東北地理所在強(qiáng)化型人工濕地高效去除微囊藻毒素研究中取得進(jìn)展
近年來(lái)，水體富營(yíng)養(yǎng)化引起藍(lán)藻水華的頻繁爆發(fā)，藍(lán)藻次生代謝產(chǎn)生的藍(lán)藻毒素嚴(yán)重威脅水生生態(tài)系統(tǒng)的安全和公眾健康。藍(lán)藻毒素有肝毒素、神經(jīng)毒素和細(xì)胞毒素3類，微囊藻毒素(Microcystins，MCs)是淡水中分布最廣、毒性最強(qiáng)、危害最大的一種肝毒素，為一類具有生物活性的環(huán)狀七肽類有機(jī)小分子化合物，自然環(huán)境中降解過(guò)程十分緩慢，我國(guó)生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)中的限值僅為1μg/L。因此，探索微囊藻毒素污染水體的生態(tài)治理措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
前期研究證實(shí)，人工濕地能有效去除水體中的微囊藻毒素，但是當(dāng)進(jìn)水中微囊藻毒素濃度較高(>15 μg/L)時(shí)，人工濕地的去除效果并不理想(Cheng et al., 2021)。為此，東北地理所科研人員以微囊藻毒素變體中毒性最強(qiáng)的MC-LR為目標(biāo)污染物，開(kāi)展了人工濕地高效去除微囊藻毒素的探索性研究，研發(fā)了微生物燃料電池耦合人工濕地(MFC-CWs)、生物炭基質(zhì)人工濕地(BC-CWs)兩種強(qiáng)化措施，模擬研究了兩種強(qiáng)化型人工濕地的凈化效果，探討了去除機(jī)理，優(yōu)化了強(qiáng)化型人工濕地的運(yùn)行方式與基質(zhì)的配比。
研究結(jié)果表明：(1)MFC-CWs在48 h之內(nèi)便可實(shí)現(xiàn)對(duì)水中N、P和MC-LR的高效去除，且閉路運(yùn)行(T1)的MFC-CWs在N、P和MC-LR的去除性能方面要顯著(p < 0.05)優(yōu)于開(kāi)路運(yùn)行(CK)系統(tǒng)，主要是因?yàn)镸FC-CWs中存在較多的微囊藻毒素降解菌(如：鞘脂單胞菌科(Sphingomonadaceae)、伯克氏菌科(Burkholderiaceae)、微球菌科(Micrococcaceae)和黃單胞菌目(Xanthomonadales))，系統(tǒng)內(nèi)電子轉(zhuǎn)移速率和微囊藻毒素降解菌相對(duì)豐度的提高是MFC-CWs能夠高效凈化高濃度MC-LR(?15 μg/L)的關(guān)鍵;進(jìn)一步通過(guò)海綿鐵對(duì)MFC-CWs的陽(yáng)極區(qū)進(jìn)行強(qiáng)化(T2)，MC-LR的凈化效率并未得到提升(圖1)。(2)BC-CWs對(duì)N、P和MC-LR的去除效率顯著(p < 0.05)提升，而胞外聚合物的含量顯著(p < 0.05)降低(圖2B)，從而降低了系統(tǒng)堵塞的風(fēng)險(xiǎn);生物炭基質(zhì)吸附性能的提高和功能微生物相對(duì)豐度的增加是BC-CWs去除效率提高的主要原因。綜合去除效率和經(jīng)濟(jì)成本，建議實(shí)際應(yīng)用中生物炭的最佳體積投加比為20%。
圖1 MFC-CWs對(duì)MC-LR的去除效果（A）、系統(tǒng)產(chǎn)電性能（B）與微生物群落結(jié)構(gòu)（C）
圖2 BC-CWs的去除效果（A）、胞外聚合物含量（B）與微生物群落結(jié)構(gòu)（C）
本研究為微囊藻毒素污染水體的生態(tài)治理提供了技術(shù)支撐，同時(shí)也為人工濕地技術(shù)的應(yīng)用拓展提供了科學(xué)依據(jù)。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際期刊Journal of Environment Management和Chemosphere碩士研究生程銳為第一作者，祝惠研究員為通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.U21A2037）、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)子課題（XDA28040102）、中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（No.JCTD-2020-14）和中科院青促會(huì)項(xiàng)目（No.2017274）的共同資助。
論文信息如下：
1.Cheng, R., Zhu, H.*, Shutes, B.,Yan, B.(2021).Treatment of microcystin (MC-LR) and nutrients in eutrophic water by constructed wetlands: Performance and microbial community. Chemosphere, 263, 128139. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.128139
2.Cheng, R., Zhu, H.*, Wang, J., Hou, S., Shutes, B., Yan, B. (2022). Removal of microcystin (MC-LR) in constructed wetlands integrated with microbial fuel cells: Efficiency, bioelectricity generation and microbial response. Journal of Environmental Management, 309, 114669.https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.114669
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