雙氧水協(xié)同鳳眼蓮去除富營(yíng)養(yǎng)化水體中高濃度藍(lán)藻的效果

孫維民　秦紅杰　張志勇　張迎穎　陳金峰　姜智繪　宋雪飛

摘要： 為了實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻治理與富營(yíng)養(yǎng)化水體氮、磷等污染物高效削減的雙重目標(biāo)，以暴發(fā)藍(lán)藻的城市富營(yíng)養(yǎng)化河道水體為分析對(duì)象，通過(guò)模擬試驗(yàn)，研究H₂O₂與鳳眼蓮協(xié)同去除水體中高質(zhì)量濃度藍(lán)藻的效果。H₂O₂除藻質(zhì)量濃度閾值探索試驗(yàn)結(jié)果顯示，15 mg/L H₂O₂處理4 h后，藍(lán)藻的光合活性下降了75%，24 h內(nèi)其活性無(wú)明顯恢復(fù)。H₂O₂與鳳眼蓮協(xié)同試驗(yàn)結(jié)果表明，在處理后的前72 h，單一H₂O₂處理的除藻效果最好，在處理后72 h至處理后96 h，H₂O₂+鳳眼蓮處理的除藻效果最好，單一鳳眼蓮處理在試驗(yàn)后96 h內(nèi)無(wú)明顯除藻效果。研究還發(fā)現(xiàn)，單一H₂O₂處理的水體NO^-₂-N、NH⁺₄-N、PO^3-₄-P質(zhì)量濃度較對(duì)照組顯著升高，可能存在藻華再次暴發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)后96 h，H₂O₂+鳳眼蓮處理對(duì)藻生物量的去除率為74.58%，對(duì)總氮（TN）、總磷（TP）的去除率分別為54%、36%。此外，微生物群落分析結(jié)果表明，H₂O₂+鳳眼蓮處理對(duì)水體中藍(lán)藻的去除效果較顯著，微生物群落多樣性較對(duì)照顯著提高，由此可見，H₂O₂協(xié)同鳳眼蓮處理可有效控制藍(lán)藻水華并改善水質(zhì)。

關(guān)鍵詞： 雙氧水；鳳眼蓮；藍(lán)藻水華；富營(yíng)養(yǎng)化；水體修復(fù)

中圖分類號(hào)： X522 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1000-4440（2023）01-0097-09

Effect of hydrogen peroxide combined with Eichhornia crassipes on removal of high concentration cyanobacteria in eutrophic water

SUN Wei-min^{1，2，3}， QIN Hong-jie^4，5， ZHANG Zhi-yong^2，3， ZHANG Ying-ying^2，3， CHEN Jin-feng⁴， JIANG Zhi-hui^2，3， SONG Xue-fei^2，3

（1.School of Environmental and Safety Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China;2.Key Laboratory of Agricultural Environment of Lower Yangtze River Plain， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Institute of Agricultural Resources and Environment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014， China;3.National Agricultural Environment Liuhe Observation Experimental Station， Nanjing 210014， China;4.Environmental Horticulture Research Institute， Guangdong Academy of Agricultural Sciences/Guangdong Provincial Key Lab of Ornamental Plant Germplasm Innovation and Utilization， Guangzhou 510640， China;5.Zhaoqing Branch Center of Guangdong Laboratory for Lingnan Modern Agricultural Science and Technology， Zhaoqing 526000， China）

Abstract： To achieve the dual objectives of cyanobacteria treatment and efficient reduction of pollutants such as nitrogen and phosphorus in eutrophic water， the urban eutrophic river water with cyanobacteria outbreak was taken as the object， and the synergistic removal effect of H₂O₂and Eichhornia crassipes on high concentration cyanobacteria in water was studied through simulation experiment. The experimental results showed that the photosynthetic activity of cyanobacteria decreased by 75% after treatment with 15 mg/L H₂O₂for four hours， and there was no obvious recovery of its activity within 24 hours. The synergistic experiment of H₂O₂and E. crassipes showed that the algae removal effect of single H₂O₂treatment was the best in the first 72 hours， from 72 hours to 96 hours， the algae removal effect of H₂O₂+E. crassipes treatment was the best， and the single E. crassipes treatment had no obvious algae removal effect in 96 hours. It was found that the concentrations of NO^-₂-N， NH⁺₄-N， PO³₄-P in the water treated with single H₂O₂were significantly higher than those in the control group， and there may be a risk of algal blooms again. At 96 h after the experiment， the removal rate of algae biomass by H₂O₂+E. crassipes treatment was 74.58%， and the removal rates of total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） were 54% and 36%， respectively. In addition， the results of microbial community analysis showed that H₂O₂+E. crassipes had a significant removal effect on cyanobacteria in water， and the diversity of microbial community was significantly improved. Therefore， H₂O₂combined with E. crassipes can effectively control cyanobacteria bloom and improve water quality.

