超聲波技術(shù)預(yù)防性抑制藍(lán)藻水華的研究

范功端，林 茜，陳麗茹，林茹晶，蘇昭越，陳 薇

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院,福建福州 350108)

超聲波技術(shù)預(yù)防性抑制藍(lán)藻水華的研究

范功端，林 茜，陳麗茹，林茹晶，蘇昭越，陳 薇

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院,福建福州 350108)

指出傳統(tǒng)的藍(lán)藻水華治理方法中存在的問(wèn)題：大規(guī)模地殺滅藍(lán)藻,造成大量藻細(xì)胞破裂,細(xì)胞內(nèi)藻毒素等有害分泌物釋放到水中,引發(fā)二次污染。介紹藍(lán)藻水華的預(yù)防性調(diào)控方法,即在水體形成水華前,通過(guò)抑制藍(lán)藻細(xì)胞生長(zhǎng),將其藻類生物量始終控制在一定水平以下,避免藍(lán)藻水華的暴發(fā)。綜述了超聲參數(shù)對(duì)除藻抑藻效果的影響,以及超聲對(duì)藻細(xì)胞生理系統(tǒng)的影響,探討超聲除藻抑藻的機(jī)理,并針對(duì)以往研究存在的不足,對(duì)后續(xù)研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望。

超聲波技術(shù)；預(yù)防性抑制；藍(lán)藻水華；銅綠微囊藻

藍(lán)藻水華(Cyanobacterial bloom)指在溫度、光照、營(yíng)養(yǎng)鹽適宜的條件下,表層水體中藍(lán)藻急劇增長(zhǎng)而成為優(yōu)勢(shì)種的現(xiàn)象[1]。具有浮力或運(yùn)動(dòng)能力的藍(lán)藻在水面聚集、形成浮渣的現(xiàn)象被稱為表層水華(surface bloom),人們所稱的藍(lán)藻水華通常指表層水華,常發(fā)生在富營(yíng)養(yǎng)化水體中[2]。形成表層水華的藍(lán)藻是具有偽空泡、可形成高生物量的物種,典型藻種有銅綠微囊藻、魚腥藻和束絲藻等。

藍(lán)藻水華已成為世界性的環(huán)境問(wèn)題,我國(guó)藍(lán)藻水華問(wèn)題也日趨嚴(yán)重,各類水體頻頻發(fā)生藍(lán)藻水華問(wèn)題,包括大型湖泊、城市供水水庫(kù)、城市景觀湖與城市河道等。水體發(fā)生藍(lán)藻水華會(huì)引起生態(tài)系統(tǒng)失衡,造成魚類等水生生物的大量死亡[3]。有些藻類產(chǎn)生的有害代謝物,如土腥素、硫醇、吲哚、胺類、酮類、藻毒素等,不僅使水體產(chǎn)生異味,還可能通過(guò)食物鏈威脅人類健康,致使人體患上各種疾病,如皮膚病、胃腸疾病、肺炎及肝癌等[4]。若飲用水源出現(xiàn)藍(lán)藻水華,則會(huì)影響凈水廠的運(yùn)行管理與供水安全[5]。如今,防治藍(lán)藻水華已成為世界性的熱點(diǎn)、難點(diǎn)和前沿問(wèn)題。

1 藍(lán)藻水華防治新思路

1.1 傳統(tǒng)的應(yīng)急處理思路

藍(lán)藻水華的根治措施是減少外源性營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入量,降低水體中氮鹽、磷、鹽的含量,使藻類缺失必要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而無(wú)法大量繁殖[6],常采用截污、換水、曝氣混合以及底泥疏浚等措施,但這些措施只能在短期內(nèi)控制水體氮磷負(fù)荷。以往所采用的物理、化學(xué)和生物等方法大多遵循應(yīng)急處理思路(圖1),即大規(guī)模地殺滅藍(lán)藻,造成大量藻細(xì)胞破裂,使細(xì)胞內(nèi)容物釋放到水中,部分藻類還會(huì)釋放藻毒素,導(dǎo)致水體二次污染。這些應(yīng)急處理方法有效期短,難以徹底清除藍(lán)藻種源,藍(lán)藻水華可能再次發(fā)生。凈水廠常采用投加強(qiáng)氧化劑或增設(shè)除藻工藝應(yīng)對(duì)藍(lán)藻水華,如化學(xué)預(yù)氧化法、混凝劑法和氣浮法等。這些方法同樣可能造成藻類大量死亡,且復(fù)雜的工藝增加了制水成本。

