（环境工程专业论文）固定化细胞对微囊藻毒素的降解研究.pdf

r 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 加i ，6 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论 文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录 本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 蛩埴导师( 签名) ：z 堑：堕坦日期纽坐6 ：；! 摘要 微囊藻毒素( m i c r o c y s t i n ，m c ) 是天然水体中蓝藻水华产生的一类细胞内 毒素，随着蓝藻水华爆发频率的增加，该毒素的产生给人类健康造成了严重的 威胁。本文利用从滇池沉积物中分离出的一株m c 降解菌x 2 0 ，经过细胞固定 化，研究了该m c 降解菌对微囊藻毒素的降解能力，主要实验内容如下：筛选 并优化用于固定化细胞的材料；利用该固定化材料作为载体包埋x 2 0 菌，进行 微囊藻毒素的降解，研究了环境因素对该降解过程的影响；研究了该固定化细 胞降解微囊藻毒素的动力学方程；最后对该固定化细胞的保存方法进行了探索。 主要研究结果如下： 1 ) 固定化试剂毒性实验结果表明，硼酸对x 2 0 菌的活性具有强烈的抑制 作用，而实验浓度的c a c l 2 则对x 2 0 菌的活性影响较小。正交实验结果表明， 单独使用海藻酸钠制成的固定化小球的弹性较好，传质性能较强，对m c l r 的 降解速率较快。确定m c 降解菌的最佳固定材料为海藻酸钠，其配比为3 海 藻酸钠，8 c a c h ，x 2 0 菌浓度大约为1 8 x1 0 7 c e l l s m l ，交联时间为l h 。 2 ) 利用筛选出的固定化材料进行m c 降解菌的固定化，对固定化m c 降解 菌降解m c l r 的能力进行了测定，发现海藻酸钠固定化细胞可在4 d 内将初始 浓度为5 m g l 的m c l r 降解到检测限以下( 0 5 r a g l ) 。温度对固定化细胞的活 性影响较大，在2 0 到3 0 ( 2 内随着温度的升高固定化细胞对m c l r 的降解速率 逐渐增大。固定化细胞降解m c l r 的速率不受初始p h 值和添加外源有机碳、 硝氮和磷的影响。进一步研究表明，该固定化m c 降解菌可在6 d 内将环境浓度 的m c l r ( 1 0 ug l ) 降解到检测限以下( 1l jg l ) 。该固定化细胞重复使用三 次仍具有较强的降解活性。 3 ) 由动力学实验可知，该固定化m c 降解菌对微囊藻毒素的降解过程方可 用一级反应动力学来描述：萨= e a + k t 。 4 ) 固定化细胞的保存实验结果表明，4 c 下固定化细胞可在干燥或自来水 浸泡条件下保存1 0 d 后仍具有降解活性，而在含有m c 的湖水中保存6 0 d 后仍 具有较强的降解活性。 关键词：固定化细胞；微囊藻毒素；m c 降解茵；生物降解 a b s t r a c t m i c r o c y s t i n s ( m c s ) a r e af a m i l yo fi n t r a c e l l u l a rt o x i n s p r o d u c e db y c y a n o b a c t e r i ab l o o mi nn a t u r ew a t e rb o d y t o x i cc y a n o b a c t e r i a lb l o o m sa l eo nt h e i n c r e a s e , p r e s e n t i n g s e v e r et h r e a tt oh u m a nh e a l t h i nt h i s p a p e r , t h e m i c r o c y s t i n - d e g r a d i n gb a c t e r i a , x 2 0 ，w a si m m o l i l i z e da n dt h ea b i l i t yo fd e g r a d a t i o n f o rm c l rm e a s u r e d n l em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w ：t h eb e s tc a r r i e rf o r i m m o b i l i z a t i o nw a ss e l e c t e d i nt h en e x ts t