Key words： hydrogen peroxide;Eichhornia crassipes;cyanobacterial bloom;eutrophication;water restoration

隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多富含氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的污水流入自然水域中，加速了水體的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程^[1]，藍(lán)藻水華的頻繁暴發(fā)便是其中一個(gè)重要表征。同時(shí)，由于全球變暖、大氣CO₂濃度逐漸升高等氣候原因，藍(lán)藻水華暴發(fā)的頻率、強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間均有升高趨勢(shì)^[2]。近年來(lái)，中國(guó)藍(lán)藻水華現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，云南滇池、江蘇太湖、安徽巢湖藍(lán)藻水華反復(fù)暴發(fā)^[3]。2020年4月，中國(guó)生態(tài)環(huán)境部作出重要指示：太湖、巢湖、滇池、洱海、丹江口水庫(kù)等5個(gè)重點(diǎn)湖庫(kù)所在省份，要依照相關(guān)規(guī)定做好水華的監(jiān)測(cè)預(yù)警。自2007年江蘇無(wú)錫等地因太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)引起居民用水危機(jī)以來(lái)，江蘇省每年投入數(shù)百億元資金用于解決太湖等湖泊的水質(zhì)問(wèn)題^[4]。藍(lán)藻水華不僅會(huì)破壞水體生態(tài)環(huán)境、危害水生生物安全，還會(huì)直接或間接威脅人類健康^[5]，對(duì)藍(lán)藻水華的防控已經(jīng)成為全球廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

為了有效防控藍(lán)藻水華，諸多治理方法與技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，主要包括物理法、化學(xué)法和生物法3大類^[6]。物理法主要有機(jī)械法、氣浮法、遮光法、高頻電磁脈沖法、黏土絮凝法、稀釋沖刷法等^[7]，其成本低、見效快，但處理能力有限、耗時(shí)耗力、治標(biāo)不治本。化學(xué)法依靠投放各種化學(xué)試劑進(jìn)行控藻，常用的除藻劑有高錳酸鉀、硫酸銅、二氧化氯等，雖然效果立竿見影，但存在一定的生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)^[8]。例如，氯化過(guò)程會(huì)形成“三致”物質(zhì)等有害副產(chǎn)物^[9]。雙氧水（H₂O₂）是一種化學(xué)氧化劑，地表水體及其中的有機(jī)生物體均含有低濃度的H₂O₂，因其分解產(chǎn)物（H₂O和O₂）具有無(wú)毒害、不引入新的污染物等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被用于藍(lán)藻水華的應(yīng)急消殺，并受到較多關(guān)注。H₂O₂除藻的原理主要是破壞胞內(nèi)色素合成、損傷超微結(jié)構(gòu)、抑制光合作用等^[10]。研究發(fā)現(xiàn)，H₂O₂對(duì)藍(lán)藻的抑制效果優(yōu)于對(duì)其他浮游藻類的抑制效果，如Drbkov等^[11]發(fā)現(xiàn)，綠藻和硅藻受到H₂O₂影響的最低濃度比藍(lán)藻高10倍；Matthijs等^[12]發(fā)現(xiàn)，H₂O₂對(duì)藍(lán)藻具有高效、選擇性的抑制作用，2 mg/L? H₂O₂能導(dǎo)致藍(lán)藻死亡，且目前未發(fā)現(xiàn)H₂O₂對(duì)其他真核藻類、浮游動(dòng)物生長(zhǎng)有顯著影響。然而，H₂O₂致使藍(lán)藻死亡后其細(xì)胞發(fā)生裂解，藻細(xì)胞中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放至水體中，水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷未得到根本性改變，當(dāng)環(huán)境條件適宜后，仍存在再次暴發(fā)藍(lán)藻水華的風(fēng)險(xiǎn)。因此，最根本有效的除藻方法是削減水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷。

水生植物控藻作為一種重要的生物控藻方法，因其經(jīng)濟(jì)、安全、可逐漸恢復(fù)水體自凈能力等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于藻型富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理^[13]。鳳眼蓮又稱水葫蘆，是一種多年生漂浮植物，其耐污能力強(qiáng)，通過(guò)其濃密發(fā)達(dá)根系的攔截吸附作用、根系化感作用、莖葉遮光作用等可高效抑制藍(lán)藻水華^[14]。同時(shí)，鳳眼蓮可高效吸收和富集氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽^[15]并降低藻毒素等有害物質(zhì)的釋放速度^[16]。此外，隨著鳳眼蓮控養(yǎng)技術(shù)、打撈技術(shù)和資源化利用技術(shù)的日臻成熟，鳳眼蓮過(guò)度泛濫引發(fā)生態(tài)危機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)得到了有效規(guī)避^[17]。

因此，本研究協(xié)同利用應(yīng)急除藻（H₂O₂除藻）與長(zhǎng)效除藻（水生植物控藻）2種技術(shù)，通過(guò)該協(xié)同模式進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以期在實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻快速消殺的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)水體氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的高效削減，從而達(dá)到藍(lán)藻水華防控與水質(zhì)凈化的雙重目標(biāo)，為H₂O₂和鳳眼蓮用于藍(lán)藻水華控制和水體修復(fù)提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 材料來(lái)源