圖1 藍(lán)藻水華的水廠處理和應(yīng)急處理思路

1.2 預(yù)防性調(diào)控方法

針對(duì)上述方法的弊端,提出了藍(lán)藻水華的預(yù)防性調(diào)控方法(圖2)。預(yù)防性調(diào)控方法指在藍(lán)藻水華形成之前,通過(guò)抑制藍(lán)藻細(xì)胞生長(zhǎng),將其生物量始終控制在一定水平以下,就可避免藍(lán)藻水華的暴發(fā)[7],同時(shí)也能避免二次污染等不利影響,降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),減少治理成本。

超聲波技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型環(huán)境技術(shù),在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。利用超聲產(chǎn)生的空化作用、自由基效應(yīng)等可去除水中三鹵甲烷前體物、消毒后形成的消毒副產(chǎn)物、持久性有機(jī)污染物、內(nèi)分泌干擾物、藻毒素、有害藻華和有毒有害的難降解有機(jī)物等。超聲波技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):操作和控制相對(duì)容易,在處理中不引入其他的化學(xué)物質(zhì),反應(yīng)條件溫和,反應(yīng)速度較快,安全、經(jīng)濟(jì)等,被稱為

圖2 藍(lán)藻水華的預(yù)防性調(diào)控方法

“環(huán)境友好技術(shù)”[8],可作為藍(lán)藻水華的預(yù)防性調(diào)控技術(shù)。

2 超聲除藻抑藻技術(shù)研究現(xiàn)狀

超聲應(yīng)用于除藻、抑藻的研究集中在近10多年里,主要關(guān)注超聲控制參數(shù)、除藻效果以及作用機(jī)理研究。2000年以來(lái),日本學(xué)者[9]和韓國(guó)學(xué)者[10-11]陸續(xù)發(fā)表論文,探討把超聲作為一種直接凈化技術(shù)應(yīng)用于自然水體,利用超聲抑制水庫(kù)、湖泊等緩流水體中藍(lán)藻水華的暴發(fā)。2003年后,我國(guó)的湯嬌雯[12]、郝紅偉[13-14]、張光明[15-17]等學(xué)者也相繼開展了超聲除藻抑藻的相關(guān)研究,超聲除藻技術(shù)有了進(jìn)一步的發(fā)展。

2.1 超聲參數(shù)對(duì)除藻抑藻效果的影響

2.1.1 超聲頻率

頻率是一個(gè)重要的超聲參數(shù),因?yàn)榭栈撆c空化泡(cavity bubble)直徑取決于超聲頻率[18]。游離氣泡的共振頻率可以通過(guò)以下公式來(lái)估算[19]:

式中:f為超聲頻率；γ為在恒定壓力下的氣體的熱容量和體積之比；a為氣泡的半徑；p0為環(huán)境壓力；ρ為周圍介質(zhì)的密度；σ為周圍介質(zhì)的表面張力,常忽略不計(jì)。

Petrier等[20]在實(shí)驗(yàn)研究超聲降解苯酚速度時(shí)發(fā)現(xiàn),200 kHz超聲的降解速度是20 kHz的9.8倍。因此,探索最佳的超聲頻率具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。碘量法檢測(cè)結(jié)果表明,在較低頻率范圍內(nèi)(21.5～84.4 kHz),頻率越低,功率越大(40～1200W),空化作用的強(qiáng)度越大[21],藻細(xì)胞的葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度越弱,表明細(xì)胞光合活性越差。頻率越大,產(chǎn)生空化泡所需要的功率強(qiáng)度越大。

