城市環境所在藻處理砷微污染水方面取得新進展

科研信息網 劉洋 2019-10-10 15:49:41
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  砷(As)在天然水體中多以砷酸鹽[As(V)]、亞砷酸鹽[As(III)]等無機形態和一甲基砷(MMA)、二甲基砷(DMA)等有機形態存在,因其不同的生物毒性效應與環境健康風險而引起世界范圍內的廣泛關注。盡管已有的研究表明藍綠藻等微生物在砷的生物轉化與代謝中發揮重要作用,但是有關環境因素對藻類砷轉化與代謝的影響、藻類修復砷污染水體后的處置方法等研究仍然十分缺乏和滯后,不利于藻類修復砷微污染水體的實際應用。

  為了理清有關環境因素對藻類砷轉化與代謝的影響規律,近年來,中國科學院城市環境研究所城市水環境過程與生態風險研究組研究員顏昌宙、副研究員羅專溪與閩南師范大學教授王振紅、美國麻省大學阿默斯特分校教授邢寶山、比利時根特大學教授Gijs Du Laing等開展合作研究,采用正交試驗設計方法(Taguchi methods),選擇五價無機砷、溶解性無機氮、溶解性無機磷和pH值作為主要影響因子,開展了一系列的室內模擬研究來確定影響銅綠微囊藻砷生物轉化的最優化條件及其動力學特征,結果發現低磷高氮環境有利于砷在藻里累積與轉化(總量提高且速率增加),相關研究成果分別發表在Water research(2017, 118: 167-176) 和Journal of Cleaner Production (2018, 199:112-120)上。鑒于磷對砷生物累積與轉化的特殊性,研究人員進一步研究了溶解有機磷(DOP)對藻體中砷酸鹽(As(V))生物積累和轉化的影響規律,選取了三種不同的有機磷源(β甘油磷酸鈉(βP)、三磷酸腺苷(ATP)和6葡萄糖磷酸鈉(GP))與無機正磷酸鹽(IP)進行比較,結果發現IP環境下銅綠微囊藻能高效識別As(V)和P,但在DOP環境則沒有觀察到這種識別能力。DOP環境特別是βP可顯著提高藻體對砷的累積;而GP則明顯促進了砷的還原(三價砷高)與甲基化(有機砷高)。GP環境下藻體兩個砷還原與甲基化功能基因(arsC和arsM)的相對表達量較高,印證該GP磷環境下藻體砷還原和甲基化能力較高的事實(Environmental Pollution, 2019, 118: 167–176)。

  另外,為了找到藻類修復砷微污染水體后合適的處置方法,研究人員進一步研究負載砷的藻體在混凝沉淀原位與異位處理時水中砷釋放與形態轉化規律。結果發現,常見混凝藥劑中聚合氯化鋁對含砷藻體的沉淀去除效果最好。經聚合氯化鋁沉淀去除的含砷藻體原位處理水中,總砷逐漸降低,但三價砷由于水環境處于還原狀態而在3天后顯著升高。而在沉淀含砷藻體異位處理的水體中,藻體砷釋放不僅與胞內砷含量有關,還與藻細胞活躍或熱處理的存活狀態、放置時間密切相關。結果表明含砷藻體原位或者異位處置時,為了降低潛在風險,選擇合適的處置時間尤為重要。相關成果發表在Journal of Hazardous Materials(2020, 384, 121249)。這些研究結果有助于科學認識砷在藻體中的生物代謝行為,在評價與砷污染水體藻類修復相關聯的關鍵環境因素和實際應用方面具有十分重要的科學意義。以上研究得到國家自然科學基金項目、福建省科技引導性項目和福建省新世紀優秀人才支持計劃等的資助。

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溶解有機磷促進銅綠微囊藻砷累積與轉化的作用機理圖

負載砷藻體聚合氯化鋁混凝沉淀后原位/異位水體中砷的釋放與轉化概圖