铜绿微囊藻代谢对藻源膜污染影响和作用机制

藻细胞生长代谢受藻细胞分布形式的影响,文章为研究藻细胞在不同氮浓度下藻细胞生长代谢差异及其藻源膜污染的变化,将纯净的藻细胞预覆盖在超滤膜表面,原水中硝酸钠浓度设置为0、24.7、247和1 235 mg/L,从膜表面观测、膜污染阻力变化、原水水质变化、藻细胞生长代谢行为对藻源膜污染机理定性分析。结果表明,膜污染主要成因均为滤饼层污染,大小表现为培养基组>低氮组>无氮组>高氮组。藻细胞在低氮组、培养基组中正常生长代谢,大量藻细胞及胞外有机物(EOM)附着在膜表面,引起滤饼层厚度变厚、结构致密;无氮组藻细胞在第10天开始褪绿,褪绿状态下短期保持完整细胞形态,褪绿过程中释放胞内有机物(IOM)引起滤饼层结构致密;高氮组藻细胞生长停滞少量,少量藻细胞碎片、IOM等附着在滤饼层上引起滤饼层结构轻微改变。分析表明,藻细胞生长引起的藻细胞数目与EOM增多造成严重的藻源膜污染。     

三种典型淡水藻EOM组成特征及胞外氨基酸释放规律

通过对比分析了藻类EOM的类型和组成,探讨了藻类胞外氨基酸的释放规律.选取典型淡水藻铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)、四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)、喙头舟形藻(Navicula rhynchocephala)为研究对象,采用三维荧光光谱-平行因子分析法(EEMs-PARAFAC)、柱前衍生高效液相色谱(HPLC)分析3种藻在生长稳定期EOM特征与胞外游离氨基酸、结合氨基酸的含量组成等差异.结果表明,藻类均可将无机氮转化为有机氮释放到水体中;3种藻EOM中总色氨酸与总酪氨酸荧光强度关系分别为铜绿微囊藻四尾栅藻喙头舟形藻、喙头舟形藻四尾栅藻铜绿微囊藻;藻胞外氨基酸中组氨酸、丙氨酸、甘氨酸及丝氨酸含量均较高,苏氨酸、精氨酸、酪氨酸含量均较低;3种藻c(DFAAs)/c(DCAAs)的比值均较低,释放的氨基酸多数以蛋白质和多肽的形式存在;铜绿微囊藻胞外有机物(EOM)中ρ(DON)、ρ(TDAAs)及氨基酸对水体中DON贡献量均为最高,分别为1.31mg/L、5.35mg/L、69.08%,因此蓝藻水华暴发可能会增加水体的氨基酸浓度,加重水体有机氮负荷.     

电活化过硫酸盐去除铜绿微囊藻的效果及机理研究

为了开发微藻及藻类有机物的高效去除技术,采用电活化过硫酸盐(EC/PS)体系处理含铜绿微囊藻的水样. 通过藻细胞密度和叶绿素a含量测定以及扫描电镜观察,研究了EC/PS体系的除藻特性及影响因素;采用荧光区域积分法定量分析了除藻过程中胞内有机物(IOM)和胞外有机物(EOM)的变化特征;利用电子顺磁共振波谱仪测定了EC/PS体系中的自由基类别,并分析了EC/PS体系的除藻机理. 结果表明:①在初始藻细胞密度为1.24×107~1.30×107 cells/mL,电压为7 V,初始pH为6,初始PS浓度为4 mmol/L的条件下,当EC/PS体系处理60 min时,藻细胞和叶绿素a的去除率分别达90.80%和98.41%,明显优于单独EC体系和单独PS体系;当EC/PS体系处理10 min时,IOM的总荧光响应值降低了77.39%. 在处理过程中,以腐殖酸类物质为主的胞内有机物会大量释放. ②EC/PS体系中电化学作用对除藻的平均贡献率为54.63%;同时,除藻过程可产生大量的SO₄?·和·OH,且其随处理时间的增加而增加. 研究显示,EC/PS体系能有效去除铜绿微囊藻及藻类有机物,反应体系中的SO₄?·和·OH发挥了重要作用.      