e p ，t h eb i o d e g r a d a t i o no fm c l rb y i m m o b i l i z e dx 2 0w a si n v e s t i g a t e d w ea l s os t u d i e dt h ee f f e c to fe n v i r o n m e n t a l f a c t o r so nt h ed e g r a d a t i o np r o g r e s so fm c s , u s i n gs e l e t e dm a t e r i a la se a r n e rt o i m m o b i l i z e dx 2 0 t h ed e g r a d a t i o nd y n a m i c so fi m m o b i l i z e dc e l l sw a si n v e s t i g a t e d f i n a l l y , t h ee o l l s e r v em e t h o do fi m m o b i l i z e dc e l l sw a se x p l o r e d 砀em a i nr e s u l t s a l el i s t e da sf o l l o w ： 1 ) t o x i ct e s to fi m m o b i l i z a t i o nr e g e n t ss h o w e dt h a tt h ea c t i v i t yo fc e l lw a s s t r o n g l yi n h i b i t e db y b o r i ca c i d , a n dc a c l 2h a dn oo b v i o u se f f e c to nt h ea c t i v i t yo f x 2 0 o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m m o b i l i z e db e a d sm a d eb y n a a l ga l o n ea m o r ef l e x i b l e , t h ep e r f o r m a n c eo f m a s st r a n s f ei sb e t t e r , a n dt h e r a t eo fb i o d e g r a d a t i o ni sf a s t e r s ot h eb e s tm a t e r i a lw a sc o n f i r m e d ，n a 趟吕t h e o p t i m i z e dc o n d i t i o nw a s3 n a a l g , 8 c a c l 2 ，t h ec e l lm a s si sa b o u t1 8 1 0 7 e e l l s m l ，a n dt h ec r o s s l i n k i n gt i m ei s1 h 2 ) t l l i sm a t e r i a lw a su s e df o ri m m o b i l i z a t i o no ft h eb a c t e r i a , a n dt h ea b i l i t yo f t h ei m m o b i l i z e dc e l l sf o rm c l rw a sm e a s u r e d , t h er e s u l t ss h o w st h a tm c l r ( 5 m e , m ) w a sd e g r a d e dt ob e l o wt h ed e t e c t i o nl i m i t ( 0 5 m g l ) i n4d a y s ，t h ee f f e c t so f c u l t i v a t et e m p e r a t u r e , i n i t i a lp ha n dn u t r i e n ta m e n d e do nt h em c l rd e g r a d a t i o nb y i m m o b i l i z e dc e l l sw e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dw ek n o wt h a tt e m p e r a t u r ec o u l da f f e c tt h e a c t i v i t y o ft h ei m m o b i l