本試驗(yàn)用發(fā)生藍(lán)藻水華的水體于2020年9月采集于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)的一條河道，該河道主要承接上游紫金山降雨徑流和商業(yè)區(qū)部分生活污水，因水體流動(dòng)性較差、富營(yíng)養(yǎng)化程度高等原因，河道經(jīng)常暴發(fā)藍(lán)藻水華，經(jīng)檢測(cè)水體中葉綠素a質(zhì)量濃度高達(dá)1.40 μg/ml，絕對(duì)優(yōu)勢(shì)藻為微囊藻（Microcystis spp.），占藻類生物量的95%以上，河道水體的水質(zhì)指標(biāo)見表1。

鳳眼蓮取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水生植物種植基地，選取生長(zhǎng)良好、大小相近的植株，試驗(yàn)前去除莖葉、根系中的雜質(zhì)，放置于室溫下，在自來(lái)水中暫養(yǎng)7 d備用。本試驗(yàn)所用H₂O₂（30%）為分析純，購(gòu)于天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 H₂O₂閾值試驗(yàn) 分別將200 ml藍(lán)藻水華水體分裝至24個(gè)容量為250 ml的玻璃燒杯中，燒杯底部和外周用錫箔紙包裹。試驗(yàn)設(shè)置0 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、8 mg/L、10 mg/L、15 mg/L、30 mg/L等8個(gè)H₂O₂質(zhì)量濃度處理，每組處理設(shè)置3個(gè)平行。試驗(yàn)在智能光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行，光照度5 000 lx，溫度25 ℃，光周期12 h（日）/12 h（夜）。分別在試驗(yàn)2 h、4 h、8 h、12 h、24 h時(shí)測(cè)定各處理組藍(lán)藻的光合活性、葉綠素a質(zhì)量濃度，根據(jù)各處理組藍(lán)藻的光合活性和葉綠素a質(zhì)量濃度的變化，確定H₂O₂除藻的最佳質(zhì)量濃度閾值。

1.2.2 H₂O₂協(xié)同鳳眼蓮除藻試驗(yàn) 基于上述試驗(yàn)結(jié)果，明確適宜除藻的H₂O₂質(zhì)量濃度，開展鳳眼蓮與H₂O₂的協(xié)同試驗(yàn)。分別將1.5 L藍(lán)藻水華水樣搖勻后分裝至12個(gè)容量為2 L的燒杯中，設(shè)置4個(gè)不同處理組：對(duì)照組（僅有藻華水樣）、H₂O₂組、鳳眼蓮組、鳳眼蓮+H₂O₂組，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)平行。將同一批長(zhǎng)勢(shì)良好的鳳眼蓮用純凈水（RO）沖洗干凈，去除根系上附著的顆粒雜質(zhì)，鳳眼蓮起始生物量為每燒杯100 g。將各處理組置于培養(yǎng)箱中，光照度為5 000 lx，溫度為25 ℃，光周期為12 h（日）/12 h（夜）。分別在處理0 h、2 h、4 h、8 h、12 h、24 h、48 h、72 h、96 h測(cè)定各處理組中藍(lán)藻的光合活性，并取樣用于測(cè)定不同水質(zhì)指標(biāo)，同時(shí)用玻璃纖維濾紙（GF/C）濾膜和醋酸纖維濾膜抽濾水樣，用于測(cè)定葉綠素a的質(zhì)量濃度和微生物多樣性。

1.3 檢測(cè)指標(biāo)

水質(zhì)檢測(cè)。用多參數(shù)水質(zhì)分析儀（哈希， HQ40D， 美國(guó)）測(cè)定起始溶解氧（DO）質(zhì)量濃度和pH值；水樣總氮（TN）、總磷（TP）、銨態(tài)氮（NH⁺₄-N）等質(zhì)量濃度用紫外分光光度儀（菲勒， D-8PC， 中國(guó)）測(cè)定。

葉綠素a質(zhì)量濃度的測(cè)定。用GF/C濾膜過(guò)濾30 ml水樣，在過(guò)濾后獲得的藍(lán)藻中加入95%乙醇并用勻漿器搗碎，轉(zhuǎn)入10 ml離心管中，再將其放入4 ℃冰箱中，在黑暗條件下靜置12 h，之后離心并收集上清液，用紫外分光光度儀（菲勒， D-8PC， 中國(guó)）測(cè)定葉綠素a的質(zhì)量濃度^[18-19]。

采用便攜式水體葉綠素?zé)晒鈨x（AquaPen AP100） 在室溫下測(cè)定藻細(xì)胞的光合活性，用光合參數(shù)PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（F_v/F_m）表征藻細(xì)胞的光合活性，當(dāng)藻類生長(zhǎng)受到抑制時(shí)，其值會(huì)顯著下降。

微生物分析。將用于分析的微生物樣品送至南京集思慧遠(yuǎn)生物科技股份有限公司，通過(guò)16S微生物多樣性測(cè)序分析，檢測(cè)水體中微生物群落的變化。

