UV-B辐射下叶绿素和微囊藻毒素的协同降解效应研究_沈强.pdf

辐射下叶绿素和微囊藻毒素的协同降解效应研究沈 强，李嗣新，冷博涵（水利部中国科学院水工程生态研究所 水利部水工程生态效应与生态修复重点实验室，湖北武汉）摘要 目的探讨水体微囊藻毒素无二次污染的高效降解方法。方法通过开展国内富营养化水体中常见的藻毒素异构体、在叶绿素的添加与否条件下，研究 对富营养化水体中叶绿素和微囊藻毒素的协同降解效应。结果 的 照射 ，、降解率分别为 和，而添加叶绿素后、的降解率分别高达 和；的 照射 ，、均产生大量的光降解异构体产物，异构体产物与残余 的色谱面积比分别为 和，而添加叶绿素后、均被完全降解，和异构体产物均未检出。添加叶绿素后 呈现出高效完全光降解，避免了常规光降解产生大量潜在毒性的异构体产物的缺点；的 照射 ，对、与 混合溶液、与 混合溶液中的叶绿素 的降解率分别为、和。结论叶绿素能高效催化 对微囊藻毒素的光降解；水体添加叶绿素后 呈现高效完全光降解，避免了常规光降解产生大量潜在毒性的异构体产物的缺点；微囊藻毒素的添加延缓了 对叶绿素的光降解，值得进一步深入研究。关键词 微囊藻毒素；叶绿素；协同降解中图分类号 文献标识码 文章编号（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，），；基金项目 水利部水利技术示范项目（）。作者简介 沈强（），男，河南潢川人，教授级高级工程师，博士，从事藻类学、环境生物研究。收稿日期 近年来随着人类活动增加和水体富营养化，我国湖泊水库蓝藻水华频繁发生。太湖、滇池和巢湖蓝藻大面积的暴发进一步引起了人们对水体富营养化的关注。蓝藻水华的暴发，不仅破坏了水生生态系统的多样性，而且产生大量微囊藻毒素（），对水环境造成严重污染。如太湖水华暴发期间，水源水中胞内 平均浓度 ，胞外 浓度可高达 ，远远超过 标准，给人类健康带来潜在威胁。鉴于水体中微囊藻毒素带来的巨大危害，水体中微囊藻毒素的消除成为当前水环境保护研究的重要问题之一。目前常用水体 消除方法有活性炭吸附、絮凝吸附、超滤膜分离、光降解、微生物降解等，上述方法往往具有一定局限性，有必要进一步发展高效率、无污染的毒素降解方法。研究表明，在太阳光和紫外线照射下的光降解现象，未加光催化剂的光降解效率低，而 等催化剂的加入对水体有带来二次污染的风险；且 的光降解中许多研究采用 照射，而由于臭氧层阻挡，达到地面的日光中的紫外线波段中能量较强的为，不存在。研究 波段下 的降解特征意义更为重要。此外，富营养化水体中含有有色可溶性有机物等天然有机物，能吸收太阳光而自然降解。鉴于天然富营养化水体中普遍存在大量的叶绿素和，且二者均具有明显的光降解效应，在 照射下富营养化水体中叶绿素和 很有可能表现出协同作用的降解特征，因此，在水体中添加叶绿素等天然有机物的方法可能是大幅提升 的 光降解效率的可行途径之一。基于上述问题，笔者通过开展国内富营养化水体中常见的藻毒素异构体、在叶绿素的添加与否条件下，研究 照射下的降解特征，探讨蓝藻毒素降解的可能机制以及安全、无二次污染的去除水华 的光降解方法。材料与方法 试验材料 叶绿素的制备。取 新鲜菠菜，按 加入丙酮，在 下搅拌抽提 后，下 离心，得到 提取液，旋转蒸发器蒸干后，用适量丙酮溶液溶解，用超纯水稀释 倍以上后用 针头过滤器过滤，配制成叶绿素 含量为 的水溶液，即刻用于试安徽农业科学，（）：验。微囊藻毒素纯品的制备。微囊藻毒素 和的纯化参照 等和 等的方法。产毒微囊藻采用孔径 浮游生物网采集自武汉市微囊藻水华严重暴发的池塘，经显微镜镜检，藻样的铜绿微囊藻优势度在 以上。经晒干、粉碎后加入 的乙酸 ，用搅拌器搅拌抽提 。提取液在 下离心 取上清；沉渣再用 乙酸重复抽提 次，合并上清液，过 柱分离纯化。纯化的洗脱液干燥后得到微囊藻毒素粗提物。毒素粗提物用 乙腈（）溶解后，用 制备型，采用乙腈流动相、梯度淋洗技术进行纯化。