高锰酸钾预氧化对藻活性和胞内外有机物的影响

以实验室纯培养的铜绿微囊藻为研究对象,针对不同生长期藻的特性,采用高锰酸钾预氧化剂,研究投加量对铜绿微囊藻胞内、外有机物DOC浓度的影响;高锰酸钾氧化后铜绿微囊藻细胞及其活性的变化;预氧化对以聚合氯化铝(PAC)作为混凝剂的混凝工艺去除不同生长期铜绿微囊藻的影响.结果表明.低浓度的高锰酸钾对藻细胞光合作用有一定的抑制作用,高浓度(≥10mg/L)的高锰酸钾预氧化会使藻细胞失活并释放大量胞内有机物.当高锰酸钾投加量为2mg/L时,投加30mg/L PAC,第9d、21d、28d、36d培养期的藻去除率分别为81%、99%、58%、35%;在不同高锰酸钾投加量下,第21d(对数期)的藻液,采用高锰酸钾预氧化强化混凝除藻效果最好,其原因可能与不同生长期胞外有机物(EOM)浓度及组分不同有关.藻处于衰亡前期和衰亡后期EOM含量显著增大,过高浓度的EOM影响了氧化剂的氧化效率,使得预氧化效果不明显.稳定期和对数期藻液中EOM含量较低,此时氧化剂与藻细胞接触,易刺激藻细胞分泌物质,而一定浓度的EOM可以起到助凝的作用,使得预氧化后强化混凝效果良好.高锰酸钾还原产物是水合Mn O2,会促进混凝并可以附着在藻细胞表面提高藻细胞沉降性.     

污水管网中无机氮类营养盐迁变规律

以一套长1 200 m的城市污水模拟管网为对象,采用人工配水方式,研究了管网中含氮化合物的变化情况,分析评价了沿程氮类营养盐的迁变转化特性.结果表明,以氯化铵为氮源基质,管网微生物将其同化合成生命所需的物质以进行细胞增殖.游离氨基酸、结合氨基酸、核酸是代谢产生的主要含氮有机化合物,其中氨基酸占溶解性有机氮(DON)的绝大多数.同时利用三维荧光光谱、尺寸排阻色谱技术对水中有机物的荧光特性及相对分子质量分布的表征结果显示,污水中有机物的特征荧光峰有所增多,主要以类蛋白、类微生物代谢产物为主,且荧光强度随管网沿程逐渐增强;水中的小分子营养盐在微生物的同化作用下转化为复杂的大分子有机物.     

二级处理出水中溶解性有机物的荧光特性

为研究二级处理出水中溶解性有机物的荧光特性,以沈阳市B污水处理厂为研究对象,利用XAD树脂对二级处理出水中的溶解性有机物(DOM)进行分级分离。按照DOM在不同树脂上的吸附特性将其分为5个部分:疏水性有机酸(HPO-A)、疏水性中性有机物(HPO-N)、过渡亲水性有机酸(TPI-A)、过渡亲水性中性有机物(TPI-N)和亲水性有机物(HPI)。研究结果表明,DOM组分中含有类腐植酸荧光团、类富里酸荧光团、类芳香族蛋白质荧光团和类溶解性微生物代谢产物荧光团,此外,还含有具有多环芳香结构的荧光物质。DOM中的荧光物质主要集中在HPO-N和TPI-N中。类腐植酸荧光团、类富里酸荧光团和类溶解性微生物代谢产物荧光团在TPI-N中的含量最高,而类芳香族蛋白质荧光团在HPO-N中的含量最高。对于HPO-A、TPI-A和TPI-N来说,类富里酸荧光峰的强度最高;类芳香族蛋白质荧光峰是HPO-N的最强峰;类溶解性微生物代谢产物荧光峰是HPI的最强峰。     

浒苔生长-衰亡过程中氮形态的迁移转化过程

针对浒苔氮吸收代谢机制，通过连续培养实验研究浒苔生长-衰亡过程中不同形态氮在藻体和培养液中的分布和迁移.结果表明，浒苔在生长期吸收NO₃^--N（17.37μmol/（g·d））而衰亡期向胞外释放NH₄⁺-N（0.84μmol/（g·d））；在生长期胞内NO₃^--N占无机氮（DIN）73.75%~92.15%，在衰亡期NH₄⁺-N占无机氮60.87%~92.13%；培养液中溶解有机氮（DON）浓度持续增加，其中<1kDa组分占64%~98%，> 1kDa组分占2%~36%.在培养期藻体细胞吸收DIN速率平均为8.96μmol/（g·d），释放DON的平均迁移速率约为59.57μmol/（g·d）.通过收支模型计算，浒苔将近60% DIN转化为以<1kDa组分占优的DON并分泌到胞外.由此可以推测，近海浒苔爆发可以在月际尺度上对水体生源要素结构产生显著影响.     