i z e dc e l l s ，t h er a t e so fm i c r o c y s t i n - l rb i o d e g r a d a t i o n i n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gi n c u b a t i o nt e m p e r a t u r eb e t w e e n2 0t o3 0 t h e r ew a sn o d i f f e r e n c ea l o n gw i t l ld i f f e r e n ta c i d i co ra l k a l i n ec o n d i t i o n sa n dt h ea d d i t i o no f g l u c o s e ，n i t r o g e no rp h o s p h o r u sh a dl l oo b v i o u se f f e c t o nt h eb i o d e g r a d a t i o no f m i c r o c y s t i n l r t h er e s u l to ff u r t h e rr e s e a r c hs h o w e dt h a tt h ei m m o b i l i z e dc e l l s c o u l db i o d e g r a d e dm c l rooi lg l ) i ne n v i r o n m e n tb e l o wt h ed e t e c t i o nl i m i t ( 1u l ) i i l6d a y s ，n l ei m m o b i l i z e dc e l l s s t i l lh a v es t r o n gd u r i n gt h r e ec y c l e so f r e p e a t e dc u l t i v a t i o n i i 3 ) n et e s ta b o u td e g r a d a t i o nd y n a m i c so fi m m o b i l i z e dc e l l ss h o w e dt h a tt h e d e g r a d a t i o np r o c e s so fm i c r o c y s t i n - l rb yi m m o b i l i z e dc e l l sc o u l db ed e s c r i b e db y f i r s t - o r d e rr e a c t i o n ：o = eh 4 ) 1 1 1 ee x p e r i m e n to fc o l l s e r v es h o w e dt h a tt h ei m m o b i l i z e dc e l l sc o u l dk c e p a c t i v i t yc o n s e r v e di nd r y , t a pw a t e ra f t e rlo d ，b u tt h ei m m o b i l i z e dc e l l sh a ds t r o n g d e g r a d a t i o na c t i v i t yw h i c hc o n s e r v e di nl a k ew a t e rc o n t a i n i n gm cw a t e ra f t e r6 0 d k e yw o r d s ：i m m o b i l i z e dc e l l s ；m i c r o c y s t i n ；b i o d e g r a d a t i o n ；m i c r o c y s t i n - d e g r a d i n g b a c t e r i a 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论l 1 1 微囊藻毒素的产生及性质l 1 1 1 微囊藻毒素的产生1 1 1 2 水体中微囊藻毒素的迁移与转化2 1 1 3 微囊藻毒素的性质2 1 2 微囊藻毒素的毒性及其危害3 1 3 微囊藻毒素去除技术的研究现状。4 1 3 1 物理法4 1 3 2 化学法5 1 3 3 生物降解法5 1 4 固定化细胞技术在水处理中的应用及发展6 1 4 1 固定化方法7 1 4 2 固定化细胞技术的优点与缺点8 1 4 3 固定化细胞技术在水处理体系中的应用与发展8 1 5 本课题的研究目标与主要内容。