邵 晨,黎 雷*,于水利,侯立安,楊 帆,殷 祺,漆 晴(.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海0009；.吳江華衍水務(wù)有限公司,蘇州 50)

產(chǎn)嗅藻類對(duì)東太湖某地原水中嗅味物質(zhì)2-MIB的貢獻(xiàn)

邵 晨1,黎 雷1*,于水利1,侯立安1,楊 帆2,殷 祺2,漆 晴2(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海200092；2.吳江華衍水務(wù)有限公司,蘇州 215220)

針對(duì)東太湖某水源地原水中嗅味物質(zhì) 2-甲基異莰醇(2-MIB)濃度過高問題,檢測(cè)并鑒定原水中藻類分布及組成,考察并建立藻類與2-MIB的相關(guān)性,并利用16SrDNA基因測(cè)序方法對(duì)其中兩種主要絲狀藻類進(jìn)行鑒定.結(jié)果表明:兩個(gè)原水取水口及附近養(yǎng)殖區(qū)中2-MIB與藻密度呈明顯的線性相關(guān)(R2>0.85),且顫藻目浮絲藻、澤絲藻以及針桿硅藻等占總藻數(shù)量的 55%以上.值得注意的是,存在于藻細(xì)胞內(nèi)部的2-MIB比例可達(dá)68%,水處理過程中需考慮胞內(nèi)2-MIB的釋放風(fēng)險(xiǎn).此外,對(duì)養(yǎng)殖區(qū)周圍水質(zhì)數(shù)據(jù)分析表明采樣點(diǎn)中2-MIB濃度、藻密度、氨氮濃度均和其與離養(yǎng)殖區(qū)距離呈負(fù)相關(guān)性,表明該地區(qū)取水口附近的水產(chǎn)養(yǎng)殖可能是導(dǎo)致2-MB偏高的主要原因.

2-甲基異莰醇;16SrDNA測(cè)序;藻源嗅味物質(zhì);胞內(nèi)胞外;藻類代謝產(chǎn)物

嗅味問題是導(dǎo)致全世界范圍飲用水質(zhì)量遭投訴的最常見也是最主要的問題.歐美國(guó)家開展的相關(guān)研究較早,高達(dá) 40%以上的水廠存在嚴(yán)重的嗅味問題[1].我國(guó)在嗅味方面的研究開展較晚,但近年來(lái)我國(guó)有關(guān)嗅味問題的報(bào)道也逐漸增多[2].飲用水的嗅味主要包括土霉味、青草味、魚腥味等[3],其中以能夠產(chǎn)生土霉味的 2-甲基異莰醇(2-MIB)為代表性嗅味物質(zhì)分布較為廣泛,成為很多水廠夏季水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的主要因素.國(guó)內(nèi)東湖流域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示其嗅味物質(zhì)中2-MIB為主要成分,濃度為其他幾種嗅味物質(zhì)的十幾倍甚至幾十倍[4].

引起飲用水嗅味原因可分為人為因素和天然因素.其中人為因素主要是向水體中直接傾倒和排放能夠產(chǎn)嗅的廢水;而天然因素則是普遍存在于水體中的原因,主要由水體中如藍(lán)藻、硅藻、放線菌等的代謝產(chǎn)物引起[5].研究表明有超過 40多種藍(lán)藻可產(chǎn)生 2-MIB,包括束絲藻、魚腥藻、顫藻等[6];也有研究者發(fā)現(xiàn)嗅味物質(zhì)濃度與水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素濃度以及藻類、放線菌密度相關(guān),同時(shí)藻類、放線菌相互利用各自代謝產(chǎn)物而生成的次級(jí)代謝產(chǎn)物中也包含嗅味物質(zhì)[7].藻源嗅味物質(zhì)對(duì)原水水質(zhì)存在顯著影響.本研究針對(duì)東太湖某取水口夏季2-MIB濃度嚴(yán)重超標(biāo)的問題,研究了水中主要致嗅藻類的分布及其對(duì)2-MIB的貢獻(xiàn),利用基因檢測(cè)方法鑒定優(yōu)勢(shì)藻種類,并提出相關(guān)對(duì)策,以期對(duì)水廠出水中 2-MIB的控制和達(dá)標(biāo)提供一定理論支持.