收集毒素出峰中段，旋转蒸发器蒸干后再次加 乙腈（）溶解，反复制备 次，即纯化得到 和 的纯品。经分析型 检测，和 纯度均大于。用超纯水溶液将毒素稀释，分别配成 含量.、含量 的水溶液。试验方法 辐射试验。光源为功率 的 型紫外灯（波长 ）。取 个容量约 的石英比色皿，分为对照组和处理组。每组石英比色皿中分别依次加入叶绿素水溶液、叶绿素 水溶液、叶绿素 水溶液、水溶液、水溶液。叶绿素和微囊藻毒素水溶液的比例为。对照组在完全避光黑暗的环境下存放（室温 ），以避免可见光对叶绿素的降解效应。处理组另采用辐射强度为 的 从石英比色皿的一侧水平方向照射（其他条件与对照组相同，完全避光）。的辐射强度通过调节紫外灯与比色皿距离的方法实现。每隔 对所有培养皿中的溶液取样，每次取溶液 ，用于微囊藻毒素和叶绿素含量测定。反应溶液的吸收光谱检测。取一定体积的 和叶绿素相关试验的反应溶液，用紫外分光光度计（，）在 扫描，扫描间距，作出其吸收光谱，观察 辐射和 存在与否条件下叶绿素特征峰的变化规律。微囊藻毒素检测。微囊藻毒素检测方法参照沈强等的方法，采用岛津 型 测定毒素浓度。微囊藻毒素标准样品、购自 公司。色谱条件：检测波长 ；检测器为紫外检测器；流动相为（）（）；流速 ；炉温；色谱柱为岛津 色谱柱（）。叶绿素含量测定。采用 等的方法测定叶绿素含量。取 反应溶液加入 丙酮，配成 丙酮溶液，在分光光度仪（，）上测定、下吸光度（以 丙酮为空白）。数据处理 试验数据采用 进行绘图与分析。微囊藻毒素降解率的计算公式：降解率（），式中，为起始浓度；为反应溶液中浓度。结果与分析 对 的光降解 的降解。在、的起始浓度分别为 和 、光强为 、室温 的条件下，考察反应时间和添加 叶绿素 对降解微囊藻毒素的影响，结果如图 所示。在无 照射的避光室温条件下，无论有无叶绿素的添加，和 水溶液均无降解；无添加叶绿素的微囊藻毒素水溶液，在 照射下呈现较弱程度的光降解现象。其中，水溶液经光强 的 照射、后，微囊藻毒素浓度从 分别降低至.、，毒素降解率分别为 和；水溶液经光强 的 照射、后，微囊藻毒素浓度从 分别降低至、，毒素降解率分别为 和。而添加叶绿素 后，微囊藻毒素的 光降解表现出显著的变化特征。在加入 叶绿素 后，水溶液经光强 的 照射、后，毒素浓度分别降至 和 ，毒素降解率分别为 和；水溶液在 的 照射 后，毒素浓度也从 快速降至，照射 后毒素降解率已达。图 （）和（）在叶绿素催化下的 光降解 （）（）上述结果表明，浓度高达 的微囊藻毒素在叶绿素 的催化下，的 照射 后，水中微囊藻毒素含量即降至 的最低检出限以下，小于 ，达到 和地表水环境质量标准（安徽农业科学 年）的要求。添加 叶绿素 后，微囊藻毒素的 光降解速度可得到数量级的提升。辐射下微囊藻毒素的光降解与异构化。微囊藻毒素水溶液经（波长 ）照射后，毒素、的浓度逐渐降低，同时经 检测发现，在 和 毒素峰后，分别出现了 个光降解产物峰，和 的光降解产物保留时间分别为、。这 种物质与 和 有相似的色谱保留行为（图）。研究毒素的 光降解异构体产物的浓度变化规律可见，在未添加叶绿素 的单一微囊藻毒素水溶液中，经光强高达 的 照射 后，和 的光降解异构体和残余毒素的光谱面积比分别高达.和.，且浓度随着反应时间延迟有进一步逐渐升高的趋势（图）。进一步对比研究添加叶绿素 后的微囊藻毒素水溶液，经 的 照射 后，和 降解率分别高达 和，后所有毒素浓度均降低至 的检测限以下；同时添加叶绿素 后，和 溶液经 照射 后，也均无微囊藻毒素的光降解异构体检出（图）。图 和 在 辐射下的光异构化 图 和 在 照射下产生光异构化的 图谱 对叶绿素的光降解 反应溶液的吸收光谱变动特征。从图 可以看出，水溶液中的叶绿素 在蓝光区和红光区各有 个最大吸收峰，经过 的 照射 后，反应溶液的吸收光谱均发生了显著变化。叶绿素 水溶液的 个特征峰均完全消失，表明 的能量可被叶绿素 吸收并导致叶绿素降解。而根据对溶液颜色的观察结果，照射后 的 和 这 个石英皿中溶液的绿色基本消失，变成微白色，该变化与色素吸收光谱的变化相同。