营养盐水平对念珠藻胞外有机物产生的影响

以我国湖泊典型固氮蓝藻发状念珠藻(Nostoc flagelliforme)为研究对象,考察了氮、磷营养盐对发状念珠藻生长特性及其胞外有机物产生的影响.采用藻细胞浓度计数法表征发状念珠藻生长特性;分别采用溶解性有机碳(DOC)、三维荧光光谱(EEM)和紫外-可见光谱法,从总量和主要物质方面分析了发状念珠藻胞外有机物的产生规律.结果表明,在不同氮、磷营养水平下,发状念珠藻的4个关键生长时期基本相同,氮是控制发状念珠藻生长的关键营养控制要素;氮营养元素浓度的增高,有利于发状念珠藻产生胞外有机物,其产生量逐渐增大,而磷营养元素浓度的增高对胞外有机物产生量贡献较小,氮营养盐是发状念珠藻产生胞外有机物的关键限制因子;通过EEM谱图分析,发状念珠藻胞外有机物主要以类氨基酸类物质和类富里酸物质为主.以磷为控制营养盐时,类富里酸是主要的胞外有机物之一,以氮为控制营养盐时,类富里酸产生量极低;作为主要的胞外有机物,蛋白质和碳水化合物的产生规律显著不同,其中蛋白质含量显著高于碳水化合物含量.     

藻屑堆积对沉积物-水界面污染物的释放效应

为探索不同密度藻屑堆积对沉积物-水界面污染物的释放效应,设置了对照组(无藻屑添加)、2个藻屑添加组(分别为1倍组(加入0.06 g干藻,约6 g·m~(-2),以干重计)、20倍组(加入1.2 g干藻,约120 g·m~(-2),以干重计)),于(16±1)℃避光培养.结果表明,实验前4 d,20倍组藻屑分解耗氧剧烈并释放出大量溶解性有机质(DOM)及氮、磷营养盐.其中,溶解氧(DO)浓度迅速下降至1.4 mg·L~(-1)以下,上覆水中类色氨酸类物质荧光强度在第4 d最高(0.8 RU)且高于空白组,对荧光强度的贡献比例高达51.7%,为DOM的主要成分,说明藻屑分解释放大量类色氨酸物质.释放的溶解性无机氮(DIN)、溶解性总磷(DTP)以氨氮(NH_4~+-N)、正磷酸盐(PO_4~(3-)-P)为主要形态.随后实验阶段上覆水中SR值、E250/E360值降低,E253/E203值增加,说明藻屑在降解过程中腐殖化程度逐渐增加,取代基种类减少,导致释放的DOM以类腐殖质为主.因此,20倍组类色氨酸类物质逐渐被降解,导致荧光强度逐渐降低,类腐殖质荧光强度增加,对荧光强度的贡献比例高达62.7%.而对照组与1倍组污染物释放培养期间无显著性差异,DOM及氮、磷营养盐释放浓度均低于20倍组.因此,120 g·m~(-2)藻屑密度堆积情况下可造成水体明显缺氧至厌氧,导致大量氮、磷营养盐及溶解性有机物释放至上覆水中,成为水体富营养化的重要营养源.     

冰封期前后河流底泥中溶解性有机物组分的荧光特性的变化

以沈阳市新开河为研究对象,考察了冰封期前、后河流底泥中溶解性有机物(DOM)组分荧光特性的变化.按照DOM在XAD树脂上的吸附特性将其分为5个部分:疏水性有机酸(HPO-A)、疏水性中性有机物(HPO-N)、过渡亲水性有机酸(TPI-A)、过渡亲水性中性有机物(TPI-N)和亲水性有机物(HPI).结果表明:HPO-A是河流底泥中的主要DOM组分,在冰封期前、后分别占溶解性有机碳(DOC)的41.2%~69.5%和38.9%~63.9%.冰封期前河流底泥中的DOM及HPO-A、HPI的DOC值均高于冰封期后.三维荧光光谱结果显示,冰封期前、后河流底泥DOM组分中含有类腐殖酸荧光物质,类富里酸荧光物质,类芳香族蛋白质荧光物质和类溶解性微生物代谢产物荧光物质,并且类芳香族蛋白质荧光物质在各DOM组分中的含量最高.冰封期后HPO-A、HPI中荧光物质的含量低于冰封期前.同步荧光光谱结果显示,在冰封期河流底泥DOM组分中激发波长分别为285~295 nm和330~350 nm的荧光物质向水体释放,导致其在底泥DOM组分中相对含量的显著降低.     