1.4 繪圖與統(tǒng)計(jì)

將本研究中所得數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2007進(jìn)行處理后，使用軟件Origin 2018進(jìn)行繪圖，用IBM SPSS22進(jìn)行組間差異分析，P<0.05表示具有顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 H₂O₂除藻的質(zhì)量濃度閾值

處理96 h后，不同質(zhì)量濃度H₂O₂對(duì)水體中葉綠素a的去除效果如圖1所示，低質(zhì)量濃度H₂O₂對(duì)群體藍(lán)藻葉綠素a的去除率并不高；當(dāng)H₂O₂質(zhì)量濃度>2 mg/L時(shí)，水體中葉綠素a的質(zhì)量濃度隨著與H₂O₂接觸時(shí)間的增加而明顯下降。當(dāng)H₂O₂質(zhì)量濃度為15 mg/L時(shí)，葉綠素a的質(zhì)量濃度最低，為0.17 μg/ml。此外，15 mg/L、30 mg/L H₂O₂對(duì)葉綠素a的去除率無(wú)明顯差異，去除率分別為88%、87%。

如圖2所示，當(dāng)用質(zhì)量濃度大于4 mg/L的H₂O₂處理2 h后，可顯著抑制藍(lán)藻細(xì)胞的光合活性（P<0.05），并且隨著H₂O₂質(zhì)量濃度的升高，抑制效果越明顯。當(dāng)H₂O₂質(zhì)量濃度超過(guò)15 mg/L時(shí)，藍(lán)藻細(xì)胞的光合活性穩(wěn)定在較低水平，顯著低于相同處理時(shí)間H₂O₂質(zhì)量濃度<15 mg/L的處理組（P<0.05），且24 h內(nèi)無(wú)反彈?；诖耍x擇15 mg/L H₂O₂作為本研究中應(yīng)急處理池塘藻華的適宜H₂O₂質(zhì)量濃度閾值。

2.2 雙氧水協(xié)同鳳眼蓮去除藍(lán)藻的效果

2.2.1 藍(lán)藻生物量的變化 本研究選擇葉綠素a質(zhì)量濃度表征水體中藍(lán)藻的生物量。如圖3所示，藍(lán)藻水華水體中的葉綠素a的初始質(zhì)量濃度為1.4 μg/ml；處理96 h后，各處理組的葉綠素a質(zhì)量濃度均下降，顯著低于對(duì)照組（P<0.05），H₂O₂處理組的葉綠素a質(zhì)量濃度最低，為0.22 μg/ml。與初始值相比，處理96 h后H₂O₂組、鳳眼蓮組、H₂O₂+鳳眼蓮組的葉綠素a去除率分別為84.62%、47.22%、74.58%，去除效果表現(xiàn)為H₂O₂＞H₂O₂+鳳眼蓮＞鳳眼蓮。

2.2.2 藍(lán)藻細(xì)胞光合活性的變化 在上述研究的基礎(chǔ)上，用15 mg/LH₂O₂與鳳眼蓮協(xié)同去除藍(lán)藻。如圖4所示，與對(duì)照相比，在單一H₂O₂處理12 h內(nèi)，藍(lán)藻細(xì)胞的光合活性被顯著抑制（P<0.05），4 h后藍(lán)藻細(xì)胞的光合活性接近0.1，24 h后藍(lán)藻細(xì)胞的光合活性逐漸恢復(fù)。在用單一H₂O₂處理96 h后，藻細(xì)胞的光合活性仍顯著高于對(duì)照組（P<0.05）。與對(duì)照組相比，單一鳳眼蓮處理的藍(lán)藻細(xì)胞光合活性在處理96 h內(nèi)整體無(wú)顯著差異，H₂O₂+鳳眼蓮處理組的藍(lán)藻細(xì)胞光合活性在處理96 h內(nèi)均顯著低于對(duì)照組。在處理的前72 h，單一H₂O₂處理的抑制效果最好，處理72 h后至處理96 h，H₂O₂+鳳眼蓮處理的抑制效果最好。

2.3 雙氧水協(xié)同鳳眼蓮去除水體中氮、磷的效果

2.3.1 水體氮的去除效果 與對(duì)照組相比，H₂O₂組對(duì)TN的去除效果不明顯，而鳳眼蓮組、H₂O₂+鳳眼蓮組對(duì)TN的去除效果都較明顯（圖5A），處理96 h時(shí)這2組對(duì)TN的去除率都約為54%。鳳眼蓮組、H₂O₂+鳳眼蓮組的NO^-₂-N質(zhì)量濃度在處理開始后呈下降趨勢(shì)，處理2 h后接近0并且后續(xù)無(wú)波動(dòng)；H₂O₂組的NO^-₂-N質(zhì)量濃度與對(duì)照組相比有顯著升高（P<0.05），在處理4 h達(dá)到最大值（0.21 mg/L），為對(duì)照組的1.98倍（圖5B）。各處理組的NH⁺₄-N質(zhì)量濃度在處理4 h內(nèi)均有一定升高，之后慢慢降低，但H₂O₂組的NH⁺₄-N質(zhì)量濃度一直顯著高于其他處理組（P<0.05）（圖5C）。