1 0 1 5 1 研究目标。lo 1 5 2 研究内容l0 第2 章固定化材料的筛选1 l 2 1 实验材料。l l 2 1 1 实验试剂l l 2 1 2 实验仪器1 1 2 1 3 水样预处理1 2 2 1 4 菌体培养。1 2 2 1 5m c 粗提液的制备1 2 2 1 6m c l r 的测定。1 2 2 2 实验方法12 2 2 1x 2 0 菌生长曲线的测定1 2 2 2 2 水样中c o d 与可溶性磷的测定1 3 2 2 4 复合材料最佳配方的确定1 4 2 2 5 固定化试剂对x 2 0 菌活性的影响1 5 2 3 实验结果15 2 3 1x 2 0 菌生长曲线的测定1 5 2 3 2 湖水水样中可溶性总磷与c o d 的测定l6 2 3 3 海藻酸钠小球最佳配比的筛选1 6 2 3 4 复合材料小球最佳配比的筛选18 2 3 5 固定化试剂对x 2 0 菌活性的影响2 l 2 4 本章小结2 3 第3 章固定化细胞对m c l r 的降解2 4 3 1 实验材料。2 4 3 1 1 实验试剂2 4 3 1 2 实验仪器。2 4 3 2 实验方法2 4 3 2 1 水样预处理2 4 3 2 2 菌体培养2 5 3 2 3m c 粗提液的制备2 5 3 2 4m c l r 的测定2 5 3 2 5 海藻酸钠固定化细胞的制备2 5 3 2 6 海藻酸钠小球的性能测试2 5 3 2 7 固定化细胞降解m c l r 2 5 3 2 8 培养温度对固定化细胞降解m c l r 过程的影响2 6 3 2 9 初始p t - i 对固定化细胞降解m c l r 过程的影响2 6 3 2 1 0 外加营养源对固定化细胞降解m c l r 过程的影响2 6 3 2 1 l 固定化m c 降解菌的重复使用性能。2 7 3 2 12 数据分析2 7 3 3 实验结果与讨论。2 7 3 3 1 固定化m c 降解菌对m c l r 的降解2 7 3 3 2 温度对m c l r 降解的影响2 9 3 3 3 初始p n 对m c l r 降解的影响。3 0 3 3 4 外加营养源对m c l r 降解的影响3l 3 3 5 固定化m c 降解菌的重复使用性能3 2 3 4 本章小结。3 3 第4 章固定化细胞降解m c l r 的动力学与保存方法的研究3 4 4 1 实验材料3 4 4 1 1 实验试剂3 4 4 1 2 实验仪器3 4 4 2 实验方法3 5 4 2 1 水样预处理3 5 4 2 2 菌体培养35 4 2 3m c 粗提液的制备3 5 4 2 4m c l r 的测定。3 5 4 2 5 固定化细胞对不同浓度m c l r 的降解。3 5 4 2 6 固定化细胞对m c l r 降解动力学基本方程_ 3 5 4 2 7 固定化m c 降解菌的保存3 6 4 2 8 不同保存条件下固定化细胞对m c l r 的降解。3 6 4 3 实验结果与讨论。3 6 4 3 1 固定化细胞降解不同浓度m c l r 3 6 4 3 2 固定化细胞技术降解m c l r 的动力学研究3 7 4 3 3 固定化细胞保存方法的研究。3 8 4 4 本章小结4l 第5 章结论4 3 参考文献4 4 致谢5 0 硕士期间已发表的论文5l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 水体富营养化是由于大量的氮、磷等营养物质等进入湖泊与河流等水体中， 导致蓝藻等藻类的快速繁殖而出现的蓝藻水华现象【1 1 。目前，世界上很多国家 的淡水湖泊蓝藻水华的发生频率和严重程度都在急剧增加，对水生生物与人类 的危害也日益严重，人类社会也越来越关注蓝藻水华所带来的一系列问题【2 】， 随着蓝藻水华的频繁爆发，不仅破坏了水生生态系统的平衡，同时产生和释放 一些有毒化合物，其中微囊藻毒素( m i c r o c y s t i n ，m c ) 是在水华中出现较多的 一类有机物质，m c 是一类环状七肽物质，会抑制蛋白磷酸酶1 与2 a 的活性， 同时还可能会诱发肿瘤，对水生动物与人类的健康造成严重威胁【3 1 。水体富营 养化已成为世界所面临的重大环境问题之一，世界卫生组织规定饮用水中m c 的最高含量为1 9 g l 4 。近年来，我国的一些淡水湖泊，如滇池，太湖，巢湖等 水体均发生了较严重的蓝藻水华污染，甚至在某些河流中也检测到了m c 的存 在，因此，有必要对天然水体中的蓝藻毒素进行处理。 1 1 微囊藻毒素的产生及性质 1 1 1 微囊藻毒素的产生 微囊藻毒素是由铜绿微囊藻( m i e r o e y s t i s ) ，束丝藻( a p h a n i z o m o n o n ) ，鱼 腥藻( a n a b a e n a ) ，念珠藻( n o s t o c ) 等蓝藻细胞破裂后释放的一种细胞内毒素。 