活性炭吸附对藻类有机物的去除及其消毒副产物的控制

本文研究了粉末活性炭(powder activated carbon,PAC)吸附对藻类有机质(algal organic matter,AOM)及其典型含氮和非含氮消毒副产物(disinfection by-products,DBPs)的去除效能.结果表明,AOM主要含有一些小分子量、亲水性、低芳香度的有机质,三维荧光光谱证实,PAC吸附改变了AOM的组成,明显降低了类腐殖质物质含量,但对芳香蛋白类物质去除能力有限.PAC投加量为20 mg·L~(-1),吸附时间10~30 min时,对于3.30 mg·L~(-1)的胞内有机质(intracellular organic matter,IOM)和胞外有机质(extracellular organic matter,EOM)溶液,溶解性有机碳去除率分别为20.7%~31.9%和12.6%~19.0%.PAC对IOM和EOM中卤代甲烷总生成量的最高去除率分别为26.6%和35.8%;卤代乙腈总生成量的最高去除率分别为49.6%和53.6%,其中二溴乙腈前体物的去除效果显著.PAC对EOM氯化生成的DBPs的控制作用较好.     

Pre-oxidation with KMnO4 changes extra-cellular organic matter's secretion characteristics to improve algal removal by coagulation with a low dosage of polyaluminium chloride

Microcystis aeruginosa was used to study the effect of KMnO4 pre-oxidation on algal removal through coagulation with polyaluminium chloride (PAC).KMnO4 pre-oxidation improved the coagulation efficiency of algal at a low dosage of PAC.The optimal KMnO4 feeding period was in the stationary growth phase of Microcystis aeruginosa.KMnO4 traumatized the algal cells and stimulated cellular release of organic matter,contributing to the pool of extra-cellular organic matter (EOM).KMnO4 also decomposed EOM,especially small molecular weight EOM.Lower concentrations of KMnO4,such as 2 mg/L,induced algae cells to produce moderate amounts of new EOM with molecular weights of 11,280,and 1500 kDa.These relatively large molecules combined easily with PAC,promoting coagulation and removal of algae.High concentrations of KMnO4 lysed algae cells and produced much high-molecular-weight EOM that did not enhance flocculation by PAC at lower dosages.     

厦门汀溪水库溶解有机氮对有毒藻种的生物有效性及其化学本质

为探究厦门汀溪水库溶解有机氮(DON)对有毒藻种的生物有效性及其化学本质,采用水样分子质量和极性分级技术,进行铜绿微囊藻 (Microcystis aeruginosa)培养实验.结果表明,汀溪水库中DON含量呈季节性差异,在枯水期比较高,而丰水期比较低.汀溪水库DON在不同季节中的主要成分都是疏水组分和>3kDa组分.汀溪水库DON的生物有效性为65.20%.较疏水组分和>3kDa组分而言,亲水组分和￡3kDa组分DON更易被铜绿微囊藻利用.从水环境和水源保护角度出发,应首先考虑消除DON中的亲水性组分和小分子质量组分.     

污水氯和二氧化氯消毒过程中溶解性有机物变化的三维荧光光谱解析

采用三维荧光光谱（3DEEM）技术对污水在氯和二氧化氯消毒过程中溶解性有机物（DOM）的变化进行了初步解析.结果表明,与饮用水、地表水等不同,生物处理出水含有较多的芳香族蛋白质和溶解性微生物代谢产物,且其中的腐殖质主要为生物源,芳香性较弱.在氯和二氧化氯消毒后,污水DOM中的芳香族蛋白质和微生物代谢产物类物质的荧光峰发生蓝移,即峰值的激发或发射波长减少了几个nm,这可能由芳香环结构的破坏引起;而腐殖质类物质的荧光峰发生红移,即峰值的激发或发射波长增加了几个到二十几个nm,此现象与地表水相反,可能与腐殖质的来源不同有关.与遗传毒性的变化类似,氨氮对水样氯消毒后的荧光变化有明显影响,但对二氧化氯消毒后的荧光变化无明显影响.     

Characterization of dissolved organic matter as N-nitrosamine precursors based on hydrophobicity, molecular weight and fluorescence

It is very important to identify the dominant precursors for N-nitrosamine formation from bulk organic matter, to enhance the understanding of N-nitrosamine formation pathways in water treatment plants and allow the development of practical treatment technologies. In this study, dissolved organic matter (DOM) from two source waters was fractionated with XAD resins and ultra- filtration membranes. The N-nitrosamine formation potential (FP) (ng of N-nitrosamines formed per mg of dissolved organic carbon (DOC)) from raw water and each fraction were measured and correlated with the fluorescence excitation-emission matrix (EEM), molecular weight (MW) and other assays. The results showed that the hydrophilic fraction had N-nitrosamine FP 1.3 to 3.5 times higher than the hydrophobic fraction from both source waters. The DOM fraction with low MW was the dominant fraction in these two source waters and contributed more precursors for N-nitrosamine formation than the larger MW fraction. The EEM spectra indicated there were notable amounts of soluble microbial products (SMPs) and aromatic proteins in the two studied rivers, which probably originated from wastewater discharge. The SMPs tended to be more closely correlated with N-nitrosodimethylamine formation potential than the other DOM components. Higher N-nitrosamine FP were also related to fractions with lower DOC/DON ratios and lower SUVA 254 values.     