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

嗅味檢測(cè)儀器為氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(789A-5957c,安捷倫,美國(guó));藻類鏡檢采用光學(xué)顯微鏡(CX31,奧林巴斯,日本).藻類過濾采用玻璃纖維膜(0.7μm,Whatman,英國(guó)).

2-甲基異莰醇(2-MIB)標(biāo)樣、內(nèi)標(biāo)物2-異丁基-3-甲氧基吡嗪(2-Isobutyl-3-methoxypyrazine, IB)標(biāo)樣均為色譜純,純度不低于 95%(Sigma,美國(guó)),使用前用Milli-Q超純水稀釋至所需濃度.甲醇為色譜純,純度不低于90%(Sigma,美國(guó)).NaCl、NaOH和HCl為分析純(國(guó)藥化學(xué)試劑,中國(guó)).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集 2013年8月在太湖某水源地水廠取水口A、取水口B以及附近養(yǎng)殖區(qū)連續(xù)取樣,采集水面下 0.5m處水樣,低溫保存至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行嗅味物質(zhì)及藻類檢測(cè).

1.2.2 2-MIB分析測(cè)定嗅味物質(zhì)通過固相微萃取-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果為水中溶解態(tài)與顆粒物吸附態(tài)總和.利用頂空固相微萃取 CTC自動(dòng)進(jìn)樣器富集水中痕量待測(cè)嗅味物質(zhì),10mL樣品添加3g氯化鈉,在65℃下同步震蕩萃取30min.GC條件為載氣為高純氦氣(99.999%);壓強(qiáng)為90kPa;柱中流速為1.45mL/min;不分流進(jìn)樣;柱初始溫度為60℃,保持3min,以6℃/min升溫至150oC,再以15℃/min升溫至250℃,保持3min;進(jìn)樣口溫度250℃.MS條件為電子轟擊源(EI);電子能量為 70eV;離子源溫度為 200℃;接口溫度為 250℃;離子掃描范圍為 m/z 45～500;掃描時(shí)間為5.0～20.27min.采用SIM模式時(shí),2-MIB特征離子為95,108,保留時(shí)間為 12.033min;IB特征離子為138,124,保留時(shí)間為11.781.

1.2.3 藻類密度分析及 DNA測(cè)序鑒定利用濃縮過濾方法收集水中藻細(xì)胞進(jìn)行顯微鏡下觀察藻類計(jì)數(shù)[8].具體步驟為,將 250mL原水經(jīng)0.45μm濾膜過濾后,用蓋玻片將膜表面藻細(xì)胞刮下并溶于3mL Milli-Q超純水中,然后采用血球計(jì)數(shù)板進(jìn)行顯微鏡計(jì)數(shù)與種類鑒定.將原水藻類經(jīng)過分離提純后,取新鮮藻液 50mL,用濾膜將藻類截留后,研磨震蕩使其細(xì)胞破裂,提取 DNA,通過16S rDNA測(cè)序方法,利用藍(lán)藻通用引物進(jìn)行擴(kuò)增測(cè)序,結(jié)果與基因庫(kù)進(jìn)行比對(duì),鑒定藻種類.

2 結(jié)果與討論

2.1 原水嗅味物質(zhì)含量

東太湖某水廠每年夏季都存在原水中2-MIB濃度過高的問題,以 2013年夏季的數(shù)據(jù)(圖1)為例可知,從7月中旬起,取水口A和B及附近養(yǎng)殖區(qū)中2-MIB濃度開始出現(xiàn)攀升,最高可達(dá) 1000ng/L,取水口采樣點(diǎn)平均值均超過100ng/L,養(yǎng)殖區(qū)的采樣點(diǎn)平均值甚至高達(dá)503.62ng/L,而 2-MIB 的嗅閾值僅僅為 10～15ng/L,且常規(guī)水處理工藝對(duì)2-MIB的去除率非常低[9],極易導(dǎo)致出水嗅味濃度超標(biāo).

