响着城镇居民饮用水的质量 1 3 。人工湿地是近年来发展起来的一种污水处理方法 ,利用人工构筑的类似自然湿地系统中基质、植物、微生物的作用 ,去除污水中的有机物及其他污染物 4 ,5 。传统人工湿地多为单一垂直流、表面流或潜流 5 ,6 ,本研究中的人 工湿地为上行流 - 下行流 ,能充分利用湿地表面积 ,减少停留时间 ,提高处理污水效率。本次实验以含蓝藻水华的城郊鱼塘水为进水 ,通过人工湿地处理 ,检测进出水中藻毒素含量的变化 ,以及理化指标、细菌及藻类含量 ,了解人工湿地对水体中藻毒素的去除效应。1 材料和方法1. 1 人工湿地湿地系统为 12个
5、并联的水泥池 ,每个小池又由 1 m 1 m的两池串联。系统底部 15cmXXX 通讯联系人收稿日期 :1999 - 06 - 21 ;修回日期 :1999 - 10 - 26基金项目 :国家杰出青年科学基金项目 (项目号 39925007) ,欧盟国际科技合作项目 (合同号 ERBIC18CT960059) 及国家自然科学基金 (项目号 39730380)资助 ,协助参加工作的还有夏宜 王 争 ,刘永定及 Wolfgang Grosse 教授 ,任明迅 , 邓家齐 ,邱东茹 ,沈强 ,詹发萃 ,况琪军等 . 特此致谢 .作者简介 :吴振斌 (1956 ) ,男 ,研究员 ,博士生导师 199
6、5-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.为直径 40 80 mm 的石头 ,上部为粒径 0 4 mm 的细沙。其中第一池沙深 55 cm , 第二池沙深 45 cm。系统管网直径为 70 mm 的 PVC 管。第一池中表面中央为一根上半面截除的布水图 1 人工湿地系统结构示意图Fig. 1 A schematic diagram of the constructed wetland system管 ,下钻小孔 (直径 6 mm) ;第二池填料表面为“ H”型收集管 ,下钻小孔。底部为钻有小孔的“ H
7、”型排空管 ,结构见图 1。第一池为下行流 ,第二池为上行流 ,间歇式进水 ,便于充分利用湿地表面积。各池栽培不同种水生植物。植物的选择 ,以武汉地区及亚热带区域较典型的水生、湿生 ,根系发达 ,生物量较大 ,多年生的植物为原则。本次实验取两套植物粗大、秋季生长良好的系统作为实验样本 ,植物组合如表 1 所示。表 1 人工湿地试验系统植物组合Tab 1 The plant composition in the constructed wetland systems池一 池二1 号 芦苇 Phragmites aust ralis 水葱 Schoenoplect us sp.2 号 茭白 Ziz
8、ania latif olia 石菖蒲 Acorus tartari nowii1. 2 水样实验中含水华的水样采自东湖附近鱼塘 ,经一预处理池储存沉淀数小时后作为进水灌溉人工湿地 ,每日进水 3 次 ,水力负荷 400 L ,停留时间 15 h。连续灌溉含水华塘水一周后 ,于1998 年 11 月 4 日取进水和出水测定其中藻毒素含量 ,细菌及藻类数量以及温度、电导、电位等理化常数。1. 3 藻毒素含量的测定样品制备 :参照文献方法 6 ,7 取进水 4 L ,按 5 %比例加入醋酸 ,静置沉淀一夜后 ,取上清液4 L ,用 GF/ C 玻璃纤维滤膜 ( Whatman , 55 mm (
9、“) 过滤 ,滤液过 Chromabond C18 柱 ,重复一次 ,以 20 %甲醇洗杂质 ,纯甲醇洗脱 ,洗脱液过 Chromabond SiOH 柱纯化 ,重复二次。由 10 mlTFA - 甲醇溶液洗脱 ,浓缩液用于 HPLC 测定藻毒素含量。所用仪器及测定条件为 :仪器 :SHIMADZU (岛津 )高效液相色谱仪。层析柱 (LC10) :Shin - pack CLC - ODS ,柱径 :0. 15 m 6. 0 mm “.条件 :柱温 ( T) :40 。流速 ( F) :1. 0 mL/ min.检测波长 :238 nm。流动相 :0. 05 M KH2PO4 (p H3)
10、/ MeOH(40 :60) 。进样量 :10 L 。微囊藻毒素标样 RR , YR ,L R ,日本关东株式会社出品 ,批号 711S1927 ,浓度 :10 mg/ L 溶于 20 %(体积比 )甲醇。1. 4 细菌 、藻类数目的测定342第 2 期 吴振斌等 :人工湿地系统去除藻毒素研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.水样中异养细菌总数由平板计数法测定 ,总大肠菌群、粪大肠菌数用多管发酵法 ,藻类计数用计数框测定。以上各种指标的测试方法均按国家环保局编制的水和废水监测分析方法进
11、行 8 。1. 5 理化常数的测定仪器测定水样理化常数 (Cole Parmer 60648 型笔式电导仪、电位仪 ,UC - 12 型便携式溶氧仪 ) 。2 结果2. 1 进出水中微囊藻毒素的变化及去除率进水水样中 ,三种藻毒素均有存在 ,总含量达到 0. 117 g/ L 。经过人工湿地系统处理 ,出水中的藻毒素大大降低 ,1、 2 号系统出水藻毒素总含量分别为 0. 036 9、 0. 076 4 g/ L ,去除率为 68. 5 %和 34. 6 %。三种藻毒素中 ,以 RR 含量最高 ,为主要组分。 YR 在进水中含 0. 029 g/ L ,约为 RR 含量的一半 ,高于 L R
