NaClO與KMnO4氧化對針桿藻滅活特性研究

摘要：以針桿藻（Synedra sp.）為研究對象，考察了NaClO與KMnO4在不同投量和不同pH條件下對針桿藻的滅活特點以及對光合活性的影響。結果表明，在0～5 mg/L投加范圍內，NaClO對針桿藻的滅活效果隨劑量的增大而提高，投加量為3 mg/L是抑制藻活性的最佳投量，并且在酸性條件下NaClO能更好的發揮其氧化降解的作用；KMnO4對針桿藻的降解效果不明顯，說明投加KMnO4（≤5 mg/L）對針桿藻沒有很好的滅活效果。氯化對針桿藻滅活效果好，但是會造成細胞解體，引起藻內有機物的釋放，危及飲用水安全。

關鍵詞：針桿藻；NaClO；KMnO4；滅活；光合活性

中圖分類號：X524文獻標志碼：A文章編號：16744764（2015）03014209

Abstract：

The inactivation efficiencies of Synedra sp. by NaClO and KMnO4 oxidation were investigated. The results indicated that in the range of 0～5 mg/L in the neutral condition， the inactivation efficiencies increased with the increase of NaClO dosage and the optimun dosage was 3 mg/L. Meanwhile NaClO showed a better degradation ability in acidic condition. The degradation ability of KMnO4 was not significant， indicating that KMnO4 had no effect on inactivation. Chlorination was effective for Synedra sp. inactivation， and however led to cell disintegration and organic matter release， thus endangering the safety of drinking water.

Key words：Synedra sp.；NaClO；KMnO4；inactivation；photosynthetic activity

近年來，中國河流、湖泊富營養化情況嚴重，水華頻發。作為中國重點水域的三峽庫區，由于三峽工程的周期運行使得庫區的水文、水環境等較蓄水前發生了巨大的變化，庫區支流河道型的硅藻“水華”現象時有發生，嚴重影響了供水安全[13]。硅藻的控制已經成為一個亟待解決的熱點問題。與湖泊型水庫的典型的藍綠藻水華不同，三峽庫區多以硅藻水華為主，尤以硅藻屬的針桿藻水華最為嚴重，約占總數的85%。從藻類的生理結構而言，硅藻為真核藻類，其細胞、細胞壁結構（外層為二氧化硅，內層為果膠質，對不利環境具有一定的抵御能力）、光合作用系統構成上均與原核類的藍藻有著明顯的區別。而目前關于凈水廠滅藻技術的研究以藍綠藻為主[46]，如化學藥劑法、紫外線法、超聲波法等，硅藻在滅活機制和效能上可能有別于藍藻，因此，抑制硅藻類的活性并減少其對供水安全的影響具有重要的研究價值。

在各種滅藻技術中，預氯化是應用最廣泛的方法，它能增強對藻類細胞的去除[7]。目前，對藍藻細胞的氯化效果已經有很好的研究[810]。高錳酸鉀預處理能有效控制不好的氣味和味道并抑制生物生長，它還能提高混凝效果并且控制消毒副產物的生成[1112]，有學者對高錳酸鉀作為預處理藥劑對藻的去除進行研究也得到了較為不錯的結果[13]。有研究表明，NaClO、KMnO4會對藍藻的光合作用活性產生負面影響[14]，導致藍藻細胞的死亡。在過去的研究中已經證實，脈沖調幅（PAM）熒光測定術能很好的檢測光合作用的PSII階段，表征藍藻細胞的光合作用活性[1516]，可以用來解釋藻細胞失活的內在機制。目前的研究主要是針對藍藻，對硅藻的去除研究很少，鑒于常用化學藥劑對藍藻的去除效果好，本研究對比考察了NaClO、KMnO4在不同投加量和不同pH條件下對硅藻的滅活效果，旨在為硅藻滅活技術研究提供一定的參考。