特定頻率超聲對(duì)藻類作用具有選擇性,超聲除藻抑藻實(shí)驗(yàn)得到的最佳頻率值差異很大,如580 kHz[22]、150 kHz[23]、1.7 MHz[12-13]、200 kHz[16]、80 kHz[17-24]等,目前超聲的頻率還未有確定的數(shù)值或范圍。部分研究選用超聲頻率值時(shí),只關(guān)注超聲對(duì)藻類的去除效果,未考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)的限制,實(shí)驗(yàn)所采用的高頻超聲難以應(yīng)用在實(shí)際中,因?yàn)槌曨l率越高,其在水體中衰減越快,有效作用范圍越小(僅幾厘米),因此,建議采用頻率相對(duì)較低(20～200kHz)的超聲波。

2.1.2 超聲功率

能耗是考察超聲處理效能的指標(biāo)之一,而且對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的超聲設(shè)備,若超聲頻率不同,功率一般也不同,因此比較不同超聲頻率作用效果時(shí),還應(yīng)該考慮到超聲功率的影響。功率越大(32～80W),反應(yīng)速度越快,所需的處理時(shí)間越短,因此消耗的能量越少[17]。以生物減少量為評(píng)價(jià)指標(biāo)與以效率(效率為去除率與功率密度的比值[22])為評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的最佳頻率是不同的[25],效率決定的最優(yōu)超聲參數(shù)考慮了經(jīng)濟(jì)性。

通常采用功率密度衡量超聲作用強(qiáng)度,功率密度指單位體積介質(zhì)輸送的功率,單位為W/L,kW/L或W/mL。Rajasekhar等[26]以效率評(píng)估作用效果時(shí)認(rèn)為:超聲功率密度越大,對(duì)藻類的抑制作用越顯著。在一定的功率范圍內(nèi)(0～80W),隨著功率的增加,空化作用存在飽和現(xiàn)象,當(dāng)功率超過(guò)一定值時(shí),抑藻效果就沒(méi)有明顯提升[14]。Wu等[25]分析認(rèn)為:功率越大,覆蓋在傳感器表面的空化泡就越多,超聲穿透氣泡后的強(qiáng)度衰減越大,更多的聲能轉(zhuǎn)化為熱能,則藍(lán)藻的生長(zhǎng)抑制效果逐漸趨于穩(wěn)定,因此,頻率相同時(shí),超聲處理銅綠微囊藻時(shí)存在最佳功率值。

考慮到高強(qiáng)度超聲能耗大,超聲強(qiáng)度過(guò)大會(huì)使藻細(xì)胞破碎,使細(xì)胞內(nèi)容物及藻毒素(部分藻類含有藻毒素)釋放到水體中,增加二次污染風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)高強(qiáng)度對(duì)其他水生生物會(huì)產(chǎn)生較大影響。因此,實(shí)際應(yīng)用時(shí)推薦選用低強(qiáng)度超聲。

2.1.3 超聲輻照時(shí)間

輻照時(shí)間是影響除藻效果的重要因素,能反映實(shí)際應(yīng)用時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。Lee等[21]用超聲處理Senba湖泊的藍(lán)綠藻(Blue-Green Algae,BGA)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),超聲處理3 s就能使80%的藻細(xì)胞沉降,時(shí)間延長(zhǎng)至30 s時(shí),藻細(xì)胞幾乎全部沉降。碘量法實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,作用時(shí)間越長(zhǎng),空化作用的強(qiáng)度也會(huì)越大。對(duì)于自然水體藻類,短時(shí)間的超聲作用效果明顯。對(duì)于常見藍(lán)藻銅綠微囊藻,通常采用更長(zhǎng)的超聲處理時(shí)間(0～30min)。特定頻率和功率的超聲,輻照時(shí)間越長(zhǎng),抑制效果越好,藻細(xì)胞懸液濃度下降越快[22],恢復(fù)初始生物量所需的時(shí)間越長(zhǎng),但當(dāng)輻照時(shí)間大于某一值時(shí),作用效果會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,超聲處理前5min的處理效率較高[13,17,26],如果繼續(xù)增加處理時(shí)間,雖然抑藻效果在提升,但是經(jīng)濟(jì)性卻越來(lái)越差。

