环境生物技术在降解微囊藻毒素中的应用.doc

环境生物技术在降解微囊藻毒素中的应用摘要：近年来，富营养化湖泊中的微囊藻毒素对环境和人类健康的危害已成为全球关注的重大环境问题。然而传统的的饮用水处理工艺难以将其彻底去除，探寻处理饮用水中微囊藻毒素的新技术越来越迫切。近些年来，利用生物降解技术去除藻毒素已经取得了显著的效果。本文简述了利用生物降解技术去除微囊藻毒素的最新研究进展，并提出了控制藻毒素的建议。关键词：微囊藻毒素；生物技术；降解1．前言1.1．微囊藻毒素囊藻毒素(microcystins,MCs)是有毒蓝藻产生的代谢物，是“水华”中出现频率最高、产生量最大和危害最严重的藻毒素。MCs通过与蛋白磷酸酶中丝氨酸/苏氨酸亚基结合，能够特异性地抑制蛋白磷酸酶PP1和PP2A活性，相应增加蛋白激酶的活性，从而导致细胞内多种蛋白质高度磷酸化，打破了磷酸化和脱磷酸化的平衡，并通过细胞信号系统放大这种生化效应。[1]MCs可改变多种酶活性，引起细胞内一系列生理生化反应紊乱，导致肝细胞损伤，甚至促进肿瘤的发生，世界卫生组织推荐的饮用水中藻毒素以MC-LR代表的标准值为1.0μgL-1。MCs是相当稳定的化合物，这是由于它的环状结构造成的。据报道，MCs可在沸水中耐受数小时或在干燥的室温条件下保存数年而不变质。因此，在常规处理工艺下MCs很难被去除。因此，采取有效手段消除水中藻毒素已成为水环境科学领域新的热点、难点研究课题。1.2．环境生物技术环境生物技术(EnvironmentalBiotechnology)简称EBT，是近20多年才定义的一门新型边缘学科，它主要由生物技术、工程学、环境学和生态学组成。目前可以将环境生物技术的概念完整地定义为：直接或间接利用生物体或生物体的某些组成部分或某些机能，建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者能够高效净化环境污染及同时生产有用物质的人工技术系统。因此，它涉及到基因工程、酶工程、发酵工程、细胞工程、水处理工程、生态工程等各层次的工程与技术，并奠基于众多学科的基础理论。目前环境生物技术的主要研究内容包括四个方面：降解污染物的工程菌和抗污染型转基因植物的相关研究，环境友好材料生物合成技术的相关研究，危险性化合物的降解和污染场地的生物补救研究，以及废物强化处理技术研究。2．微囊藻毒素的去除技术2.1．常规处理方法常规水处理工艺对MCs的去除是非常有限的。混凝-沉淀-过滤-消毒流程仅能去除少量毒素，去除率较低，一般在50%以下。有时还会因投加化学药剂，如CuSO4等造成藻细胞裂解，毒素释放，导致藻毒素含量升高的情况。2.2．活性炭1976年Hoffmann等[3]首次开展了应用粉末活性炭(PAC)去除MCs的实验研究，研究发现PAC能去除由蓝藻产生的MCs，MCs的去除效果依赖于PAC的投加量，要去除MC-RR和LR，PAC的投加量高达800mg/L（一般PAC投加范围1～100mg/L），Falconer等后续的报道也证实了这一点[2]。2.3．氯化Hoffmann等是最早开展应用氯来去除MCs研究的，他们的结果表明，在pH值为8.5的条件下该方法无效。在后续的针对pH值影响氯去除MCs的研究中发现，去除效果依赖于pH值的大小。2.4．臭氧氧化O3作为一种强氧化剂被广泛应用于饮用水处理中，它可以通过与有机物双键的迅速氧化反应生成羰基化合物[3]。当臭氧作用于MCs时，MCs中Adda上的双键被氧化打开而使其毒性消失。早期的研究表明，1mg/L的O3对浓度为60μg/L的MCs溶液的去除效果可达到100%。Rositano等研究发现，用0.05mg/L的O3处理15s后，99%的MCs被去除掉。3．生物技术降解有学者在研究藻毒素去除方法时发现，天然水体中的生物相（某些细菌）对藻毒素的去除发挥着重要作用，由此降解MCs的一个重要途径—生物法也逐渐发展起来。有学者发现MC-LR经生物降解后其Adda侧链的共轭双键被破坏，从而证明Adda侧链是生物降解的攻击靶位，正是由于其结构的变化才导致MC-LR毒性的降低或丧失[4]。3.1．微生物降解法微生物降解是MCs天然降解的主要途径，在细菌等微生物作用下，改变MCs结构中Adda侧链结构，降低其毒性。MCs化学结构非常稳定，因此只有一些特殊的微生物才具备降解毒素的能力。李祝认为：与其它水生生物相比，细菌具有较高的降解效率，在生物降解中起主导作用，可以通过微生物降解去除MCs。金丽娜研究了滇池水环境中MCs的生物降解，发现藻毒素的生物降解速度随反应温度和沉积物量的增加而提高。目前也有利用基因工程构建培育工程菌，抑制藻类水华的爆发或加速降解水中的MCs。但利用改良微生物法去除藻毒素在实际应用中存在较多的问题，人为增加某些特殊菌群可能会引起当地生态系统失衡，或引入新物种威胁当地的生态环境安全[5]。3.2．生物膜法生