细胞内外毒素的分布与量的大小在蓝藻细胞的不同生长阶段是有区别的，研究 发现【5 】，细胞内m c 的浓度在藻类对数生长期时显著增加，并且主要集中在细 胞内部，直到对数生长期末浓度最高，水体中的m c 浓度随着藻细胞死亡破解 逐渐增加。研究表明，m c 的产生与毒性是由遗传基因决定的，d i t t m a n n 等从 铜绿微囊藻中分离出一个被称为m a p e p l 的d n a 片段，能够与产毒的微囊藻进 行特异性杂交，经过测序分析后发现该片段是由一个多肽合成酶基因家族组成， 同时通过插入突变法去掉该基因，研究发现该突变株丧失了产毒特性，因此可 以推测出该d n a 片段参与了m c 的合成【6 】。 n i s h i z a w a 等利用设计出的寡核苷酸引物进行p c r 后筛选基因，判定该基 因的组成，根据多肽合成酶基因的腺苷酸形成区域的保守氨基酸，在微囊藻中 武汉理工大学硕士学位论文 扩增后，将该p c r 产物作为探针，进行基因组文库的筛选。通过对克隆的片段 测序分析，先后发现了7 个与m c 合成有关的基因：m c y a ，m c y b ，m c y c ，m c y d ， m c y e ，m c y f ，m c y g ，其中m c y a b c 是多肽合成酶，而m c y d e 是杂合的多酮一 多肽合成酶【7 - s 。通过各学者的研究发现是由m c y a b c 、m c y d e 这2 个主要操 纵子与其它修饰辅助基因组成m c 合成酶基因的结构嗍。 1 1 2 水体中微囊藻毒素的迁移与转化 m c 在水体中的含量大多低于1 0l ig m ，因为湖泊、河流中的m c 可以被大 量的水体稀释。含有m c 的蓝藻细胞可在水体中与粘土发生共沉淀，导致m c 可积累并滞留在沉积物中或被水生生物，如细菌等捕食后的排泄物沉淀等途径 在水体中迁移【l o l 。 光照强度，温度，溶解氧，水中有机物，水生生物等环境因子也会对m c 在水体中的行为具有一定的影响【1 1 1 。微囊藻毒素可在光照条件下进行光化学降 解过程，也可通过在水体中发生生物降解作用，使m c 的结构与毒性发生变化。 在日光照射下，细胞内的m c 可通过改变侧链a d d a 的双键异构体降低其毒性， 紫外吸收波长越长，m c 的降解速率越快，存在于环境水体中的光敏剂，如腐 殖质与水溶性细胞色素等，可以促进光降解【1 2 1 。宋立荣等研究了光强对铜绿微 囊藻产毒量的影响，发现低细胞浓度的铜绿微囊藻在低光强1 5 i t e m 。2 s 1 下毒素 产量较高，说明m c 对光强的承受力较差【1 3 1 。水体中的细菌、微型动物等生物 能够通过代谢活动消化m c ，或将其排泄出来，使m c 在水体中发生迁移转化。 随着研究的深入，也有学者认为m c 在土壤中的归趋也是一个重要途径【降1 5 】。 1 1 3 微囊藻毒素的性质 m c 的结构是由7 个氨基酸组成环状多肽，具有肝毒性，被称为七肽环肝 毒素，分子量约为1 0 0 0 ，由于环状多肽中氨基酸种类的不同，导致m c 结构与 性质的多样性【1 6 1 ，目前已发现7 0 多种毒素异构体【1 7 1 。m c 的分子式为( d 丙氨 酸一l x - 赤1 3 甲基d 异天冬氨酸l - y - a d d a d 异谷氨酸- n 甲基脱氢丙氨酸) ， 其中a d d a 是一类特殊的氨基酸，是m c 毒性表达的最主要特征结构，其结构 为3 氨基9 甲氧基2 ，6 ，8 三甲基1 0 苯4 ，6 二烯酸，x 及y 为两种可变的l 氨 基酸【i 引，其分子结构式如图l 所示。不同的异构体毒性不同，被广泛研究的几 种毒素是m c l r ，m c y r ，m c r r ，l ，y ，r 分别代表的是亮氨酸、络氨酸与 精氨酸【1 9 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 g l u m 弧a o a l a c o a h 1 v 堑e a s p 图1 1m c 的分子结构 f i g 1 - 1m o l e c u l a rs t r u c t u r eo f m i c r o c y s t i n s m c 的性质比较稳定，在高温下仍能维持较长时间不易分解，并可在室温 下干燥放置数年保持不变，m c 易溶于水和甲醇，不易挥发、沉淀，并且不易 受环境p h 变化的影响，因此常规的水处理工艺很难有效的去除水体中的微囊 藻毒素。 1 2 微囊藻毒素的毒性及其危害 m c 作用的主要靶器官是肝脏，称为肝毒素，m c 极易从血液中进入肝脏， 通过胆酸转送运输系统进入细胞内。