2.1.4 超聲輻照模式

超聲輸入能量相同時(shí),多頻次、低劑量的輻照模式對(duì)藻類的生長(zhǎng)抑制作用更明顯[11]。超聲對(duì)藻細(xì)胞的作用是有時(shí)效性的,超聲作用后的細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)細(xì)胞體積增大、Chl-a含量增大的應(yīng)激性反應(yīng),細(xì)胞利用自身的修復(fù)能力可實(shí)現(xiàn)再生長(zhǎng),因此在細(xì)胞機(jī)能將要恢復(fù)時(shí),對(duì)細(xì)胞再次施加超聲波,能夠阻斷細(xì)胞繼續(xù)生長(zhǎng)分裂。湯嬌雯等[12]研究超聲對(duì)鈍頂螺旋藻(Spirulina platensis)的作用效果,采用每3 d輻照4 min時(shí),超聲處理后灌類生物量為對(duì)照組的30.1%；而采用每11 d輻照12min時(shí),超聲處理后灌類生物量為對(duì)照組的60%。超聲輻照模式關(guān)系到超聲應(yīng)用時(shí)的操作方式與能量消耗?，F(xiàn)有研究結(jié)果認(rèn)為,相較于單次高劑量的超聲輻照,間歇式、短時(shí)間輻照能得到更好的除藻抑藻效果。

2.2 超聲對(duì)藻細(xì)胞生理系統(tǒng)的影響

2.2.1 藻種與生長(zhǎng)期

不同的藻類,由于藻細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)、形態(tài)的差異性,其對(duì)于超聲作用的響應(yīng)也是不同的。聚球藻(Synechococcus)不含氣囊,超聲輻照后溶液電導(dǎo)率變化微小,而具有氣囊的銅綠微囊藻溶液的電導(dǎo)率急劇增大,藻細(xì)胞的丙二醛(Malondialdehyde,MDA)濃度明顯增大,脂質(zhì)過(guò)氧化作用更明顯[12]。卷曲魚腥藻因?yàn)榻z狀結(jié)構(gòu),相比于銅綠微囊藻和小球藻,更易受超聲破壞,且胞內(nèi)氣囊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比微囊藻弱,相同強(qiáng)度超聲處理后,恢復(fù)初始生物量的時(shí)間較長(zhǎng)[26]。由于小球藻不含氣囊,超聲作用后的細(xì)胞光密度并沒(méi)有明顯低于初始水平。

不同生長(zhǎng)期的藻細(xì)胞,對(duì)超聲作用的抵抗能力不同。Ahn等[10-11]研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于培養(yǎng)模式為4 h/10 h光暗周期的銅綠微囊藻,在光照末期(第13小時(shí)時(shí)),超聲對(duì)銅綠微囊藻的生長(zhǎng)具有最佳抑制效果,原因是大部分銅綠微囊藻在此時(shí)處于分裂階段,藻細(xì)胞抵抗外界刺激的能力較弱。處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的藻細(xì)胞對(duì)超聲的抵抗力比延滯期的藻細(xì)胞強(qiáng),因?yàn)閷?duì)數(shù)期的藻細(xì)胞代謝活性高,可在短期內(nèi)恢復(fù)受到的破壞；而延滯期的藻類細(xì)胞生理活性差,對(duì)外界干擾的抵抗能力弱,細(xì)胞易受到嚴(yán)重?fù)p害[27]。

2.2.2 氣囊

浮游植物藍(lán)藻的典型特征是具有氣囊,氣囊由中空的圓柱形囊泡堆疊而成[28],氣體能夠透過(guò)氣囊膜[29],因此可調(diào)節(jié)細(xì)胞所受到的浮力,調(diào)整細(xì)胞在水柱中的位置,當(dāng)氣囊所受壓力超過(guò)臨界值時(shí),氣囊結(jié)構(gòu)將會(huì)崩塌瓦解,呈扁平狀[30]。Klebahn的錘子、瓶塞和瓶子試驗(yàn)表明,對(duì)藻類懸液施加一定壓力能夠破壞氣囊,使藻類沉降于容器底部。早在1971年,Lehmann等[31]就利用超聲產(chǎn)生的一系列反應(yīng),破壞銅綠微囊藻細(xì)胞內(nèi)的氣囊。流式細(xì)胞儀(flow cytometry,FCM)檢測(cè)能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估氣囊受損與再生的情況,Jong等[32]發(fā)現(xiàn)超聲作用后氣囊破裂的微囊藻呈現(xiàn)出不同的側(cè)向散射圖(side scatter)和熒光光譜,透射電子顯微鏡掃描圖片也顯示藍(lán)藻細(xì)胞的氣囊受損。