1材料和方法

1.1試驗材料和試劑

硅藻屬針桿藻 （Synedra sp.，FACHB1296）購自中國科學院武漢水生生物研究所，采用AGP培養基[17] ，在恒溫光照培養箱中進行培養。恒溫光照培養箱運行參數：溫度為20.0±1.0 ℃；光照強度為2 500 Lx；光/暗周期為14 h∶10 h。實驗中所使用的針桿藻初始濃度約為25～35×106 cell/L。

試驗中采用的NaClO溶液（w%：36.5%）和高錳酸鉀均為分析純。

1.2試驗方法

試驗采用同一培養階段的針桿藻，在不同的pH及NaClO/ KMnO4投加量下，分別檢測了其光合作用活性的變化，進而表征氯化與KMnO4預氧化對針桿藻的滅活特性。大多數自然水體的pH在6.0～9.0之間，反應藻液的pH分別采用0.1 mol/L 的鹽酸和NaOH進行調節，研究在酸性、中性、堿性（pH分別為5、7、9）水體中NaClO和KMnO4對硅藻光合活性的影響。硅藻在溫度15～25 ℃時生長較佳[18]，并且易在春季“爆發”[3]，因此，調節試驗的反應溫度始終維持在20.0±1.0 ℃（DC0510智能恒溫槽，寧波新芝生物科技股份有限公司）。反應過程中，采用磁力攪拌器對藻液進行攪拌，確保其各部分均勻。在預先設定的時間點進行取樣 ，并在樣品中加入一定量0.1 mol/L Na2SO3溶液，用于終止氧化反應，隨即對樣品進行分析。

1.3分析方法

針桿藻的PSII系統的光量子產量Y（反映實際光合效率），葉綠素a及快速光響應曲線（rapid light curves，RLC）采用浮游植物分類熒光儀（PHYTOPAM，德國Walz公司）進行測定。快速光響應曲線的測量條件設定為：步長10 s，最大光照強度764 μmol·m-2·s-1。參數α、ETRmax由如下RLC 方程擬合得到[19]，見式（1）。

ETR=ETRmax×

（1-α×PAR/ETRmax）×e-β×PAR/ETRmax（1）

式中：ETR為相對電子傳遞速率；ETRmax為最大相對電子傳遞速率，反映最大光合速率；PAR為光強，μmol/（m2·s）；α為初始斜率，反映了光能的利用效率；試驗中主要通過Y、α、ETRmax、葉綠素a值來反應藻細胞的活性。pH 采用雷磁PHS3C型pH計測定。

NaClO的濃度采用哈希公司的余氯儀量進行檢定。

2結果和討論

2.1NaClO對針桿藻的滅活特性研究

2.1.1NaClO投加量對針桿藻滅活效果的影響

當NaClO投量分別為0.5、1.0、2.0、3.0、5.0 mg/L時，針桿藻光合作用活性隨時間的變化如圖1所示。從圖中可明顯看出，隨著NaClO投量（≤3 mg/L）的增加，各光合作用參數值的降解速率均隨之加快，而投量為5 mg/L對針桿藻光合作用活性的降解速率與3 mg/L的已無明顯差異。

如圖1（a）～（c）所示，當NaClO投量為2.0 mg/L時，反應2 min后針桿藻光能的利用效率ɑ和最大相對電子傳遞速率rETRmax兩個參數值均迅速降為0，且其降解主要發生在最初的1 min內；反應5 min后光量子產量Y值也下降至0，且其下降主要在最初的2 min內。這說明2.0 mg/L的NaClO能在短時間內迅速抑制針桿藻的光合系統，抑制可能從破壞PSII系統電子傳遞鏈開始。