m c 通过激活肝细胞内核酸内切酶使d n a 链无规则的断裂，对肝脏产生毒性作用【2 0 】，还会导致脂质过氧化引起氧化损失 作用1 2 ，m c 能够强烈抑制蛋白磷酸酶i 型( p p i ) 和2 a 型( p p 2 a ) 的活性， 导致磷酸化与去磷酸化调节失去平衡，引发一系列生理变化，威胁人类的健康 2 2 j 。b h a t t a r y a l 2 3 1 等向小鼠腹腔内注射5 、1 0 、2 0 倍l d s o 剂量的m c 粗提液，一 段时间后发现血中尿素与肌酸的水平升高，但是白蛋白含量下降，随后小鼠尿 液中检测出血红素，蛋白，胆红素，研究还发现肾脏l d h 与谷草转氨酶的含量 均有所下降，说明m c 还可能具有肾毒性。王红兵1 2 4 】等将m c 加入b a l b g 3 t 3 细胞中7 2 h 后，发现细胞间隙连接作用受到了明显的抑制作用，钙离子的浓度 升高，随着钙离子含量的持续升高，蛋白激酶则会被激活，导致细胞无规则分 裂，同时连接通讯设施也会被抑制，使周围细胞对启动细胞增殖的监控作用破 坏，导致其自主随意生长，最终有可能转化为恶性肿瘤。 人类皮肤直接暴露于蓝藻水华中时，会引起眼睛疾病、皮肤过敏，发烧以 武汉理工大学硕士学位论文 及急性肠胃炎，长期接触此类水体，会诱发皮肤癌、肝炎以及肝癌等严重疾病。 1 9 9 6 年巴西的某医院血透中心使用的生产透析液的水中含有m c ，导致1 2 6 个 病人中有11 6 个人出现恶心、呕吐、昏迷等神经系统中毒现象，2 个月后造成 6 0 人死亡，该事件引起了全世界的关注，对蓝藻水华的去除方法逐渐成为人类 社会研究的热点之一。 一定浓度的m c 可导致鱼卵突变，蚤类死亡，使鱼类行为与生长异常而死 亡【2 习，m c 对泥鳅胚胎、幼体发育与泥鳅卵发育阶段的影响最明显，导致幼体 的发育异常，主要表现在心脏不正常发育、头与身体变弯曲畸形，心脏与肝也 是m c 的主要攻击目标，m c 也会对茄属植物的生长与豆类植物根的发育造成 一定的不良影响【2 6 】。鱼腥藻以及念珠藻的生长可被一定量的m c 完全抑制，同 时其细胞也会发生溶解死亡，可推测出微囊藻能够释放具有毒性的m c 物质以 杀死周围藻类，使自身保持为优势群体【2 7 1 。 t 3 微囊藻毒素去除技术的研究现状 1 3 1 物理法 传统水处理中，通过絮凝剂对藻细胞进行混凝、沉淀，去除部分细胞内毒 素，但不能去除水体中的胞外毒素，因此并不能完全去除m c ，沉淀累积于沉 积物中的絮凝物，经过风力等水力扰动作用可能会使该含有m c 的细胞重新悬 浮于水体中网。有学者【2 9 】用铝盐进行除藻实验，发现除藻效果在p h 大于6 时 较好，但是水体中的m c 含量却稍有增加。也可通过过滤的方法去除藻细胞， 即采用滤网以拦截大于滤网孔径的藻类，实验研究发现【捌，微滤机对藻类的去 除率可到6 1 左右。但微滤在水处理中并未得到广泛应用，因为其对浊度、色 度与一些有机物质的去除率非常低。 物理方法去除微囊藻毒素还会用到吸附剂活性炭，因为活性炭能够有效的 去除水体中的有机物，大量的研究结果表明【3 ”卯，活性炭可以成功去除m c ， 但在实际水处理中其性能降低，另外也不确定m c 被活性炭吸附的概率，可能 会被生物降解，也可能会再次释放到水体中，此外水体中的有机物还可能与 m c 竞争吸附位【3 6 】，降低活性炭对m c 的吸附能力，还需进一步研究确定其是 否能够成功的应用到实际水处理中。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 化学法 通过向水体中加入氯、臭氧、过氧化氢、高锰酸盐等氧化剂，与m c 发生 化学反应进行m c 的去除，也可采用光催化进行m c 的氧化作用，实际水处理 中应用较为广泛的一种除藻剂是硫酸铜，多用于源水处理，但是硫酸铜的浓度 必须大于0 1 m g l ，才能够完全抑制藻类的生长，因此会水体中的铜浓度会大 大增加，对人体的健康造成威胁，同时藻细胞仍然存在于水体中，随着硫酸铜 沉淀与沉积物中一段时间过后，细胞死亡破裂又会释放出m c ，由此可知投加 除藻剂的方法耗药量大，费时费力，还可能会造成水体的二次污染，增加工作 量。n i c h o l s o n 【3 刀等通过氯化与氯胺化作用去除m c ，研究结果表明，n a o c i 与 c a ( o c l ) 2 在碱性条件下对m c 的去除效果较差，可能是因为随着o h 离子浓 度的增加，次氯酸的浓度降低。虽然氯氧化剂能够去除m c ，但是有丰富的有 机物质存在于大量藻类生长的水体，它们可能会与氯发生反应产生一些致癌物 质，如三氯甲烷等【3 引，对水体造成二次污染，危害人类健康，氧化剂的成本或 实际处理效果的限制，因此还需研究出无毒，高效与价格低廉的除藻剂。 