圖1 2013年7月太湖某取水口A、B及附近養(yǎng)殖區(qū)典型嗅味物質(zhì)2-MIB濃度Fig.1 Concentration of typical odor compound 2-MIB in two water intakesand a nearby aquiculture area of Tai Lake in July, 2013

2.2 藻種類數(shù)量分布與主要藻類基因鑒定

圖2 DNA電泳條帶Fig.2 DNA electrophoresis bands

以往關(guān)于太湖中藻類的研究報(bào)道以微囊藻等為主[10-11],而本研究結(jié)果表明(圖2),取水口A、B以及養(yǎng)殖區(qū)原水中藻類均以絲狀藻和硅藻為主.通過顯微鏡觀察,發(fā)現(xiàn)絲狀藻主要分為兩種.分離提純后分別提取其DNA,通過瓊脂糖電泳測(cè)定其堿基長(zhǎng)度基本均在 5000bp位置(圖 2).將DNA樣品進(jìn)行測(cè)序與現(xiàn)有基因庫(kù)進(jìn)行比對(duì),結(jié)果發(fā)現(xiàn)一種藻類 DNA與 Limnothriχ sp.匹配度達(dá)100%,另一種與 Planktothriχpseudagardhii匹配度達(dá)99%.可以確定兩者均為藍(lán)藻門顫藻目,前者為澤絲藻屬,后者為浮絲藻屬.有研究表明,浮絲藻能夠產(chǎn)生典型嗅味物質(zhì)如 2-MIB、土嗅素等

[12-13],同時(shí),其部分種類會(huì)分泌藻毒素,包括肝毒性的微囊藻毒素(Microcystins)、海兔毒素(Aplysiatoxin),神經(jīng)毒性的魚腥藻毒素-a (Anatoxin-a)以及貝類麻痹性毒素(PSP)[14-15].因而該種藻類也被認(rèn)作極為重要的有害藍(lán)藻之一.另有研究表明浮絲藻不僅在富營(yíng)養(yǎng)型水體中生長(zhǎng),同時(shí)在中營(yíng)養(yǎng)型寬闊淺水水體中也能大量繁殖[16].東太湖地區(qū)湖水平均深度不足 3m,湖面寬闊風(fēng)力較小,從春季進(jìn)入夏季后,湖水流速下降,水溫穩(wěn)定在30℃,這些條件均適宜澤絲藻、浮絲藻等對(duì)水力沖刷較敏感的絲狀藍(lán)藻生長(zhǎng).

圖3 采樣點(diǎn)藻種類分布Fig.3 Distribution of algae species in sampling places

圖4 典型藻類顯微鏡照片F(xiàn)ig.4 Microscope photos of typical odor producing algae

通過連續(xù)監(jiān)測(cè)原水中藻類含量,澤絲藻、浮絲藻與針桿硅藻分別占總藻數(shù)量的 36.34%、26.28%和15.03%,連續(xù)測(cè)定9d的監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致,表明水體環(huán)境適宜上述幾種藻類生長(zhǎng),且組成穩(wěn)定,文獻(xiàn)[17-18]表明顫藻目絲狀藍(lán)藻類,如顫藻屬、浮絲藻屬等藍(lán)藻會(huì)產(chǎn)生大量2-MIB,單位藻體產(chǎn)生的2-MIB濃度可達(dá)0.75pg/cell,童淑珠[19]報(bào)道Oscillatoriasp.可以產(chǎn)生2-MIB,吳中興等[16]研究發(fā)現(xiàn)多種拉氏擬擬浮絲藻類均能產(chǎn)生典型嗅味物質(zhì).而其他典型藍(lán)藻諸如銅綠微囊藻,其單位藻體產(chǎn)生的 2-MIB 濃度僅僅為 5.98× 10-5pg/cell[20].此外,上述 3處水樣中還能觀察到其他致嗅藻類諸如柵列藻、盤星藻、鼓藻等,圖4為水樣中代表性藻類鏡檢圖.進(jìn)一步說(shuō)明當(dāng)?shù)卦写嬖诖罅靠梢葬尫判嵛段镔|(zhì)的藍(lán)藻,在溫度、光照適應(yīng)情況下,會(huì)迅速增殖并合成釋放嗅味物質(zhì)進(jìn)入水體,即水源中的致嗅藻類可能是2-MIB的重要來(lái)源.