Microbial bioavailability of dissolved organic nitrogen (DON) in the sediments of Lake Shankou, Northeastern China

Dissolved organic nitrogen(DON)extracted from Lake Shankou sediments using KCl was isolated into hydrophobic and hydrophilic fractions.The bioavailabilities of the hydrophobic and hydrophilic fractions to three types of bacterial communities collected from sediments,activated sludge and compost products were examined.The DON recoveries obtained by DAX-8 and cation exchange resins treatment were 96.17% ± 1.58% and 98.14% ±0% for the samples obtained from N4 and N14 stations,respectively.After 25 days of incubation at 25°C,most DON(59% to 96%)was degraded.Hydrophilic DON exhibited a higher reduction rate than hydrophobic DON during the growth phase.Untreated wastewater from Changshuihe town was the main degradable DON source to station N4,and 93% of hydrophilic DON and 80% of hydrophobic DON were degraded.Station N14 received a large amount of refractory DON from forest soils and exhibited DON degradation rates of 82% and 71% for the hydrophilic and hydrophobic fractions,respectively.Amino acid contents and fluorescence intensities were also analyzed.Approximately 27% to 74% of amino acids were taken up by day 5,and their concentration gradually increased in the following days due to the decomposition of dissolved proteins.Parallel factor analysis resulted in identification of tryptophan-like proteins,tyrosine-like proteins and FA-like substances.During the growth phase,40%–51% of the tryptophan-like proteins were taken up by bacteria,and the accumulation of tyrosine-like proteins was attributed to the release of biotic substances.The concentration of the FA-like substances decreased due to microbial decomposition.     

预氯化对铝盐混凝铜绿微囊藻过程中溶解性有机物和残余铝的影响

以铜绿微囊藻为对象,研究了预氯化过程中藻胞内代谢物释放及铝盐混凝除藻过程中残留铝的变化规律.结果表明,氯投量对胞内物质释放量和释放有机物特征有重要影响.与未投加氯的对照体系相比,在较低氯投量时(1~2 mg·L-1),水中有机物浓度升高26%~31%,UV254值升高46%~49%,且有机物主要为中等分子量(2191、2830和3168 Da)和高芳香度的有机物.增大氯投量至3~4 mg·L-1,水中有机物浓度和UV254值有所下降;就不同分子量有机物而言,大分子量有机物(16304 Da)浓度升高而中等分子量有机物(2830、3168和6163 Da)浓度下降,且出现少量小分子量有机物(180 Da).分子量较大或芳香度较高的溶解性有机物在铝盐混凝中可被优先去除.释放到水中的蛋白质能与铝盐形成可溶性蛋白质-混凝剂复合物,从而导致出水铝浓度升高,但增大铝投量可在一定程度上降低残留铝浓度.     

浒苔绿潮暴发对南黄海海域溶解有机物的影响

通过2017年南黄海海域多个航次的现场调查数据,对浒苔绿潮暴发过程中溶解有机物的变化特征及影响因素进行了分析.结果表明,南黄海海域溶解有机碳（DOC）分布高值区主要集中分布在南黄海西北部和苏北近岸海域,陆源输入影响显著.利用三维荧光-平行因子分析（EEMs-PARAFAC）鉴别出南黄海海域溶解有机物荧光组分（FDOM）主要有4种：3种类腐殖质组分（C1、C2和C3）和1种类蛋白质组分C4.4种荧光组分平面分布特征相似,都与盐度呈明显的负相关.随着浒苔绿潮的暴发,南黄海海域DOC浓度和FDOM显著增加,溶解有机氮（DON）及溶解有机磷（DOP）则减少.随着浒苔绿潮沉降消亡,DOC浓度有所下降但仍高于浒苔绿潮暴发前,浒苔爆发区FDOM浓度升高,表层水体中C2和C4升高最为显著,分别增加了11.3%和12.6%;DOP、DON以及DON/DOC均逐渐升高.浒苔绿潮的暴发及消亡对南黄海海域溶解有机物的含量及时空分布影响显著.