h i m b e r g 等研究发现臭氧能够快速高效去除m c ，臭氧的浓度是影响消毒效 果的关键因素，其对m c 的去除效果随着臭氧浓度的增加而增强【3 9 1 。臭氧的氧 化能力很强，其消毒效果较好，藻类分泌物质的分子量也会受臭氧的作用而变 小，在水体中还可以起到脱色，除味等作用，但是在臭氧处理中臭氧的利用率 低，能够利用的有效氧化能力不足，运行与维护费用较高，其应用的广泛推广 受到一定的限制。 光照对m c 的影响较大，日光照射下可发生异构化与降解行为，该过程还 会受水中色素的影响，m c 异构化与降解过程随着色素含量等升高反应速度加 快【柏1 。m c 也能够在光催化及与紫外光作用下被快速降解【4 1 删，但是该方法的 运行费用较高，应用受到限制。 1 3 3 生物降解法 一些学者在研究m c 去除方法时发现，天然水体中的生物相，如某些细菌， 对m c 的去除发挥着重要作用，该降解过程是自然界中m c 浓度降低有效途径 之一。有学者采用混合菌群对1 0 m g lm c l r 进行生物降解，结果表明在7 d 内， m c l r 被完全降解，此外还发现a d d a 侧链是生物降解的攻击靶位，因为实验 发现当m c l r 被生物降解后，其a d d a 结构的共轭双键遭到破坏，导致其m c 结构的变化，使m c 毒性的丧失或者降低洲。l a m 等从污水处理厂的出水中分 5 武汉理工大学硕士学位论文 离筛选出m c 降解菌，发现该菌落经7 1 0 d 的驯化后，可以快速降解m c 4 5 1 。 吕锡武l 4 6 1 等研究发现，好氧条件下经驯化后的活性污泥能够在2 4 h 内降解9 0 以上的m c ，水体中颤体虫与草履虫可将蓝藻作为食物，降低m c 的浓度。朱 光灿等利用生物膜反应器对m c 进行去除，结果表明单阶反应器对m c 的去除 效率明显低于三阶生物膜反应器，但是三阶生物膜反应器的去除效果比单阶反 应器稳定【4 7 】。吴振斌等考察了2 套人工湿地系统中m c 的去除效果，结果表明 这两套人工湿地系统的效果较好，对m c 的去除率分别为3 4 6 、6 8 5 【4 8 】。 李雪梅等人通过从自然界中筛选出的微生物，进行m c 的降解，研究结果表明， 水表面与水下0 5 m 处的叶绿素、t n ，t p ，高锰酸钾的含量下降，而水体中的 溶解氧与透明度增加，说明有效的菌群能够较好的控制蓝藻水华【4 9 】。也有学者 利用组合介质富集湖水中的土著微生物，该微生物具有溶藻能力，并进行了中 试研究，结果表明此方法能够有效地去除水体中的m c 如1 。 生物法降解m c 安全简便，不需要大型的设备，成本较低，不易产生二次 污染，有望在饮用水处理中得到推广应用。但是通过实验研究与实际水处理过 程发现，微生物在对m c 的降解过程中，会出现菌体容易流失，活性污泥法产 生的污泥量大，需要进行二次处理，操作不易控制，因此一些学者试图采用固 定化细胞技术来进行m c 的生物降解。 1 4 固定化细胞技术在水处理中的应用及发展 固定化细胞技术是6 0 年代逐渐发展起来的一项新技术，将游离细胞固定于 限定的空间区域内，使其保持活性，反复利用的方法。该技术最初主要用于工 业微生物的发酵生产。与游离细胞相比，固定化技术具有细胞密度高，反应速 度快，微生物不易流失，产物易分离，反应过程易控制等优点，在实际应用中 成果显著，已被广泛用于发酵生产、化学分析、能源开发等产业中【5 l 】。7 0 年代 后期，由于工业的高速发展，水污染问题日趋严重，高效的废水处理新技术的 开发迫在眉睫。因为固定化细胞技术的诸多优点，使一些学者开始利用固定化 细胞技术进行水处理，将筛选出的优势污染物降解菌种用特定的材料加以固定， 构成一种高效的废水生物处理系统。在工业废水处理技术中，采用固定化细胞 技术有利于提高生物反应器内的微生物细胞内浓度和纯度，保护高效菌种，使 其活性保持不变，污泥产生量少，便于固液分离，为一些高浓度有机物或难降 解物质的去除提供良好的条件网。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 1 固定化方法 目前，各研究者对固定化细胞的制备方法不尽相同，大概可以分为载体结 合法，交联法、系统截留法与载体分隔法【5 3 】。 这四种方法分别是通过物理吸附结合、化学反应、过滤截留与包裹的方式 将细胞固定化。载体结合法操作简单，对细胞活性影响小，但能固定的细胞生 物量有限，如废水处理中的生物膜法；交联法是利用两个功能团以上的试剂进 行比较激烈的化学反应，对细胞的活性影响较大，大多会使细胞的活性降低； 系统截留法利用一些半透膜将细胞固定，如中空纤维膜、超滤膜、反渗透膜等， 该法的设备维护复杂，费用较高，其广泛应用还需要进一步的研究；载体分隔 法是通过载体对细胞的物理阻挡来进行细胞的固定化，又可分为包埋法与微胶 囊法。