12、的含量 (0. 022 7 g/ L) ,但在出水中含量降低到检测限以下。 L R 在 1 号和 2 号系统出水中仍有检出 ,含量分别为 0. 005 9 g/ L 和 0. 011 5 g/ L ,见表2。藻毒素在不同湿地系统中以及不同的藻毒素在湿地系统中去除效果均显示了一定的差异。表 2 人工湿地系统进出水藻毒素含量Tab. 2 Microcystin levels in the inflow and outflow of the constructed wetland systems藻毒素含量 ( g/ L) 进水 系统 1 系统 2RR 0. 065 6 0. 031 0 0. 065
13、YR 0. 029 痕量 痕量L R 0. 022 7 0. 005 9 0. 011 5总含量 0. 117 0. 036 9 0. 076 42. 2 人工湿地去除细菌及藻类效果进水水华水样中 ,主要类群为绿球藻目种类 ,集星藻、栅藻、球藻、盘藻、角星藻等 ;蓝藻有微囊藻、螺旋藻、束丝藻等。其他种类有卵隐藻、裸藻等。两套人工湿地系统出水的细菌总数和藻类数量均比进水有极大的降低 , 2 号系统对细菌总数的去除率接近 100 % ,但出水中含有比 1 号多的大肠杆菌和粪大肠杆菌。对藻类的去除率 ,两系统都达到 90 %以上。见表 3 与图 2。图 2 人工湿地系统对微生物的去除率Fig. 2
14、The removal rates of the plots on the Microorganism(1 :细菌总数 ,2 :大肠杆菌数 ,3 :粪大肠杆菌数 ,4 :藻类总数 )表 3 人工湿地进出水细菌及藻类数量变化Tab. 3 The Microorganism in the inflow andoutflow of the constructed wetland细菌总数(104/ mL)大肠杆菌数(104/ L)粪大肠杆菌数(104/ L)藻类总数(104/ mL)进水 870. 00 4. 6 2. 4 9 140系统 1 出水 1. 00 0. 23 0. 09 813系统 2
15、出水 0. 32 1. 50 0. 75 510442 长江流域资源与环境 第 9 卷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.2. 3 理化因子的变化表 4 人工湿地进出水部分理化因子变化Tab. 4 The parameters of the inflow and outflow of the constructed wetland溶氧 (mg/ L) 电位 (mV) 电导 ( s/ cm)进水 2. 9 37 2901 号 2. 1 - 55 3502 号 2. 9 45 340从各系统
16、的电位及溶氧的差异可以看出 1 号系统电位为负值 ,溶氧较低 ,处厌氧状态。 2号系统有较高的溶氧和电位 ,处于好氧状态。表 4 中可见 2 号出水中细菌总数较 1 号为低 ,说明 2 号湿地系统中的细菌活动较弱。湿地中微生物的分解活动是湿地净化效果的重要影响因素 , 从以上几个指标的比较 ,可以认为 2 号去除藻毒素的效果较差与其细菌活动有关 ,而且可能主要与厌氧细菌的活动受抑有关。3 讨论微囊藻毒素为环状多肽 ,结构通式 :环 (D - 丙氨酸 - L - X - D - 赤 - ( - 甲基天冬氨酸 -L - Z - Adda - D - 异谷氨酸 - N - 甲基脱氢丙氨酸 ) ,其中
17、 Adda 为一特殊的 20 个碳原子的氨基酸。藻毒素主要的结构特征为 N - 甲基脱氢丙氨酸及两个 L - 氨基酸残基 X 和 Z ,根据1988 年制定的微囊藻毒素定名法规定 ,X ,Z 二残基的不同组合由代表氨基酸的字母后缀区分。常见的 L R ,RR , YR 三种毒素 ,L ,R , Y分别代表亮氨酸 ,精氨酸 ,酪氨酸。已证实微囊藻毒素是一种肝毒素 ,能抑制蛋白质磷酸酯酶 ,从而帮助解除对细胞增殖的正常的制动作用 ,促进肿瘤的发育。微囊藻毒素虽然主要存在于藻细胞中 ,但研究表明藻细胞死亡解体后 ,不断有藻毒素释放到水体 ,对人类的饮用水源造成危害 ,已证明某些地区的肝癌高发率与饮用
18、水源中的水华大量发生有关 2 ,3 ,9 ,10 ,15 。这一情况给现有的城镇污水处理系统提出了新的要求。对于水中藻毒素的去除 ,传统的处理方法为絮凝 - 过滤 - 漂白氯化 ,不能达到较好的去除效果且不够稳定。国外研究者试用了其他多种方法 ,如活性炭法 ,漂白粉法 ,臭氧氧化法等 ,以臭氧和活性炭相结合的方法去除效果最好 ,但在具体操作上存在一些实际问题 ,如活性炭的来源及形态 (颗粒状或粉状 ) 、用量的多少难以确定 ,大量活性炭的使用造成处理成本的提高 ,需要对原有的污水处理厂进行较大改造等 11 ,12 。考虑到目前多数用作饮用水水源的城市水体中仅含有少量的微囊藻毒素 ( 0. 1
19、g/ L) ,降低水中的 COD、 BOD 及氮磷等营养元素仍为污水处理的主要任务。切实可行的措施是在已有的污水处理系统中选择去除藻毒素效果好的系统 ,或在已有系统的基础上作一定的技术改进以达到去除水中少量藻毒素的目的。人工湿地作为一种高生产力的新型污水处理系统 ,通过湿地中基质、植物和微生物相互关联 ,物理、化学、生物学过程协同作用净化污水 ,对于处理城镇生活污水中的氮、磷等营养元素及细菌、藻类有良好的效果 4 ,5 ,13 ,14 。湿地中的沙石基质具有类似于活性炭的吸附作用 ,植物根区附近形成的生物膜有絮凝作用 ,湿地中丰富的微生物可将藻毒素降解。因此对城镇富营养化水体中含有的少量藻毒素
20、 ,在经过人工湿地处理后 ,可以使出水中的藻毒素水平大大降低 ,不至于对居民的身体健康造成危害。本试验利用人工湿地作为促使水体毒素降解的潜在手段 ,试验证明经湿地处理后的出水 ,542第 2 期 吴振斌等 :人工湿地系统去除藻毒素研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.各种藻毒素含量均有不同程度的下降。各系统比较 ,出水藻类总数较少的 2 号系统 ,藻毒素含量高于 1 号 ,藻类数目的多少不代表毒素含量的高低 ,这是因为进水中藻类种类和数目虽多 ,分泌藻毒素的只是有限的几个类群 1 ,6