當(dāng)超聲頻率較高時(shí),藻類去除速率常數(shù)可以顯著提高[17]。與不含氣囊的聚球藻(Synechococcus)相比,銅綠微囊藻的生物量增量下降了65%,所需的再生時(shí)間也更長(zhǎng),該現(xiàn)象表明共振效應(yīng)影響了含氣囊藻類的生長(zhǎng)[12]。雖然功率只有0.6W/cm2,但實(shí)驗(yàn)超聲頻率較高(1.7MHz),接近計(jì)算得到的含氣囊藻細(xì)胞的特征頻率。Rajasekhar等[26]的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)超聲作用后,含氣囊藻種的生長(zhǎng)受到更明顯的抑制。然而,Walsby等[33]的實(shí)驗(yàn)表明,藍(lán)藻細(xì)胞氣囊的直徑約為67 nm,要求產(chǎn)生共振效應(yīng)的頻率非常大,且氣囊不是球形,因此氣囊的破壞機(jī)理可能不是共振效應(yīng)。

2.2.3 光合作用系統(tǒng)

超聲不僅破壞氣囊,還會(huì)影響藻細(xì)胞光合活性。藻膽體(Phycobilisomes,PBS)是藍(lán)藻主要的天然復(fù)合物,主要由藻膽蛋白組成[34],藻膽蛋白復(fù)合物位于類囊體膜的表面[35]。光能量從藻藍(lán)蛋白(Phycocyanin,PC)轉(zhuǎn)移到別藻藍(lán)蛋白上(Allophycocyanin,APC),然后到核心膜連接多肽(Coremembrane linker polypeptide,LCM),最后傳遞至光合體系I和光合體系Ⅱ中的葉綠素a (Chlorophyll a,Chl-a)[36]。

細(xì)胞葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度能夠反映光合活性強(qiáng)弱。短時(shí)間超聲處理后,綠色擻囊藻(M.viridis)、銅綠微囊藻和取自Senba湖的藍(lán)綠藻的Chl-a濃度下降、葉綠素?zé)晒鉁p弱[21],超聲處理我國(guó)太湖的藍(lán)綠藻也發(fā)現(xiàn)藻樣的Chl-a濃度下降[37]。處理后連續(xù)培養(yǎng)幾日,實(shí)驗(yàn)組的Chl-a濃度始終低于對(duì)照組[13],表明Chl-a合成速率降低,原因可能是氣囊破裂損傷了類囊體膜上與Chl-a合成有關(guān)的酶結(jié)構(gòu),從而影響Chl-a的合成。

超聲作用后,藻細(xì)胞的最大凈光合作用速率降低[16],藻膽蛋白熒光光譜也發(fā)生改變,表現(xiàn)為L(zhǎng)CM (685 nm)熒光減弱,PC(650 nm)和APC(665 nm)熒光增強(qiáng),表明光能量被限制在藻膽蛋白內(nèi),無(wú)法從PBS傳遞到Chl-a,進(jìn)一步的光合作用受到抑制。由于三聚體或六聚體的PC聚合物含有中央空腔[13-14],削弱了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,而Chl-a位于細(xì)胞內(nèi),細(xì)胞膜在一定程度保護(hù)了胞內(nèi)色素免受影響,因此細(xì)胞吸收光譜顯示PC峰下降的比Chl-a明顯。熒光儀掃描結(jié)果顯示665 nm指示的藻膽蛋白熒光峰在超聲處理后減弱,表明細(xì)胞新陳代謝活性受損,FCM檢測(cè)結(jié)果也顯示細(xì)胞活性減弱[32]。

2.2.4 藻毒素

在19世紀(jì)后期,人們就發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻水華會(huì)釋放潛在的致命毒素。常見藻毒素,如肝毒素(Hepatotoxin)、魚腥藻毒素-a(Anatoxin-a)和新石房蛤毒素(Neosaxitoxin),會(huì)致使人體胞外染色體斷裂[38],對(duì)動(dòng)物和人類造成急性與慢性毒害作用[39]。1996年,巴西就發(fā)生首起人類死于微囊藻毒素的事件[40]。超聲輻照引起的空化作用、自由基效應(yīng)等破壞了藍(lán)藻細(xì)胞的細(xì)胞膜/細(xì)胞壁,會(huì)加劇藻毒素的釋放過(guò)程。