2.3.2 水體磷的去除效果 如圖6A所示，鳳眼蓮組和H₂O₂+鳳眼蓮組中的TP質(zhì)量濃度整體上隨時(shí)間的推進(jìn)而逐漸降低，處理96 h后，這2個(gè)試驗(yàn)組對(duì)水體磷的去除率都約為36%，H₂O₂組與對(duì)照組相比無(wú)顯著差異。由圖6B可以看出，對(duì)照組、鳳眼蓮組及H₂O₂+鳳眼蓮組水體中PO^3-₄-P的質(zhì)量濃度在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)均很低，處于檢測(cè)線附近；H₂O₂組水體中的PO^3-₄-P質(zhì)量濃度顯著高于對(duì)照組（P<0.05），其最大值為0.11 mg/L。

2.4 雙氧水協(xié)同鳳眼蓮對(duì)水體中微生物多樣性的影響

通過(guò)分析幾種常見的微生物多樣性指標(biāo)，得到各處理組微生物群落中物種的相對(duì)豐度和多樣性等信息。由表2可以看出，H₂O₂+鳳眼蓮處理組（WH+H₂O₂）的Chao、Shannon指數(shù)均顯著高于其他處理組（P<0.05），在H₂O₂+鳳眼蓮處理下，微生物多樣性指數(shù)最高，表明在本試驗(yàn)條件下，H₂O₂+鳳眼蓮 協(xié)同模式對(duì)水體中微生物的生長(zhǎng)繁殖最有利。

如圖7A、圖7B所示，試驗(yàn)處理前（CKT0），水體中以藍(lán)藻（Cyanobacteria）為主，相對(duì)豐度為37%，其中Microcystis PCC-7914屬占38%；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)照組（CKT96）藍(lán)藻的相對(duì)豐度為35%，為優(yōu)勢(shì)菌，H₂O₂組（H₂O₂）中藍(lán)藻的相對(duì)豐度僅為2%，變形桿菌（Proteobacteria）的數(shù)量激增，成為優(yōu)勢(shì)菌，相對(duì)豐度為51%，鳳眼蓮處理組（WH）藍(lán)藻的相對(duì)豐度為49%，Microcystis PCC-7914屬的相對(duì)豐度為30%。與對(duì)照（CKT96）相比，H₂O₂+鳳眼蓮處理組（WH+H₂O₂）藍(lán)藻的相對(duì)豐度有所降低，約為26%。

3 討論

3.1 H₂O₂除藻效果及最佳閾值的選擇

葉綠素a是計(jì)算浮游植物生物量的重要指標(biāo)^[20-21]，本研究以葉綠素a質(zhì)量濃度來(lái)表征水體中藍(lán)藻的生物量。有研究發(fā)現(xiàn)，H₂O₂質(zhì)量濃度越大，越有利于去除藻細(xì)胞^[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著H₂O₂質(zhì)量濃度的升高，H₂O₂對(duì)藍(lán)藻的抑制效果越強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，添加H₂O₂處理24 h后，葉綠素a的質(zhì)量濃度有明顯變化，當(dāng)H₂O₂質(zhì)量濃度<8 mg/L時(shí)，H₂O₂對(duì)葉綠素a的去除率并不高，為13%～29%；隨著H₂O₂質(zhì)量濃度的進(jìn)一步升高，水體中的葉綠素a質(zhì)量濃度逐漸降低，最低值出現(xiàn)在15 mg/LH₂O₂質(zhì)量濃度組，僅為0.17 μg/ml；此外，15 mg/L、30 mg/L H₂O₂對(duì)葉綠素a的去除率分別為88%、87%，無(wú)明顯差異。F_v/F_m常用來(lái)代表藍(lán)藻PS Ⅱ光合系統(tǒng)的活性，在本研究中，從對(duì)藍(lán)藻細(xì)胞光合活性的抑制效果來(lái)看，當(dāng)H₂O₂質(zhì)量濃度>15 mg/L時(shí)，藍(lán)藻的光合活性顯著降低，F(xiàn)_v/F_m趨于0，且24 h內(nèi)不會(huì)恢復(fù)。由此可見，添加H₂O₂能在短期內(nèi)快速有效地去除藍(lán)藻，主要有以下2個(gè)原因：一是H₂O₂可以釋放羥基自由基（·OH），這種活性氧有極強(qiáng)的氧化能力，與藍(lán)藻細(xì)胞接觸后會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞受損、藻藍(lán)素脫落，使得藍(lán)藻細(xì)胞的正常生長(zhǎng)受到嚴(yán)重影響^[23]；二是H₂O₂分子的膜穿透性很強(qiáng)，可快速滲入藍(lán)藻細(xì)胞，且H₂O₂對(duì)藍(lán)藻的毒性要遠(yuǎn)高于其他浮游植物。本研究通過(guò)微生物群落分析也發(fā)現(xiàn)，單一H₂O₂對(duì)藍(lán)藻的去除效果非常好，在試驗(yàn)?zāi)┢贖₂O₂處理組中藍(lán)藻的相對(duì)豐度僅為2%，去除率高達(dá)94%。