如圖1（d）所示，在NaClO的投加量小于1 mg/L條件下，60 min反應時間內葉綠素a無明顯降解；當投量≥2.0 mg/L時，隨著投加量的增加，葉綠素a的降解速率逐漸增加，并且在0～10 min時間內，葉綠素a值降解最為顯著， 30 min以后趨于平緩；并且圖中可見當NaClO的投量為3.0和5.0 mg/L時，葉綠素a的降解效果已無明顯差異，增大投加量不能明顯提高其降解率。而郭建偉[20]的研究發現，當NaClO的投加量在3.75 mg/L時，銅綠微囊藻的葉綠素a在最初的1 min內降解效果最為顯著。在本次試驗中，當NaClO的投加量為3 mg/L時30 min后葉綠素a的降解率為86.6%，而在相同投加量下的NaClO對銅綠微囊藻的葉綠素a降解率在30 min時僅為21.79% [21]，故NaClO對針桿藻的葉綠素a降解率雖然反應初期較為緩慢，但后期的降解效果明顯好于銅綠微囊藻。歐樺瑟等[6]提出了氯化滅活銅綠微囊藻過程的三個步驟的假說，即：氧化劑滲透內部降解細胞結構解體。由于硅藻的細胞壁由外層二氧化硅和內層果膠質組成，而藍藻的細胞壁則由外層纖維素和內層果膠質組成，因此，細胞壁組成及結構的差異導致NaClO能更快速地破壞并滲透進入銅綠微囊藻細胞，而與其胞內物質發生化學反應。另一方面，由于銅綠微囊藻屬原核生物，無核膜和葉綠體，其類囊體（膜上含有光合色素和電子傳遞鏈組分，為光合反應中心）分散在細胞質中；而針桿藻為真核生物，有核膜和葉綠體，其類囊體集中位于一個巨大軸生的葉綠體內。因此，類囊體的相對集中，使得相同的反應條件下NaClO對針桿藻中葉綠素a的破壞程度更大。

由圖1（a）和（b）比較看來，NaClO對Y、ɑ和rETRmax值的降解主要發生在2 min內，而對葉綠素a 的降解主要發生在10 min內，葉綠素a的降解要明顯滯后。這可能是因為NaClO需要依次滲透進入硅藻細胞、葉綠體、類囊體才能與葉綠素a發生反應或是NaClO直接與細胞解體后釋放的葉綠素a發生反應。因此，對葉綠體的破壞要先于葉綠素a，而對葉綠體的破壞即可直接抑制針桿藻的光合系統。

但是，Ma等[7]試驗表明，氯化損壞銅綠微囊藻的細胞膜，并導致細胞內物質，如：毒素、K+， 葉綠素a的釋放。因此，NaClO滅活硅藻可能會造成細胞的解體，引起胞內有機物的釋放，危及飲用水安全。

2.1.2NaClO對針桿藻的降解動力學

由2.1.1節中可知，藻的光合活性Y值和葉綠素a值隨時間遞減，并且其降解趨勢呈現擬一級反應動力學的特征。

圖2和表1顯示，NaClO投加量對針桿藻的降解影響是比較大的。當NaClO投加量為0.5 mg/L時，Y值和葉綠素a值的降解速率常數k分別為0026和0.007 min-1，而投加量增加到3.0 mg/L時，k分別為0.967和0.167 min-1，影響非常大。

在逐漸減小，特別是當投加量為5.0 mg/L時，其對葉綠素a的降解速率幾乎與3.0 mg/L投加量的相同，說明降解的程度已經趨于飽和，因此從經濟性的角度考慮認為，NaClO降解針桿藻的最佳投加量為3.0 mg/L。

2.1.3NaClO在不同pH條件下對針桿藻滅活效果的影響

NaClO在不同pH條件下（pH=5、7、9）對針桿藻滅活效果的影響如圖4所示。針桿藻在不同pH條件下的滅活速率依次為：pH=5> pH=7 pH=9。這主要是因為20℃時，當pH=9.5時，在水溶液中NaClO以ClO-的形式存在；當pH=7.5時，以ClO-及HClO各占50%的形式存在，而當pH=5.0時，以HClO的形式存在。一方面，由于硅藻表面帶負電荷[23]，因此，分子態的HClO更接近硅藻表面并滲透進入細胞。另一方面，HClO的氧化還原電位遠高于離子態的ClO-。因此，NaClO在酸性條件下更能發揮對硅藻的滅活作用。