通過(guò)控制超聲參數(shù),可以避免藻毒素釋放。用輸入功率1200W、頻率28 kHz的超聲處理銅綠微囊藻后,控制輻照時(shí)間在5min以下時(shí),不會(huì)引起微囊藻毒素-RR(Microcystin-RR)的釋放[21]。功率增大會(huì)增加藻毒素釋放的風(fēng)險(xiǎn),維持低功率更安全,而頻率對(duì)藻毒素的濃度影響不大[17]。超聲作用后,對(duì)藻類持續(xù)培養(yǎng)14 d后發(fā)現(xiàn),超聲處理后的藻毒素僅為對(duì)照組的16%,說(shuō)明超聲雖不會(huì)明顯降低胞外藻毒素的濃度,但能夠抑制藻毒素的釋放[16,41]。隨后的研究發(fā)現(xiàn),超聲能夠降解水體中的藻毒素,超聲功率越大、輻照時(shí)間越長(zhǎng),藻毒素的去除率越高。Zhang等[17]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示一定強(qiáng)度的超聲作用藻細(xì)胞后,輻照時(shí)間越長(zhǎng),藻毒素濃度越小。

上述針對(duì)超聲對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)期、氣囊、光合作用系統(tǒng)、藻毒素釋放的研究,大多只關(guān)注超聲即時(shí)作用效果或短期內(nèi)的影響,較少研究超聲對(duì)藻類的持續(xù)性抑制作用效果。超聲作用后,若培養(yǎng)條件適宜,氣囊可以再生[32],藻細(xì)胞可能恢復(fù)細(xì)胞活性,繼續(xù)其分裂增殖過(guò)程。因此,目前尚不清楚超聲作用的時(shí)效性與實(shí)用性。

2.3 超聲除藻抑藻機(jī)理

超聲對(duì)藻類作用機(jī)理研究的主要結(jié)論為超聲空化作用。超聲波(頻率高于20 kHz的聲波)在水中傳播時(shí),使介質(zhì)產(chǎn)生一系列疏密相間的周期性變形,當(dāng)超聲強(qiáng)度高于介質(zhì)的空化閾時(shí),將引發(fā)超聲空化作用,大量空化泡在短時(shí)間內(nèi)崩潰破裂。在其內(nèi)部和周圍區(qū)域產(chǎn)生100MPa以上的高壓和5 000 K以上的高溫[42]?？栈萜屏阎饕馂闄C(jī)械作用和化學(xué)作用。機(jī)械作用指高速微射流和強(qiáng)烈的沖擊波,化學(xué)作用指高溫高壓環(huán)境使水分子降解生成自由基(·OH)[43]。這些作用能破壞藍(lán)藻細(xì)胞結(jié)構(gòu),抑制藻細(xì)胞分裂增殖,達(dá)到治理藍(lán)藻水華的目的[42]。

Broekman等[44]指出超聲空化作用產(chǎn)生的高溫、高壓環(huán)境,可使藻類等生物體進(jìn)入程序性細(xì)胞死亡過(guò)程(programmed cell death,PCD),從而控制藻類的生長(zhǎng)。郝宏偉等[13-14]研究認(rèn)為超聲對(duì)藻類的抑制作用主要由空化作用引起,200 kHz是抑制藍(lán)藻生長(zhǎng)的最佳頻率,空化作用隨著功率的增加會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。Joyce等[22]認(rèn)為空化泡的產(chǎn)生與破裂是藻類滅活的驅(qū)動(dòng)力,頻率和功率會(huì)影響空化泡的產(chǎn)生。頻率越大,要求產(chǎn)生空化泡的功率強(qiáng)度越大,產(chǎn)生的自由基數(shù)量也越多,自由基會(huì)破壞細(xì)胞壁的化學(xué)結(jié)構(gòu),Wu等[25]認(rèn)為自由基效應(yīng)對(duì)藻類的抑制作用更大,但是張光明等[17]的實(shí)驗(yàn)得出了不同結(jié)論,向水體投加自由基清除劑后,藻類去除率沒(méi)有變小,因此認(rèn)為自由基效應(yīng)不明顯。

