以高铁酸钾去除铜绿微囊藻（VI）：对细胞完整性，细胞内的有机物和消毒副产物释放的影响外文翻译资料

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以高铁酸钾去除铜绿微囊藻（VI）：对细胞完整性，细胞内的有机物和消毒副产物释放的影响

摘要

模拟试验研究了高铁酸钾（VI）对细胞的完整性，胞内有机物的释放和铜绿微囊藻的消毒副产物的形成的影响。模拟的藻类悬浮液制备浓度为1细胞/毫升并用106胞流式细胞仪测定膜的完整性。结果表明，虽然没有观察到明显的细胞裂解，但在高铁（VI）氧化后实现了快速失活，细胞内有机物质（IOM）随着高铁（VI）的剂量增加而增加，并促进了三氯甲烷（THM）和作为氯化消毒副产物的卤乙酸（HAA）的形成。然而高铁（VI）的强化混凝 明显地去除了 铜绿微囊藻细胞并降低了藻类有机物（AOM）。此外，THM和HAA浓度分别为71.1%和67.1%，都减少了。因此，这项研究表明，高铁酸钾（VI）可以作为一个双功能的化学药剂NT（即氧化剂和混凝剂），并可用于解决含藻丰富的饮用水。

关键词：铜绿微囊藻 氧化 混凝 细胞的完整性 细胞内的有机物 消毒副产物

1 介绍

在世界范围内，蓝藻水华已越来越多地发生在湖泊、水库，这引起了一系列的饮用水供应问题。具体的蓝藻种类（如铜绿微囊藻）能分泌细胞内的代谢产物，如微囊藻毒素（MCS），会产生异味物质，还有其他藻类有机物（AOM），在细胞生长过程中会进入水中。这些细胞内的有机物质（IOM）的释放也发生在细胞裂解的情况下如[4,5]案例。微囊藻毒素（MCS）有高度的肝毒性，世界卫生组织（WHO）在饮用水方面已设置一个毒素限制为1.0 lg/L 的 临时指南。 传统的水处理工艺处理致臭物质效果不好，还显著降低了饮用水的质量。此外，释放到水体中的AOMs 被证明有助于在随后的氯化和氯胺中，消毒副产物（DBPs）的形成。

由于静电排斥，表面亲水性和空间位阻效应，蓝藻细胞难以用常规饮用水处理工艺如混凝，沉淀和过滤来去除。虽然首选方案涉及去除完整的蓝藻细胞并且不去除细胞内的物质，氧化剂，如钾，高锰酸盐，氯或臭氧经常被用来改善蓝藻混凝。高铁酸盐是另一种新兴的水处理氧化剂，因为它在酸性和碱性溶液中对电位 2.20 和 0.72 V的强氧化还原性。高铁（VI）也是环保的，可分解为无毒的Fe（III）离子或氢氧化铁，同时高铁可以作为一种水处理的混凝剂。因此，高铁（VI）可以作为一个水处理的双功能的化学试剂（即氧化剂和混凝剂）。据报道，高铁（VI）可以抑制多种微生物的活性。此外，高铁（VI）已被证明能有效的消除蓝藻毒素。用高铁酸盐对湖泊水进行预氧化（VI）也增强了藻类的混凝。但是，为了到目前为止高铁对蓝藻细胞的完整性的影响，细胞内有机物的释放和消毒副产物的形成都尚不清楚。

这项研究的总体目标是：（1）研究了高铁（VI）在藻类去除方面的氧化和混凝性能；（2）观察细胞的完整性和IOM的释放；和（3）评估高铁（VI）对随后的氯化消毒副产物的生成的影响

