超声辐射对藻细胞生化特性及消毒副产物生成特性研究

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当前,有害藻类水华时有发生,对饮用水水源地安全构成潜在威胁。藻类有机物也是饮用水消毒副产物的重要前体物之一,对水厂的正常运行与水质安全影响极大。超声波辐射是一种有效提高藻细胞去除效率的方法,可产生多种物理和化学效应抑制藻类细胞的活性、破坏藻类细胞的结构。然而,在藻细胞灭活和破碎时,细胞膜的选择透过性功能遭到破坏,会有大量的胞内有机物释放到水体中,改变水体中有机物特性,干扰混凝等水处理工艺的除藻效能。在失活状态下,藻细胞的生理活性受到抑制,而细胞结构基本完整,仍是活体,胞内有机物释放量较少。因此,本文研究藻细胞失活的超声条件,以三峡库区流域典型水华藻种(微囊藻和鱼腥藻)为对象,系统研究了超声参数对藻细胞的去除效率、失活藻群理化特性、生理特性及消毒副产物的生成特性。主要研究内容包括:超声辐射对藻细胞生化特性的影响;超声辐射对藻细胞分子生物学特性的影响;超声辐射藻类有机物释放特性与机理;失活藻细胞消毒副产物的生成特性。(1)研究了超声功率,超声频率,超声时间,超声振幅,以及Burst信号超声辐射等不同超声参数对藻细胞的直接去除率,以探究超声对藻细胞的破碎情况。研究表明,功率越大,超声时间越长,藻细胞的直接去除率也越大。不同振幅对藻细胞的去除的影响较小。(2)对超声辐射后藻细胞的粒径大小,抗氧化系统,形态结构的变化以及藻细胞的生长抑制等理化特性进行表征。研究结果表明,超声辐射会损伤细胞光合作用相关的藻胆蛋白,影响光合系统的正常功能,从而抑制藻细胞的生长。藻细胞的抗氧化性酶SOD(超氧化物歧化酶,Superoxide dismutase)、CAT(过氧化氢酶,Catalase)可以清除超声化学效应产生的羟基自由基对细胞的损伤,而超声剂量超过藻细胞的耐受极限时,羟基自由基可与膜脂反应生成MDA(丙二醛,Malondialdehyde)。超声辐射后,藻细胞的表面出现褶皱和少量的细胞碎片,有明显损伤,部分细胞结构遭到破坏。(3)研究了超声辐射对藻细胞生长,光合作用,能量代谢,以及细胞膜的损伤等细胞生理状态变化相关基因的差异性表达,确定超声辐射后藻细胞的应激反应。下调基因的表达差异显著性更大,超声辐射对藻细胞部分基因的抑制作用更为明显,而藻细胞应对超声辐射下的生存环境胁迫而产生的适应性改变较为缓慢。超声辐射后,能量代谢,辅助因子和维生素的代谢,碳水化合物代谢萜类和聚酮类化合物的代谢,氨基酸代谢,信号转导相关基因都出现了下调,藻细胞的该类生物功能受到一定的抑制。(4)研究了超声辐射后藻细胞物质释放特性,包括胞外有机物TOC,三维荧光,紫外可见吸收光谱,傅里叶红外光谱,氨基酸,多糖,蛋白质及藻毒素等有机物的变化。高频超声辐射对藻细胞的破坏更为激烈,胞内有机物的增加更明显。超声辐射后,藻蓝蛋白,类蛋白质,类腐殖质等胞内有机物释放到水体中,其中藻蓝蛋白的增加最为明显。超声辐射会增加铜绿微囊藻胞内藻毒素的释放,但较短时间的超声辐射,藻毒素的释放量较少。(5)铜绿微囊藻和鱼腥藻氯化反应生成DBPs(消毒副产物,Disinfection by products)的总量随着氯化时间,投氯量,反应温度,和pH的增加而增加。并且有机物分子量小于30k Da的胞外有机物生成DBPs的主要前体物为类腐殖质,藻细胞代谢产物,类蛋白质,氨基酸等,而超声辐射后,大于30k Da的胞外有机物生成DBPs的主要前体物还包含了藻蓝蛋白和叶绿素a。
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