2.2KMnO4對針桿藻的滅活研究

2.2.1KMnO4投加量對針桿藻滅活效果的影響

當KMnO4投量分別為0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、5.0 mg/L時，針桿藻光合作用活性隨時間的變化如圖5所示。從圖5（a）～（c）中可明顯看出，KMnO4對光合作用參數光量子產量Y值和光能利用率ɑ值均無明顯降解效果；而最大光合速率rETRmax值的變化趨勢與NaClO降解過程中該值的變化一致，在最初2 min內電子傳遞速率迅速降低，說明KMnO4只抑制了電子的傳遞，減緩了針桿藻的光合系統PSII階段，但是并沒有從根本上對針桿藻的光合作用能力進行破壞。

如圖5（d）所示，在KMnO4幾種投量條件下，60 min反應時間內葉綠素a均無明顯降解，而KMnO4氧化是優先損壞藻細胞內的色素 [14]，故可能是 KMnO4較難滲透進入針桿藻的葉綠體，因此不易實現對葉綠素a的降解，對光合系統抑制不明顯。并且當KMnO4的投加量≥1.5 mg/L時，水質呈紅色，經過1.5 h沒有褪色，可見較大的投加量會影響出水水質。因此，從整體上看，在pH=7時投加KMnO4對針桿藻的活性影響不大。

而Fan等[24]研究指出，高錳酸鉀能有效降解微囊藻，并且在1～3 mg/L范圍內能保持藻細胞結構完整[25]，明顯優于對硅藻的滅活效果，可能是因為藍藻和硅藻的細胞壁組成與結構的差異。在本研究中明顯觀察到氯化對針桿藻的滅活效果要優于高錳酸鉀對其的氧化作用，Fan等[26]對藍藻的處理研究也報道了類似的意見。

2.2.2KMnO4在不同pH條件下對針桿藻滅活效果的影響

KMnO4在不同pH條件下（pH=5、7、9）對針桿藻滅活效果的影響如圖6所示。針桿藻在不同pH條件下的滅活速率依次為：pH=5> pH=7> pH=9。這主要是因為KMnO4在酸性和堿性條件下其反應式不同，在酸性條件下其標準氧化還原電位為E0=1.51 V，Mn能由+7價降低到+2價，而在中性和堿性條件下，其氧化還原電位低得多，分別只有E0=0.588 V和E0=0.564 V[27]，Mn各自只能降低到+4和+6價，說明其氧化性的順序為酸性>>中性>堿性。

如圖6（ac）所示，即使是pH=5時，在60 min后，其Y值也只降低到了0.4，降解率僅為37.5%。并且如圖6（d）中所示，3種pH條件下葉綠素a在60 min內都沒有明顯的降解趨勢。因此，從整體上看，KMnO4對針桿藻沒有明顯的滅活效果。

3結論

1）NaClO對針桿藻的滅活效果顯著，其降解過程符合擬一級反應動力學，投加量為3 mg/L時就能達到很好的滅活效果。但是氯化會破壞細胞結構，使細胞分解，引起藻內有機物的釋放，在后續試驗研究中，可以探討胞內有機物釋放對飲用水安全的影響。

2）酸性條件下NaClO能更好的發揮其氧化降解的作用。

3）KMnO4在投加量≤5mg/L時對針桿藻的滅活效果不明顯；更高劑量下可能會對針桿藻的滅活效果更明顯，但是會影響出水水質。

4）酸性和堿性條件下KMnO4對針桿藻都沒有明顯的滅活效果。

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（編輯胡玲）