2 材料与方法

2.1 材料与试剂

游离氯原液（HClO）是从5%的次氯酸钠中提取的（中国国药集团化学试剂有限公司）并且浓度是根据二乙基磷苯二胺（DPD）亚铁滴定法来仔细斟酌的。高铁酸盐（K2FeO4，Sigma–Aldrich，美国）溶液（1000 mg/L）是现场准备，而摩尔吸附系数（e505nm = 1150 M 1 cm 1 ）也被用来判定高铁（VI）在pH值为9时的浓度。三卤甲烷（THM）和卤乙酸（HAA）标准溶液从美国购买。

铜绿微囊藻是从中国科学院水生生物研究所的BG11培养基获得的。孵育物在25 LC 1 L台锥形烧瓶和12小时的日循环的条件下才被孵育成功。在指数生长期的后期产生铜绿微囊藻细胞，并且在2500g时离心10分钟。细胞颗粒在离心管用超纯水冲洗时会产生沉淀，随着离心分离上清液时去除。模拟的藻类悬浮液制备于在pH值为6plusmn;0.1时加藻类细胞到0.8%的NaCl溶液达到最终的细胞1个106细胞/毫升密度。总有机碳（TOC）在悬浮液中为4 mg/L，溶解有机碳（DOC）在悬浮中为0.6 mg/L左右。

2.2 实验程序

高铁（VI）的氧化实验在1000毫升的玻璃烧杯中用500ml铜绿微囊藻悬浮液模拟实现。高铁酸（VI）从原液中加入，以获得所需的从0到7毫克/升的剂量。在反应过后以150转速度转持续搅拌10分钟，将样本分为两个子样本。第一个样本在氧化实验结束后30分钟之内用于测试细胞的完整性。第二个样本通过0.45滤纸过滤（滤纸、英国）去除细胞的材料，然后进行氯化和分析。

高铁（VI）的强化混凝试验发生在（中润水工业技术发展有限公司，中国）含有500毫升的藻类悬浮的罐子里。在加入所需的高铁（VI）的用量后，模拟悬浮液的pH值由0.1M盐酸调节至6plusmn;0.1。混凝条件如下：快速搅拌以150转速度持续1分钟；慢混合以50转速度持续10分钟；然后沉淀30分钟，沉降30分钟后，澄清的样品从水面以下2厘米的地方分离，分为两个子样本。第一个样本用来分析藻细胞的浓度，TOC和浊度。第二个样本用来进行氯化反应实验。

氯化实验在黑暗中25 LC时密封的40毫升琥珀瓶才发生。氯与DOC质量比为5：1，cl2:c为5:1，溶液用磷酸盐溶液(KH2PO4–NaOH).缓冲到pH值为7。3天之后，进行淬火与THM和HAA的抗坏血酸分析。

2.3 分析方法

2.3.1 细胞完整性测试

使用流式细胞仪监测高铁酸（VI）氧化前后藻细胞活力（Accuri C6，BD Biosciences，富兰克林、美国）需配备氩激光器，在固定波长为488 nm的荧光下测量。荧光滤光片和探测器在信道FL1收集绿色荧光（535 nm）和在信道FL2收集红色荧光（585 nm）。铜绿微囊藻细胞被荧光素（FDA）和碘化丙啶（PI）双染色（Sigma–Aldrich, St. Louis, MO，美国）]。一个完整的细胞膜或活性酯酶被在FL1中的FDA染成绿色荧光，而受损的细胞膜细胞被在FL2的PI染成红色荧光。

2.3.2 消毒副产物的分析

三卤甲烷是由液/液萃取，接着用一热电TSQ量子XLS三重四GC-MS / MS（的Thermo Fisher Scientific，CA，美国），是根据美国EPA方法551.1对甲基叔丁基醚（MTBE）定量 。 通过使用MTBE的液/液萃取，随后根据USEPA方法552.3通过GC-MS / MS用酸性甲醇衍生化来分析HAA。 该柱是Thermo Scientific TG-5MS毛细管柱（内径30mu;mtimes;0.25mm，膜厚度0.25mu;m）。