然而，H₂O₂質(zhì)量濃度過(guò)高時(shí)可增加藻細(xì)胞內(nèi)容物如藻毒素的釋放風(fēng)險(xiǎn)^[24]。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水體中H₂O₂質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，能夠有效去除甲藻（Alexandrium），而對(duì)魚類和大型無(wú)脊椎動(dòng)物的影響很小，對(duì)環(huán)境的破壞很小，且水中的H₂O₂殘留量很快就會(huì)衰減^[25]。通過(guò)對(duì)最佳閾值的分析發(fā)現(xiàn)，15 mg/L、30 mg/LH₂O₂不僅可以高效抑制藍(lán)藻水華，而且比以往研究中使用的質(zhì)量濃度要低，安全性更好，且15 mg/LH₂O₂的殺藻能力較強(qiáng)，24 h內(nèi)光合活性下降了93%，葉綠素a去除率為88%，與30 mg/L H₂O₂組沒(méi)有明顯差異，所以用15 mg/L H₂O₂進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

3.2 H₂O₂協(xié)同鳳眼蓮的除藻效果

試驗(yàn)結(jié)果表明，處理96 h后，單一H₂O₂（15 mg/L）處理組的葉綠素a質(zhì)量濃度僅為0.22 μg/ml，去除率達(dá)84.62%，H₂O₂（15 mg/L）+鳳眼蓮處理組的葉綠素a質(zhì)量濃度為0.36 μg/ml，去除率為74.58%。而單一鳳眼蓮組的葉綠素a的質(zhì)量濃度仍然很高，為0.74 μg/ml，藍(lán)藻的相對(duì)豐度為49%。結(jié)合各處理組對(duì)藍(lán)藻細(xì)胞光合活性的抑制效果來(lái)看，不同處理組對(duì)藍(lán)藻的去除效果表現(xiàn)為前72 h內(nèi)H₂O₂處理組的除藻效果最好，72～96 h H₂O₂+鳳眼蓮處理組的除藻效果最好，鳳眼蓮處理組在處理96 h內(nèi)無(wú)明顯除藻效果，這主要是因?yàn)镠₂O₂與含藻水體反應(yīng)的過(guò)程是一個(gè)產(chǎn)生和捕獲·OH的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程^[26]，H₂O₂在水體中是逐漸降解的，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，其抑藻能力逐漸下降。陳超等^[27]發(fā)現(xiàn)，初始藻細(xì)胞質(zhì)量濃度對(duì)H₂O₂控藻效果影響較大，細(xì)胞質(zhì)量濃度越大，H₂O₂降解率越高，當(dāng)初始藻質(zhì)量濃度為100 μg/L時(shí)，5 mg/L H₂O₂可以在48 h內(nèi)完全降解藻細(xì)胞。然而，鳳眼蓮對(duì)水體中藻類的去除主要通過(guò)根系吸附與攔截、化感作用抑制、遮光控制生長(zhǎng)等途徑^[28]，是一個(gè)緩慢生效的過(guò)程。楊小杰等^[16]研究發(fā)現(xiàn)，與鳳眼蓮一同培養(yǎng)的銅綠微囊藻細(xì)胞在培養(yǎng)4 d后出現(xiàn)萎縮現(xiàn)象。

雖然H₂O₂有強(qiáng)大的除藻能力，但它的安全性一直是人們所關(guān)注的，本研究結(jié)果顯示，在添加H₂O₂的處理組中，大量藍(lán)藻細(xì)胞受到氧化脅迫而死亡甚至裂解，引起胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放，短時(shí)間內(nèi)水體中NO^-₂-N、NH⁺₄-N、PO³₄-P的質(zhì)量濃度有較大波動(dòng)，這與H₂O₂處理微囊藻后引起水體可溶性總氮（TDN）、可溶性總磷（TDP）積累^[29]的結(jié)果相吻合。有研究發(fā)現(xiàn)，藍(lán)藻在死亡裂解過(guò)程中會(huì)向水體釋放大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)^[30]。當(dāng)水中NO^-₂-N的質(zhì)量濃度積累到0.1 mg/L時(shí)，NO^-₂-N將對(duì)水體中養(yǎng)殖的魚類、蝦類產(chǎn)生危害^[31]。使用H₂O₂后可溶性氮、磷質(zhì)量濃度升高的原因可能有2個(gè)：一是H₂O₂會(huì)氧化破壞藍(lán)藻細(xì)胞，使胞內(nèi)物質(zhì)釋放至水體中，在微生物作用下礦化或者氧化成不同形態(tài)的氮素、磷素，導(dǎo)致水體中可溶性氮、磷質(zhì)量濃度升高^[32]；二是由于藍(lán)藻細(xì)胞的光合活性受到抑制，其生理狀態(tài)不佳，減少了對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的利用^[27]。