2.3 藻類密度與嗅味物質(zhì)濃度關(guān)系

原水中 2-MIB 濃度較高,平均值為608.35ng/L,其中養(yǎng)殖區(qū)濃度高于取水口 A、B,具體見表1.

表1 采樣點(diǎn)2-MIB濃度(ng/L)Table 1 Concentration of 2-MIB in sampling places(ng/L)

圖5和表1中數(shù)據(jù)表明2-MIB濃度與藻類密度有較強(qiáng)的線性相關(guān)性(R2=0.85),每個(gè)藻細(xì)胞對(duì)應(yīng)2-MIB濃度為 0.59pg/cell,即當(dāng)藻細(xì)胞濃度達(dá)到16949.15個(gè)/L時(shí),2-MIB濃度便可超過國(guó)家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)[21]中規(guī)定的10ng/L.因此該地區(qū)水中致嗅藻類的存在將極大影響水質(zhì)安全.同時(shí),結(jié)果還表明(圖 6),水中氨氮濃度與藻密度相關(guān)性明顯,且氨氮濃度從養(yǎng)殖區(qū)向取水口A和B方向依次降低,推測(cè)主要由魚蝦類水產(chǎn)動(dòng)物的代謝導(dǎo)致養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)較高的氨氮濃度,并逐漸向外圍擴(kuò)散.隨著采樣點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離養(yǎng)殖區(qū),水樣中藻類密度、2-MIB濃度呈線性下降(圖7),證明取水口附近的水產(chǎn)養(yǎng)殖可能會(huì)導(dǎo)致當(dāng)?shù)卮婊畲罅慨a(chǎn)嗅藻類并釋放嗅味物質(zhì),或者使原本由于當(dāng)?shù)靥厥獾乩項(xiàng)l件情況下生長(zhǎng)的大量產(chǎn)嗅藻類在該營(yíng)養(yǎng)鹽條件下大量合成釋放嗅味物質(zhì).

圖5 藻類密度與2-MIB濃度相關(guān)性Fig.5 Correlation between the concentration of algae and 2-MIB

圖6 藻類密度與氨氮濃度關(guān)系Fig.6 Correlation between the concentration of algae and ammonia nitrogen

圖7 藻類密度與2-MIB濃度隨距離變化Fig.7 Correlation between the concentration of algae and 2-MIB along withdistance variation

2.4 嗅味物質(zhì)在藻細(xì)胞內(nèi)外的分布

圖8 藻細(xì)胞、胞外水溶液中2-MIB濃度比例Fig.8 Proportion ofintracellular andextracellular concentration of 2-MIB

為進(jìn)一步確定原水中藻類對(duì)與嗅味物質(zhì)貢獻(xiàn),測(cè)定了藻細(xì)胞內(nèi)和胞外水溶液中2-MIB濃度(圖8),取水口A和B水樣中胞內(nèi)2-MIB濃度均大于30%.養(yǎng)殖區(qū)水樣中胞內(nèi)2-MIB濃度所占比例較取水口處高接近一倍,達(dá)到68%,表明取水口處的2-MIB部分由取水口處的藻細(xì)胞釋放,部分可能來(lái)自于養(yǎng)殖區(qū)的擴(kuò)散.綜上,藻細(xì)胞自身含有大量2-MIB,當(dāng)藻細(xì)胞經(jīng)預(yù)氧化等處理細(xì)胞破裂后,其胞內(nèi)嗅味物質(zhì)會(huì)大量進(jìn)入水溶液,造成溶解性嗅味物質(zhì)濃度升高,因此,實(shí)際生產(chǎn)采用預(yù)氧化除藻時(shí),應(yīng)優(yōu)選氧化劑并優(yōu)化氧化劑濃度,盡量控制藻細(xì)胞的破裂及胞內(nèi)嗅味物質(zhì)的釋放.