2.3.3 其他分析

用TOC/TN分析仪测定TOC和DOC（TOC-VCPH，Shimazu，日本）。使用便携式浊度计测定悬浮液的浊度（hach-2100p，美国）。使用血球计数法对ys100显微镜（尼康，日本）里的藻细胞数计数。采用紫外-可见光谱（UV /可见光谱）法测定水溶液中高铁酸钾（VI）的浓度（Unico 4802，中国）。使用扫描电子显微镜（SEM，Philips XL-30FEG）观察高铁酸盐（VI）氧化之前和之后的铜绿假单胞菌细胞的表面形态。

3 结果与讨论

3.1 用高铁（VI）去除铜绿微囊藻的影响

图1显示了在各种高铁酸盐（VI）剂量下增强凝聚后藻类悬浮液的罐试验结果。 它表明高铁酸钾（VI）显着增加了铜绿假单胞菌细胞的去除率，并降低了残余浊度。藻细胞的去除率从零增加到91.2%，高铁（VI）混凝后浊度从4.96下降到0.92。因此，铁（VI）可显著增强混凝和提高去除铜绿微囊藻的细胞数。

这种现象有两种可能的解释。第一个解释是从藻细胞释放氧化的藻类生物聚合物成为凝结助剂并引起藻类团聚体形成。第二个解释是，来自高铁酸盐（VI）分解的氢氧化铁[Fe（OH）3]用作凝结剂，并显着改善了藻类的去除

3.2 高铁酸盐氧化对细胞完整性和形态的影响

图2显示出了使用流式细胞仪测量细胞活力的10分钟接触时间后，高铁（VI）的氧化对细胞完整性的影响。在控制中，大多数计数显示在左下（LL)和右下（LR）象限中，显示97.9%的铜绿假单胞菌是完整细胞。

当用高铁酸盐处理时，右上（UR）象限的计数从9.9%增加到48.1%，当用高铁酸盐（VI）进行实验时，随着高铁酸盐（VI）剂量从1.0mg / L增加到7.0mg / L，右上（UR）象限中的计数数目从9.9％增加到48.1％。 这与其他研究的结果一致，类似的高铁酸盐（VI）浓度可以灭活异养细菌。此外，计数的数量移动到UR象限，表明铜绿假单胞菌细胞由FDA和PI双重染色。这意味着当累积PI时会丢失细胞膜的完整性，但是同时，却保留细胞酯酶活性，水解了FDA荧光染料。这些结果表明，铜绿微囊藻细胞不完整，但在高铁（VI）的氧化后代谢活性高。这可能是由于低强度的高铁酸盐（VI）不完全破坏细胞并导致裂解造成的。

图3显示了藻酸盐细胞表面形态在7.0mg / L铁酸盐（VI）氧化前后的SEM图像。虽然在氧化后没有明显的细胞裂解来验证，但是能观察到细胞壁形态的明显变化，这进一步表明，高铁（VI）可以导致细胞的损伤和完整性的损失。此外，可以在藻类表面上观察到高铁酸钾的分解产物高铁酸盐（VI）、铁氢氧化物[ Fe（OH）3 ]胶体。这些沉淀物可以显著改变细胞的表面性质并且促进藻类细胞的聚集。因此，如部分所述可以用铁酸盐（VI）氧化来增强铜绿假单胞菌悬浮液的凝固，

3.3 高铁酸盐对VI基因释放和DBP生成的影响

在使用不同的高铁酸盐（VI）剂量后测量IOM的释放水平。 图4显示了高铁酸盐（VI）氧化对IOM释放的影响。 细胞外DOC从0.60 mg / L增加到0.75 mg / L，高铁酸盐（VI）剂量从0 mg / L增加到7.0 mg / L。虽然在图2上没有明确的细胞裂解验证。 并且如图3所示，氧化后细胞结构的损伤导致IOM释放到细胞外的DOC，这与其他文献中的结果一致，即DOC和内部代谢物的释放先于细胞裂解。关于氧化后细胞外DOC增加的情况，Coral等人也观察到了这种现象]。在使用臭氧后测量的DOC释放达到1.63mg / L。