近年來(lái)市場(chǎng)上出現(xiàn)了多種超聲除藻設(shè)備,設(shè)備說(shuō)明書指出其是利用超聲引起的空化作用破壞藻細(xì)胞壁、細(xì)胞膜,使得藻細(xì)胞破碎而死亡。Inman[45]用功率40W、頻率28 kHz的市售超聲裝置處理沉積湖的水華,認(rèn)為空化作用不是超聲除藻的主要原因,也沒(méi)有證據(jù)表明水體中發(fā)生了空化作用。Lürling等[46]的實(shí)地研究也得出了類似的結(jié)論,超聲能抑制卷曲魚腥藻和納氏擬筒孢藻的生長(zhǎng),但是實(shí)驗(yàn)檢測(cè)超聲設(shè)備的功率密度只有8.5×10-4W/mL,如此低強(qiáng)度的超聲不足以在水體中引起空化作用,因此不能籠統(tǒng)地將超聲對(duì)藻類的作用機(jī)理概括為空化作用,需要對(duì)其作用機(jī)理深入研究探討。

超聲作用后藻細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)、藻細(xì)胞活性、細(xì)胞膜完整性、光合作用系統(tǒng)等細(xì)胞生理特征變化的研究未深入,更難以說(shuō)明超聲抑制水華藍(lán)藻生長(zhǎng)的機(jī)理。因此,后續(xù)研究還有必要利用現(xiàn)代先進(jìn)的分析方法與技術(shù),在細(xì)胞、分子、基因等水平上研究超聲作用后藻細(xì)胞生理特征變化情況,揭示超聲抑制藻類生長(zhǎng)的作用機(jī)理。

2.4 超聲波除藻技術(shù)實(shí)際應(yīng)用情況

過(guò)去10多年,一些研究者嘗試將超聲波技術(shù)用于治理實(shí)際水體中的藻類。Nakano等[9]將超聲波技術(shù)(200 kHz,200W)與水射流結(jié)合構(gòu)建超聲集成系統(tǒng)用于控制Senba湖(體積36.5萬(wàn)m3)藍(lán)藻水華,為期2年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,啟用超聲集成系統(tǒng)后,Chl-a、SS和透明度等與水華相關(guān)的指標(biāo)均維持在較低水平,COD、磷含量等水質(zhì)指標(biāo)也有所降低,湖泊水質(zhì)得到改善。

Ahn等[10-11]在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上,組建超聲設(shè)備(22 kHz,630W)與水泵的組合裝置,用于9 000 m3富營(yíng)養(yǎng)化池塘中藍(lán)藻的處理,效果顯著,研究發(fā)現(xiàn)組合裝置可以選擇性處理藍(lán)藻,在對(duì)比試驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)組池塘的藍(lán)藻生長(zhǎng)受到明顯抑制,Chl-a濃度只有對(duì)照組的61%和53%。Ding等[47]在太湖進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,超聲(20 kHz,40W)輻照后水體藻類密度由107個(gè)/mL降至105個(gè)/mL。Fan等[48]研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化超聲參數(shù)后將超聲波安裝于浮船上,用于三峽庫(kù)區(qū)小江蓬溪河段水體藻類的治理,通過(guò)2 h的治理,藻密度由(1.10±0.02)×107個(gè)/mL降至(2.1±0.1)105個(gè)/mL,活體Chl-a濃度下降到原來(lái)的13.8%。

綜合分析上述應(yīng)用研究可知,超聲波技術(shù)可作為解決富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藻類過(guò)量繁殖的方法之一。但采用該方法對(duì)其他水生動(dòng)植物的影響、能耗情況等還未有報(bào)道。因此,后期研究還應(yīng)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè),研究生態(tài)系統(tǒng)的變化情況,重點(diǎn)關(guān)注超聲對(duì)水體中其他水生動(dòng)植物的影響。相關(guān)研究主要關(guān)注作用效果,但所選用的超聲參數(shù)范圍小,因此后期研究還應(yīng)根據(jù)實(shí)際水體的優(yōu)勢(shì)藻種確定最佳的超聲波參數(shù),以使作用效果最佳并且最節(jié)能。