3 結(jié)語(yǔ)

東太湖某水源地水體富營(yíng)養(yǎng)化、氨氮濃度升高,同時(shí)水深較淺,夏季高溫時(shí)水體波動(dòng)較小,致使大量澤絲藻,浮絲藻等致嗅絲狀藍(lán)藻的生長(zhǎng),在其生長(zhǎng)過程中代謝生成大量 2-MIB,導(dǎo)致原水中嗅味物質(zhì)2-MIB濃度嚴(yán)重過量.若想從根源解決該地區(qū)原水中的嗅味問題,應(yīng)考慮停止取水口附近的水產(chǎn)養(yǎng)殖,并進(jìn)一步研究上述幾種致嗅藻類的對(duì)各種環(huán)境條件的響應(yīng)機(jī)制,提出最適宜的技術(shù)手段.

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[21]GB5749-2006 生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) [S].

京津冀有望用上“海電”

據(jù)報(bào)道,位于唐山灣、規(guī)模為300臺(tái),每臺(tái)單機(jī)容量為4MW的京津冀地區(qū)首個(gè)海洋風(fēng)電項(xiàng)目,將于2016年完成裝機(jī)和建成調(diào)試,并將于2017年初并入電網(wǎng),直供京津冀地區(qū)使用.

京津冀地區(qū)空氣污染嚴(yán)重,發(fā)展清潔能源已成為多方共識(shí).海上風(fēng)電是清潔能源發(fā)展的新方向之一.不久前國(guó)家發(fā)改委制定出臺(tái)了海上風(fēng)電價(jià)格政策,此舉助推了海上風(fēng)電項(xiàng)目的發(fā)展建設(shè),進(jìn)一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),促進(jìn)節(jié)能減排.那么,海上風(fēng)電具備哪些優(yōu)勢(shì),其發(fā)展前景如何,其他國(guó)家又是如何發(fā)展的?

摘自中國(guó)環(huán)境報(bào)2014-08-21

Contribution of algae on theoccurrence of odor and taste compound 2-MIB in drinking water source of East Tai Lake

SHAO Chen1, LI Lei1*, YU Shui-li1, HOU Li-an1, YANG Fan2, YIN Qi2, QI Qing2(1.College of Environmental

Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Huayan Water Service Corporatiion limited, Suzhou 215220, China). China Environmental Science, 2014,34(9)：2328～2333

To figure out the reasonof severe odor problem in the water source of East Taihulake, the algae species and cell densities, as well as their correlationswith 2-MIBconcentration were investigated. Two dominated filamentous algae species in the water were identified according to16S rDNAdetection. The result indicated thatthe algae cell density and the concentration of 2-MIB were of high correlation with R2>0.85.Sometypical odor compounds producer Oscillatoriales (includingthe identified species Limnothrix and Planktothrix) and Synedraaccount for over 55% of the total algae cell numbers. In particular, the intracellular 2-MIB account for 68%of its total concentration, indicating the risk of intracellular 2-MIB release during the water treatment. In addition, the density of algae as well as the concentration of 2-MIB and ammonia nitrogen were decreased withthe increasing distance between sampling points and the aquiculture zone, suggesting that the high concentration of 2-MIB around the intakes wasprobably caused by the aquiculture activities.

2-MIB；16SrDNAgene identification；algae related odor and taste compounds；intracellular-extracellular；algae metabolism products

X524

A

1000-6923(2014)09-2328-06

邵 晨(1988-),男,吉林長(zhǎng)春人,同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,主要從事水處理理論與技術(shù)研究.

2013-11-25

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助(2012ZX07403-001);國(guó)家自然科學(xué)基金(51308398);中國(guó)博士后基金(2013M531215,2014T70428)

* 責(zé)任作者, 講師, lilei@#edu.cn