叶绿素在微囊藻毒素协同作用下的 光降解。从图 可以看出，叶绿素溶液在黑暗避光的自然条件下，也存在缓慢的降解现象，单一的叶绿素溶液、添加 和 卷 期 沈 强等 辐射下叶绿素和微囊藻毒素的协同降解效应研究 的叶绿素溶液在 内均有降解，自然降解率分别为、；单一的 叶绿素 溶液，在光强 的 照射、后，叶绿素 发生快速降解，其浓度由 分别迅速降至、，叶绿素 的降解率分别高达 和。可见，水体中的叶绿素 在 照射下非常不稳定，迅速发生降解。添加、的叶绿素 溶液，在 的 照射也发生不同程度的降解。添加 的叶绿素 溶 液，照 射、后，叶 绿 素 浓 度 从 分别降至、，叶绿素 的光降解率分别为.和；添加 的叶绿素 溶液，照射、后，叶绿素 分别降至、，叶绿素 的光降解率分别为 和。据此，该研究发现在叶绿素 的 光降解试验中，微囊藻毒素、的添加明显延缓了溶液中叶绿素 光降解速率。图 反应溶液在 照射前后的全波段扫描图谱 图 叶绿素在微囊藻毒素协同作用下的 光降解 讨论 叶绿素高效催化微囊藻毒素 降解的原理 不添加叶绿素情况下，微囊藻毒素水溶液在 照射下呈现较弱程度的光降解，该原因可能是 对微囊藻毒素的直接光降解的效率较低导致。光降解产物与 相似的色谱保留峰表明微囊藻毒素光降解后产生异构化过程，与陈伟等的试验结果类似。鉴于微囊藻毒素的异构化是一种可逆反应，光降解异构体仍然具有潜在的危害性，在无催化剂的条件下，仅采用高光强的 无法达到高效消除水体中微囊藻毒素的目的。添加叶绿素 后，微囊藻毒素浓度明显降低，无微囊藻毒素的光降解异构体检出，表明叶绿素 的添加极大效率低提升了微囊藻毒素的 降解效率；其次，微囊藻毒素被完全降解，没有异构化产物的存在。紫外线可直接作用于微囊藻毒素 基团上的、双键，导致微囊藻毒素的光降解和异构化，但紫外线直接光降解的效率低下，光强高 安徽农业科学 年达 的 照射下微囊藻毒素降解的半衰期超过 。叶绿素可作为一类天然的光敏催化物，叶绿素的加入可极大提升水体吸收紫外光能的效率，且叶绿素吸收光能后可发生光氧化，在水溶液中形成单线态氧，同时可形成有害的超氧离子、羟基自由基等。该类物质可以高效地氧化攻击溶液中微囊藻毒素分子中的双键结构，从而导致微囊藻毒素产生了完全降解，有效避免了在单纯的 照射下，微囊藻毒素光异构化产物的形成，及其造成二次污染的弊端。微囊藻毒素对叶绿素 的 光降解的保护效应 经过照射 后，叶绿素 水溶液的 个特征峰及特征色彩的消失表明 的能量可被叶绿素 吸收并导致叶绿素降解，该不稳定的特性与水体微囊藻毒素在 照射下的特性相似。根据吸收光谱的变化特征推断，叶绿素高效催化微囊藻毒素的 光降解的原因可能是叶绿素可以有效吸收光能量，并高效传导至微囊藻毒素分子的缘故。该研究同时发现，微囊藻毒素的存在可延缓叶绿素 的光降解，对叶绿素 的 光降解表现出一定保护作用，该现象目前鲜见同类的文献报道。推测微囊藻毒素在通过自身被氧化降解的同时，有效地清除了反应系统中的有害超氧离子、羟基自由基，通过牺牲自己充当了氧自由基清除剂的角色，从而一定程度保护了叶绿素的氧化降解，该类角色与植物体内的类胡萝卜、生育酚等的作用类似。相关机理有待进一步研究。研究与应用前景 该研究提出了叶绿素催化下的 光降解体系，在 内降解微囊藻毒素的效率达到.以上，且无潜在毒性的光异构体产生，催化效率高于 方法、也远高于短波段的 消除微囊藻毒素的效率。同时，该试验中采用的 在太阳光中天然存在，催化使用的催化剂叶绿素是天然富营养化水体的天然物质，该试验研究了 辐射下微囊藻毒素和叶绿素 的协同降解特征，为野外环境条件下开展水体中微囊藻毒素的无污染降解提供了新方向。该研究的方法消除水体微囊藻毒素，不会对产生环境二次污染，对开发水体微囊藻毒素的消除新技术、提升饮用水的水质安全研究具有一定的应用价值。结论该研究以微囊藻毒素和叶绿素 为对象，研究了 辐射下二者协同降解特征，为在野外环境中开展水体中微囊藻毒素的无污染消解提供新的探索方向。主要结论如下：（）的