一些研究已经评价了AOM作为氯化DBP的前体的反应性。从氧化铜绿微囊藻细胞中释放的IOM可能有助于形成氯化消毒副产物。我们对氯化外DOC的研究表明，氯仿(TCM)，二氯乙酸（DCAA）和三氯乙酸（TCAA）是主要的氯化消毒副产物。 图4显示了测量增加高铁酸盐（VI）剂量时的总THM和HAA浓度。THM和HAA的浓度随着高铁酸盐（VI）剂量从0毫克/升至7毫克/升的增加而分别从9.29增加到14.62lg / L，从12.29增加到20.23lg / L。这些趋势与测量的细胞外DOC的结果是一致的。可以认为，释放的IOM是DBP的前体，更高的DOC导致更多的DBP形成。注意，当与THM相比时，在氯化的细胞外DOC中可以观察到更高的HAA浓度。这个结果与Wert和Rosario-Ortiz的发现一致。HAA产量显着大于铜绿微囊藻的细胞内有机物中的THM产率。

3.4 高铁酸盐（VI）凝结对去除ATOM和DBP形成潜力的影响

图5显示了高铁酸盐（VI）的凝结增强对去除AOM的影响。 在不添加高铁酸盐（VI）的情况下，AOM的TOC为4.0mg / L。 用剂量为1.0 mg / L的高铁酸盐（VI）TOC值降低到3.51mg / L（减少12.3％），表明通过絮凝和沉降仅可少量除去藻类细胞。说明只有轻微的去除藻细胞的絮凝沉降。同时增加高铁酸盐（VI）剂量将进一步改善藻类细胞的去除效率，用7.0mg / L铁酸盐（VI）的剂量将AOM的TOC降低至1.19mg / L（降低70.3％）。TOC值的降低可能是由于在高铁（VI）的混凝过程去除铜绿微囊藻细胞的效率的提高。在图5中还比较了在高铁酸（VI）的剂量不同时，铜绿微囊藻的DBP生成电位。在不添加高铁酸盐（VI）的情况下，THM和HAA的浓度分别达到84.37和146.47lg / L。 然而，随着高铁酸盐（VI）剂量增加，THM和HAA浓度均显示出与AOM的去除相似的下降趋势。正如预期的那样，用7.0mg / L高铁酸盐（VI）时，AOM的去除率提高了70.3％，这分别对应于形成THI和HAA时减少了71.1％和67.1％。 DBP形成的高还原性表明强化的混凝高铁酸盐（VI）优先去除作为主要DBP前体的铜绿微囊藻细胞

3.5 饮用水处理的启示

选择用于本研究的铜绿微囊藻细胞是在天然水中发生的最丰富和常见的蓝藻菌种。这项研究表明，高铁酸钾（VI）被证明是一种有效的双功能化学试剂（即氧化剂和凝结剂），以去除模拟水中的蓝藻细胞。尽管与实验室培养的细胞相比，氰基 - 细菌物种，生长期和细胞数目之间存在差异，但是我们的研究可以为有效的藻类水处理策略提供有价值的信息。

4 结论

本研究综合评价了高铁酸钾（VI）对铜绿微囊藻细胞的整合，细胞内有机物释放和消毒副产物形成的影响。 可以得出以下结论。

(a)高铁（VI）氧化灭活而造成藻细胞的完整性的损失，虽然在SEM图像中未观察到明显的细胞裂解。

(b)氧化后细胞结构的损伤导致细胞外DOC的增加。 DOC释放随铁酸盐（VI）剂量增加而增加，并促成DBP形成。

(c) 强化的高铁酸盐凝结（VI）改善了铜绿微囊藻细胞的去除。 观察到藻类有机物最大减少70.3％，这对应于形成的THM和HAA分别减少71.1％和67.1％。

致谢

本文的研究工作是共同支

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