單獨(dú)使用H₂O₂對(duì)水體中藍(lán)藻的去除效果較H₂O₂+鳳眼蓮協(xié)同使用的效果好，但是用H₂O₂處理后短時(shí)間內(nèi)水體中的可溶性氮、磷質(zhì)量濃度均有數(shù)倍增長(zhǎng)，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。而用H₂O₂+鳳眼蓮協(xié)同處理后，水體中各種形態(tài)的氮、磷均維持在較低水平，這是因?yàn)轼P眼蓮除了對(duì)水體氮素的吸收和富集能力突出外，還可以促進(jìn)水體的硝化、反硝化脫氮作用^[33]。同位素示蹤試驗(yàn)研究結(jié)果表明，鳳眼蓮可以吸收轉(zhuǎn)化80%以上藍(lán)藻釋放的氮素^[34]。本研究結(jié)果表明，H₂O₂+鳳眼蓮協(xié)同處理對(duì)TN、TP的去除率分別為54%、36%。由于鳳眼蓮對(duì)藻細(xì)胞死亡裂解外泄?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)具有高效削減作用，未發(fā)生可溶性氮、磷質(zhì)量濃度升高的現(xiàn)象。張迎穎等^[35]的研究發(fā)現(xiàn)，在藍(lán)藻水華暴發(fā)期間，鳳眼蓮可以通過(guò)密集根系捕獲藍(lán)藻并吸收利用其衰亡所釋放的磷素。

4 結(jié)論

本研究探討了H₂O₂與鳳眼蓮協(xié)同處理對(duì)藍(lán)藻水華水體除藻與水質(zhì)修復(fù)的效果，明確了15 mg/LH₂O₂可設(shè)置為有效抑制藍(lán)藻水華的質(zhì)量濃度，但是單獨(dú)使用H₂O₂除藻易引發(fā)水體中可溶性氮、磷（NO^-₂-N、NH⁺₄-N、PO^3-₄-P）質(zhì)量濃度的急劇升高，不能從根本上改善水質(zhì)，藍(lán)藻水華暴發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)依然存在，建議用作應(yīng)急處理。單一鳳眼蓮短期除藻能力較弱，H₂O₂+鳳眼蓮處理在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中都能很好地抑制藍(lán)藻生長(zhǎng)。H₂O₂與鳳眼蓮協(xié)同作用可以有效去除藍(lán)藻和削減水體中的氮、磷，微生物群落多樣性也有升高，能從根本上改善水質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉旻慧，聞學(xué)政，張志勇，等. 生物浮島與漂浮植物對(duì)開放池塘水質(zhì)凈化效果[J]. 水生生物學(xué)報(bào)， 2017， 41（6）： 1318-1326.

[2] HO J C， MICHALAK A M， PAHLEVAN N. Widespread global increase in intense lake phytoplankton blooms since the 1980s[J]. Nature， 2019， 574（7780）：667-670.

[3] 張振華，高 巖，郭俊堯，等. 富營(yíng)養(yǎng)化水體治理的實(shí)踐與思考——以滇池水生植物生態(tài)修復(fù)實(shí)踐為例[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)， 2014， 30（1）： 129-135.

[4] 童克難. “十年治太”成效與流域氮磷污染變化特征解析[N]. 中國(guó)環(huán)境報(bào)， 2020-07-09（04）.

[5] 張 民，史小麗，陽(yáng)振，等. 太湖和巢湖中微囊藻（Microcystis）與長(zhǎng)孢藻（Dolichospermum）的長(zhǎng)時(shí)序變化及其驅(qū)動(dòng)因子[J]. 湖泊科學(xué)， 2021， 33（4）： 1051-1061.

[6] 鄧 莎，周 鍵. 藍(lán)藻水華的危害及主要控制技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2020， 26（18）： 150-151， 198.

[7] 趙 芳. 基于海綿城市理念的公園建設(shè)研究——以武漢韻湖公園為例[C]//《工業(yè)建筑》雜志社有限公司.《環(huán)境工程》2019年全國(guó)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下冊(cè)）， 2019： 41-43， 71.

[8] 李寶磊，劉 舒，曾 樂(lè)，等. 我國(guó)污染河流治理與修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2020（1）： 137-138.

[9] 洪 喻，胡洪營(yíng). 水生植物化感抑藻作用研究與應(yīng)用[J]. 科學(xué)通報(bào)， 2009， 54（3）： 287-293.

[10]BARRINGTON D J， GHADOUANI A. Application of hydrogen peroxide for the removal of toxic cyanobacteria and other phytoplankton from wastewater[J]. Environmental Science & Technology， 2008， 42（23）： 8916-8921.

[11]DR?BKOV? M， ADMIRAAL W， MARS?LEK B. Combined exposure to hydrogen peroxide and light-selective effects on cyanobacteria， green algae， and diatoms[J]. Environmental Science & Technology， 2007， 41（1）：309-314.

