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藻类水华造成的水体异味问题已经成为了全球水环境的重要问题,尤其是在淡水湖泊受到严重污染的今天更是引起人们的广泛关注。由于水源水质恶化,我国饮用水中出现嗅味的情况越来越普遍。2007年的太湖蓝藻水华事件甚至导致整个无锡市用水危机,所以对于水体异味物质的研究是非常重要和有意义的。
关于异味物质的研究来自于多个方面,而异味来源的研究也是一个探讨了很久的课题。长久以来这个领域都存在着藻源性和菌源性两种不同的观点和看法,对于这个问题的深入研究将会为异味物质的控制和去除提供依据。因此充分了解异味的生物来源、成因以及影响异味产生的环境因子和限制因子等,才可能发展出有效的控制异味的方法和技术。此外,对于富营养化水体中细菌和藻类之间的相互作用关系,本实验也通过人为干预的方法进行了研究,阐明藻菌间的相互作用将对污染水体的处理提供理论依据。
本研究的第一步将产生异味污染事件的太湖贡湖湾水华蓝藻铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)作为研究对象,通过室内模拟藻菌共培养系统,同时利用GC-MS(gaschromatography-massspectrometry,气相色谱-质谱联用仪)对八种异昧物质进行检测,以此来分析异味的主要来源以及铜绿微囊藻和细菌分别对异味物质产生的影响。实验于2008年从南泉水厂和锡东水厂采原水样进行细菌筛选,其中有两株细菌类产碱假单胞菌(Pseudomonaspseudoalcaligenes)和蜡状芽孢杆菌(Bacilluscereus)被选取和铜绿微囊藻进行进一步的共培养及异昧物质分析研究。
研究表明,在整个实验中,实验系统1(Microcystisaeruginosa-Pseudomonaspseudoalcaligenes)和实验系统2(Microcystisaeruginosa-Bacilluscereus)的异味结果相似。实验设置低温(24℃)状态下异味物质的结果与其他温度有明显不同,而藻类生长的适宜温度(28℃)和促进藻类快速生长的温度(32℃)条件下异味物质的结果相似。在整个实验的不同阶段中检测到的异味物质种类和浓度也有不同,第一阶段(0-15天)的异味物质主要以甲硫醚(dimethylsulfide,DMS)和二甲基三硫醚(dimethyltrisulfide,DMTS)为主,第二阶段(15-33天)以β-环柠檬醛(β-cyclocitral)为主。第一阶段中,24℃状态下DMS和DMTS大量分泌,平均值分别达到1174.45ng/L、1143.18ng/L(系统1)和1336.27ng/L、1278.67ng/L(系统2)。28℃时两种异味物质的平均浓度有所下降,最高达692.86ng/L、634.56ng/L(系统1)和505.54ng/L、680.31ng/L(系统2)。32℃时的结果与28℃无太大差别,两个系统系统中DMS和DMTS的浓度分别为500.19ng/L、326.22ng/L(系统1)和595.08ng/L、913.63ng/L(系统2)。
在第二阶段,24℃时DMS、DMTS和β-环柠檬醛的浓度都处在低剂量范围,分别为59.73ng/L、74.33ng/L、30.56ng/L(系统1)和14.98ng/L、63.97ng/L、50.33ng/L(系统2)。而在28℃的处理组中β-环柠檬醛大量出现,平均浓度最高达到1118.85ng/L(系统1)和1000.88ng/L(系统2)。32℃的结果与28℃类似,β-环柠檬醛的浓度分别为851.49ng/L(系统1)和780.72ng/L(系统2)。
在本实验中两种对土腥味贡献较大的主要异味物质二甲基异茨醇(2-Methylisoborneol,MIB)和土味素(geosmin,GEO)的浓度一直保持在较低剂量范围。24℃第一阶段的两个实验系统中MIB最高达20.12ng/L(系统1)和16.37ng/L(系统2),第二阶段的浓度没有太大变化,分别为11.29ng/L(系统1)和26.01ng/L(系统2)。藻类适宜温度(28℃)下MIB的浓度并未有所增加,仅为18.76ng/L(系统1)和15.63ng/L(系统2)。32℃的检测结果分别为19.53ng/L(系统1)和6.89ng/L(系统2),整体结果与28℃并无太大差别。第二阶段的浓度变化与第一阶段结果相似,GEO的浓度也基本维持在同样的浓度范围内。
同时,整个实验过程中不同温度和不同阶段藻类和细菌的生长状态呈不同趋势。第一阶段所有温度的处理组中细菌占主要优势,平均浓度可达106个/mL,而藻类的生长则受到细菌的抑制,其比生长率基本维持在0.005/天左右。第二阶段24℃处理组中的藻类依旧没有良好地进行生长,比生长率为0.055/天,而28℃条件下处理组中藻类大量生长,比生长率分别达0.217/天(系统1)和0.166/天(系统2),同时细菌的浓度急剧下降为103个/mL并持续低浓度状态直到实验结束。温度为32℃时藻类的比生长率相比28℃没有明显变化,分别为0.246/天(系统1)和0.256/天(系统2),细菌浓度变化也与28℃类似。推测后期藻类大量生长产生的衍生物可能是造成细菌急剧下降的原因,而高温下特定浓度的细菌则可以促进藻类良好生长,统计分析也表明微囊藻的生长状态主要受细菌的影响,温度不是控制藻类和细菌生长的主要因素。
结合以上异味物质的变化以及藻类和细菌的生长状态,得出以下结论:低温状态下由于异味物质的挥发性较低而导致水中溶解性的异味浓度增高,藻类和细菌的生长状态不是影响高浓度异味产生的主要因素。相关性统计分析表明DMTS主要来源于细菌,β-环柠檬醛的主要来源是铜绿微囊藻,而MIB和GEO这两种被认为是藻源性的异味物质不仅没有在整个实验过程中成为主要的异味物质,且被发现其与细菌有着紧密的联系,但其机理仍需后续研究。此外,本研究发现,异味物质之间的相互作用是不应该被忽视的。
本实验的第二步运用曝气处理研究藻类在好氧和厌氧的条件下体系内的细菌对藻类生长的影响作用。研究对象为贡湖湾蓝藻体水华,采用24小时不间断曝气,并通过DGGE(denaturinggradientgelelectrophoresis,变形梯度凝胶电泳)分子解析手段分析对照组(藻)和处理组(藻+曝气)中的细菌种类变化和藻类生长状态。
研究发现,经过240小时不间断曝气后对照组和处理组中的藻均从48小时开始下降,分别从1821.04μg/L减少至246.67μg/L(处理组)和1784.11μg/L下降至670.91μg/L(对照组)。就藻类的减少量而言,处理组最高可达88.14%,对照组最终达到61.60%。在整个曝气过程中TN、TP趋势一致,说明藻类的生长没有影响体系的N、P变化,而铵盐的下降以及硝酸盐和亚硝酸盐的波动表明,藻类的生长由硝化和反硝化细菌所影响。测序结果也证明,大部分细菌都是具有硝化和反硝化能力的的变形杆菌(proteobacterium)。此外,从DGGE结果和聚类分析中得知曝气处理过程中细菌数量和优势种的变化不大,而对照组(无曝气)从96小时开始细菌的丰度明显减少,且优势种发生了显著变化,说明曝气本身对环境无有害影响,也为这种方法对藻类水华的处理应用提供了基础和依据。