包埋法是目前研究最广泛、也是最常用的一种的固定化方法，利用高聚 物在形成凝胶时将细胞包埋于凝胶内部阱】，凝胶聚合物的网络结构能够防止细 胞的泄露，同时也能让反应基质渗入小球内部，也可以使降解产物扩散出来， 此方法操作比较简单，因为该方法使用的材料的毒性较弱，对细胞的活性影响 也就相对较小，而且固定化细胞小球的强度与密度较高，具有高效的处理能力， 因此成为很多学者研究的热点之一。 包埋材料包括天然高分子多糖类与合成高分子化合物两大类【5 蹦】。天然高 分子多糖包括琼脂、海藻酸钠、卡拉胶等物质，对微生物的毒性小，琼脂用的 比较少，因为其凝固形成的固定化小球的机械强度很差，易破裂，不适合于实 际水处理中长期使用【5 7 1 ，而较常用的材料是海藻酸钠与卡拉胶，因为它们具有 固化、成型方便，对微生物毒性小及固定化密度高，机械强度较高等特点【5 引。 合成高分子化合物包括聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等材料。它们的突出优点是抗微 生物分解性能好，机械强度高，化学性能稳定，但是聚合物网络的形成条件比 较剧烈，对微生物细胞活性的影响较大，而且成型的多样性与制作成型不易控 制【5 9 1 。 固定化微生物细胞的实用性对包埋载体的要求包括【删： 1 ) 对细胞的固定化过程简单，操作简便，易于制成所需的各种形状，在常 温常压下能固定化； 2 ) 固定化过程中与固定化后对微生物的活性影响较小，固定化材料价格低 廉； 3 ) 制成的固定化细胞小球密度大，基质通透性好，并具有较好的机械强度 和化学稳定性； 4 ) 载体内的降解菌不容易泄露 6 t 】，而外界的非降解菌难以进入； 7 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) 固定化小球不易被微生物分解，制备的固定化细胞要具有良好的沉降分 离性能。 1 4 2 固定化细胞技术的优点与缺点 通过国内外学者的研究，发现固定化细胞具有诸多优点，细胞经固定化后， 在连续反应过程中不会流失，可回收，重复使用性能较好；大多情况下，固定 化细胞对温度的变化、p h 值等的耐受能力提高【6 2 】；固定化细胞体系适合于连续 化、自动化操作，反应过程易于控制【叫；细胞易与产物分离，简化了后处理过 程，利用效率提高，降低了使用成本【6 4 1 。即使固定化细胞技术有很多优点，但 在实际应用中也存在一定的不足之处，比如小球的机械强度较差，长期使用会 出现破裂的现象，使菌体流失，这与材料的选择，剂量配比，对微生物活性的 影响有很大关系【6 5 】，而且相同的材料对不同的细胞也有不同的影响，因此在固 定化细胞技术的应用之前，需进行实验理论研究，以确定去除污染物的最佳方 案。 1 4 3 固定化细胞技术在水处理体系中的应用与发展 目前，固定化细胞技术在废水生物处理，尤其是某些特种废水处理领域中， 获得了广泛的研究与应用。c a n i z a r e s 等用角叉胶固定化螺旋藻处理酿酒废水， 研究发现固定化螺旋藻对氮、磷的去除率均在9 0 以上【6 6 1 ，尤勇军等研究发现 固定化细胞具有较强的硝化能力与耐冲击性能，至少可使用三个月m 。t r a v i v s o 等利用固定化小球藻降解下水道中的有机污染物，研究表明，固定化小球藻可 在7 d 内将污水中3 5 m g l 的氨氮降解到检测限以下，对磷酸盐的去除率也达到 7 l 嘲j 。王磊等利用固定化硝化污泥去除含有硫酸铵与葡萄糖的合成废水，以 聚乙烯醇作为包埋材料，并向其中加入适量的p a c ，结果表明，当颗粒填充率 为7 5 ，水力停留时间为8 h 时，氨氮的去除率可到达9 5 ，c o d 的去除率在 8 0 以上f r o 。也有研究发现固定化细胞在低温下的硝化速度与脱氮速度优于悬 浮菌，水力停留时间缩短，设备容积率减d d 7 0 。b a z o t 等采用多孔性聚苯乙烯 固定化a r t h r o b a c t c rs p 菌降解正戊烷，研究发现该固定化细胞能在3 6 h 内降解 9 0 的正戊烷，能够在重复使用的2 个月内保持8 5 9 5 的降解率【7 i 】，表明该类 型的生物反应器有望被应用于水环境中正戊烷的去除。 在实际水处理中，普遍采用活性污泥法进行含酚废水的处理，但活性污泥 法存在污泥产率较高，污泥易流失，效率低下等问题，因此就有学者研究试图 采用固定化细胞技术进行酚降解。刘和等利用苯酚驯化后的活性污泥制成的固 8 武汉理工大学硕士学位论文 定化微生物小球处理含酚废水，研究发现该固定