[12]MATTHIJS H C P， VISSER P M， REEZE B， et al. Selective suppression of harmful cyanobacteria in an entire lake with hydrogen peroxide[J]. Water Research， 2012， 46（5）：1460-1472.

[13]陳志超，張志勇，劉海琴，等. 4種水生植物除磷效果及系統(tǒng)磷遷移規(guī)律研究[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 38（1）： 107-112.

[14]HASIBUAN A A， YUNIATI R， WARDHANA W， et al. The growth rate and chlorophyll content of water hyacinth under different type of water sources[J]. Iop Conference Series： Materials Science and Engineering， 2020， 902（1）：012064.

[15]洪昌紅，曾燁翀，邱 靜，等. 不同覆蓋度水葫蘆對(duì)藻類水華的抑制效應(yīng)研究[J]. 廣東水利水電， 2020， 297（11）： 25-29.

[16]楊小杰，韓士群，唐婉瑩，等. 鳳眼蓮對(duì)銅綠微囊藻生理、細(xì)胞結(jié)構(gòu)及藻毒素釋放與削減的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)， 2016， 32（2）： 376-382.

[17]秦紅杰，張志勇，劉海琴，等. 兩種漂浮植物的生長(zhǎng)特性及其水質(zhì)凈化作用[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)， 2016， 36（8）： 2470-2479.

[18]徐 黎，路榮昭，施定基. 藍(lán)藻葉綠素a提取方法的比較[J]. 植物學(xué)通報(bào)， 1988（4）： 246-249.

[19]李合生. 植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2000.

[20]WANG B L， SONG Q Y， LONG J J， et al. Optimization method for Microcystis bloom mitigation by hydrogen[J]. Chemosphere， 2019， 228： 503-512.

[21]陳宇煒，陳開寧，胡耀輝. 浮游植物葉綠素a測(cè)定的“熱乙醇法”及其測(cè)定誤差的探討[J]. 湖泊科學(xué)， 2006（5）： 550-552.

[22]王應(yīng)軍，全 皓，李 娟. 過(guò)氧化氫除藻及相關(guān)環(huán)境條件優(yōu)化[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)， 2016， 16（5）： 247-252.

[23]RODRGUEZ E， MAJADO M E， MERILUOTO J， et al. Oxidation of microcystins by permanganate： reaction kinetics and implications for water treatment[J]. Water Research， 2007， 41（1）： 102-110.

[24]QIAN H F， YU S Q， SUN Z Q， et al. Effects of copper sulfate， hydrogen peroxide and N-phenyl-2-naphthylamine on oxidative stress and the expression of genes involved photosynthesis and microcystin disposition in Microcystis aeruginos[J]. Aquatic Toxicology， 2010， 99（3）： 405-412.

[25]BURSON A， MATTHIJS H C P， DE BRUIJNE W， et al. Termination of a toxic Alexandrium bloom with hydrogen peroxide[J]. Harmful Algae， 2014， 31： 125-135.

[26]景 江，周 明，汪 星，等. H₂O₂與UV-C滅藻的協(xié)同效果研究及工程實(shí)驗(yàn)[J]. 環(huán)境科學(xué)研究， 2006（6）： 59-63.

[27]陳 超，范 帆，史小麗，等. 化學(xué)氧化劑對(duì)水華藍(lán)藻的控制研究[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)， 2018， 38（11）： 4307-4313.

[28]KIM Y， KIM W J. Roles of water hyacinths and their roots for reducing algal concentration in the effluent from waste stabilization ponds[J]. Water Research， 2000， 34（13）： 3285-3294.

[29]JESPERSEN A， CHRISTOFFERSEN K J. Measurements of chlorophyll-a from phytoplankton using ethanol as extraction solvent[J]. Archiv Fur Hydrobiologie， 1987， 109（3）： 445-454.

[30]吳馨婷，祁 闖，許曉光，等. 藍(lán)藻腐解對(duì)水中營(yíng)養(yǎng)鹽影響的模擬研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2017， 37（8）： 2846-2853.

[31]彭小云. 亞硝酸鹽在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的危害[J]. 漁業(yè)致富指南， 2015（12）： 63-64.

[32]RAMSEIER M K， VON GUNTEN U， FREIHOFER P， et al. Kinetics of membrane damage to high （HNA） and low （LNA） nucleic acid bacterial clusters in drinking water by ozone， chlorine， chlorine dioxide， monochloramine， ferrate（Ⅵ）， and permanganate[J]. Water Research， 2011， 45（3）： 1490-1500.

[33]高 巖，易 能，張志勇，等. 鳳眼蓮對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體硝化、反硝化脫氮釋放N₂O的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2012， 32（2）： 349-359.

[34]QIN H J， ZHANG Z Y， LIU M H， et al. Efficient assimilation of cyanobacterial nitrogen by water hyacinth[J]. Bioresource Technology， 2017， 241： 1197-1200.

[35]張迎穎，嚴(yán)少華，劉海琴，等. 富營(yíng)養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)中鳳眼蓮與磷素的互作機(jī)制[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2017， 26（4）： 721-728.

（責(zé)任編輯：徐 艷）