21、 。从细菌的检测结果可以看出 ,2 号出水中大肠杆菌数和粪大肠杆菌数均高于 1 号 ,但高溶氧和电位抑制了厌氧细菌的活动 ,细菌总数较少 ,细菌对藻毒素的降解作用不如 1 号系统 ,从而造成出水藻毒素浓度较高。细菌的种类和活性直接影响着对藻毒素的降解作用 16 ,构成去除藻毒素的主要机制。对于藻毒素在湿地中的分解去向 ,湿地中植物根系微环境和沙石在去除藻毒素过程中的作用等具体问题还需要进一步探讨。人工湿地对于城镇污水中的有机污染物的去除效果 ,已为大量的试验及实践所证实 ,但将人工湿地应用于处理含微囊藻毒素的富营养化水体 ,至今还未见报道。本试验在这方面作了初步尝试 ,以含水华的城郊鱼塘水作为
22、人工湿地进水 ,经一周的连续灌溉 ,湿地系统出水的藻毒素含量与进水相比有较大降低 ,显示了较好的去除效果。人工湿地对藻毒素的去除效应如能得到进一步研究和应用 ,将对城镇污水处理提供新的途径和思路。进一步的有关试验结果将陆续报导。参考文献 :1 Falcooner I R. Measurement of toxins from blue - green algae in water and foodstuffs A . In : Falcooner I R.(ed. ) Algaltoxins in seafood and drinking water C . London : Academic
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32、a2mei ,SON G Li2rong ,FU Gui2ping ,J IN Jian2ming ,HE Feng ,HE Zheng2rong(State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology , Institute of Hydrobiology , The Chinese Academy of Sciences ,Wuhan 430072 ,China) Abstract : Two sets of downflow - upflow constructed wetland systems planted with
33、 differentmacrophytes were irrigated by water with algae bloom for one week. The inflow and outflow ofthe constructed wetlands were collected to study the removal efficiency of microcystins of the con2structed wetland. The content of microcystins were tested by HPLC ; the values of temperature ,cond
34、uctivity and dissolved oxygen were also determined ,as well as the content of microcystins andmicroorganism in the water sample. Results showed that the two constructed wetland systemscould reduce the microcystins in the inflow with the removal rates of 68. 5 % and 34. 6 % respec2tively. The removal
35、 efficiency of the wetland planted with Phragmites aust ralis and Schoenoplec2t us sp. were better than the wetland planted with Ziz ania latif olia and A corus tartarinow ii . A2mong the three kinds of microcystins ( RR , YR and L R) , the YR is best removed by the con2structed wetlands ;its conten
36、t dropped to lower than the test limit . Sorbing by the substrate anddegrading by the microbes were the two main processes of the microcystins removal in construct2ed wetland , and the microbial process , being largely affected by the conductivity and bacteria ac2tivity in the wetland ,is more important .Key words :constructed wetland ;microcystins ;removal efficiency742第 2 期 吴振斌等 :人工湿地系统去除藻毒素研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.