3 結(jié)論與建議

綜合以上,得出如下結(jié)論:

a.利用超聲預(yù)防性控制藍(lán)藻水華,可避免大量藻細(xì)胞破裂,細(xì)胞內(nèi)藻毒素等有害分泌物釋放到水中而造成二次污染。

b.超聲頻率、功率和輻照時(shí)間是影響超聲抑藻效果的主要因素,研究表明存在最佳參數(shù)組合使除藻效果最佳且能耗最低。

c.超聲波能夠破壞藻細(xì)胞的氣囊,使藻類失去浮力而沉降,抑制細(xì)胞生長(zhǎng)。超聲會(huì)影響藻細(xì)胞光合活性,破壞藻膽蛋白結(jié)構(gòu),抑制光合作用。超聲輻照可能加劇藻毒素的釋放過(guò)程,但通過(guò)設(shè)定合適的超聲參數(shù),可以控制藻毒素的釋放量,一定強(qiáng)度的超聲還能夠降解水體中的藻毒素。

d.超聲波組合裝置能夠有效抑制自然水體中的藻類生長(zhǎng),并可選擇性地控制藍(lán)藻。超聲處理還能在一定程度上改善富營(yíng)養(yǎng)化水體水質(zhì),降低水體氮磷負(fù)荷,可用于治理富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藍(lán)藻水華問(wèn)題。

為了更好地使超聲用于水體藻華的控制,還應(yīng)進(jìn)行如下研究:

a.不同藻種對(duì)超聲參數(shù)要求不同,為達(dá)到除藻效果最佳且能耗最低,需進(jìn)一步研究確定不同藻種的超聲控制參數(shù)數(shù)值或范圍。

b.超聲對(duì)藍(lán)藻的影響研究大多只關(guān)注超聲即時(shí)作用效果或短期內(nèi)的影響,需加強(qiáng)研究超聲對(duì)藻類的持續(xù)性抑制作用效果。

c.建議從超聲作用對(duì)藻細(xì)胞生理特征影響方面著手,研究超聲作用對(duì)藻細(xì)胞形態(tài)、生理活性、抗氧化酶系統(tǒng)及光合作用系統(tǒng)的影響,揭示超聲除藻抑藻機(jī)理,并探究超聲抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)而膜損傷小、細(xì)胞內(nèi)容物不釋放到水體中的超聲組合參數(shù)范圍,為超聲預(yù)防性抑藻技術(shù)在水體中的大規(guī)模應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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Research on preventive inhibition for cyanobacteria bloom s using ultrasound technology

FAN Gongduan,LIN Qian,CHEN Liru,LIN Rujing,SU Zhaoyue,CHENWei
(College ofCivil Engineering ofFuzhou University,Fuzhou 350108,China)

Problems in traditionalmethods for treating cyanobacteria bloom were pointed out,which is algal cells rupture will happen when killingmassive cyanobacteria,and intracellular algal toxins and other harmful secretions are inevitably released to the aquatic environment,leading to the secondary pollution.Therefore,the preventive regulation method for cyanobacterial blooms was proposed in this study.Before cyanobacterial blooms happen, algae biomasswas herein controlled under a certain level by inhibiting algae growth.Thus the cyanobacterial blooms were avoided.In addition,the influence of the ultrasonic parameters on the algae removal or inhibition as well as the ultrasound influence on cellular physiological system was analyzed.The mechanism of algae removal and inhibition by the ultrasound was employed.Given the existed deficiencies in previous studies,the focus of follow-up study was prospected.

ultrasound technology；preventive inhibition；cyanobacterial blooms；Microcystis aeruginosa

X52

：A

：1004 6933(2015)06 0158 07

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.026

2015 06 20 編輯:徐 娟)

國(guó)家自然科學(xué)基金(51308123)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2014M561856)

范功端(1984—),男,副教授,博士,主要從事水體修復(fù)、水處理理論與技術(shù)研究。E-mail:fgdfz@fzu.edu.cn