摇蚊幼虫与铜绿微囊藻代谢产物生成消毒副产物规律研究

张树松, 孙兴滨

(东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨 150040)



摇蚊幼虫与铜绿微囊藻代谢产物生成消毒副产物规律研究

张树松, 孙兴滨*

(东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨 150040)

[目的]了解铜绿微囊藻与摇蚊幼虫代谢产物消毒副产物的生成特性。[方法]研究了摇蚊幼虫与铜绿微囊藻代谢产物生成消毒副产物的规律。[结果]铜绿微囊藻与摇蚊幼虫共存时代谢产物中消毒副产物的含量远小于两者单独氯化消毒产生副产物之和。两者共存时副产物的变化趋势与单独存在相同，在不同的反应条件下生成的消毒副产物的规律也各不相同，具体表现为：三氯甲烷(TCM)、水合氯醛(CH)、二氯乙酸(DCAA)、三氯乙酸(TCAA)、1,1,1-三氯丙酮(1,1,1-TCP)的生成量均随投氯量的增加而增大，1,1-二氯丙酮(1,1-DCP)的浓度随投氯量的增加而先增大后减小；延长反应时间可促进TCM、DCAA的生成，而TCAA、1,1-DCP、1,1,1-TCP的浓度则先增大后减小，CH的变化不明显；pH有利于TCM的形成，在酸性条件下DCAA的浓度增大，而在碱性条件下保持不变，CH、TCAA的最高浓度出现在pH为7时，1,1-DCP、1,1,1-TCP的浓度则随pH的增加而逐渐减少；TCM、DCAA和TCAA均随温度的升高而逐渐增加，CH、1,1-DCP和1,1,1-TCP均是在20 ℃时达到最大，温度继续升高，浓度反而下降。[结论]为饮用水处理过程中摇蚊幼虫和铜绿微囊藻2种生物污染的防治提供了理论依据。

摇蚊幼虫；铜绿微囊藻；代谢产物；消毒副产物

随着我国工业化进程的加快，水体富营养化问题越来越受到关注。富营养化水体滋生大量的藻类，在净水过程中由于加氯消毒会生成各类氯化消毒副产物[1]。同时藻细胞中含有大量的有机氮，如糖类、蛋白质、氨基酸和其他有机酸等，这些物质都是含氮消毒副产物的主要前体物[2]。近年来发现水体富营养化水体中经常伴随着摇蚊幼虫的大量生长繁殖[3]，使水质状况变得更加恶劣。在供水系统中，摇蚊幼虫的出现会影响饮用水的感官指标，引起用户心理上的不适，带来反感和恐慌[4]。

在饮用水处理过程中，消毒过程对控制生物污染物有重要作用[2]。自从20世纪70年代消毒副产物的形成引起全世界的关注[5]。消毒副产物包括含氮消毒副产物(N-DBPs)和含碳消毒副产物(C-DBPs)，研究表明这些消毒副产物有致癌性，卤代消毒副产物是多数癌症的致病因子[6-7]。到目前为止，相关的研究表明单独的铜绿微囊藻和摇蚊幼虫在氯化过程中都会产生消毒副产物，并且这些消毒副产物的生成规律亦有报道。孙兴滨等证实了在不同的环境条件下摇蚊幼虫代谢产物在氯化消毒时产生消毒副产物(DBPs)[8-9],给水质安全带来严重影响。但是，在实际的饮用水处理中，铜绿微囊藻与摇蚊幼虫常常同时存在，其消毒副产物的产生更应引起重视，为此，笔者研究了铜绿微囊藻与摇蚊幼虫代谢产物消毒副产物的生成特性，以期为饮用水处理过程中该2种生物污染的防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料试验所采用的液体培养基为淡水藻常用培养基BG-11。

1.2 方法

1.2.1铜绿微囊藻的培养。将培养微藻使用的三角瓶洗净，晾干，用纱布和牛皮纸封口，放入高压灭菌锅，在121 ℃下灭菌20 min。灭菌结束将三角瓶取出转移至无菌操作台，凉至室温。再将配好的培养基(已灭菌)一并放入无菌操作台，开紫外灯30 min后进行接种。首先在250 ml三角瓶中倒入100～150 ml培养液，在培养基中加入5～10 ml藻液，然后封口转移至培养箱中进行培养，培养箱条件：温度(25±1)℃，光暗比12∶12 h，光强2 500～3 500 lx。每日摇瓶2～3次，并将三角瓶调换位置。

1.2.2试验水样的制备。

1.2.2.1摇蚊幼虫代谢产物储备溶液的制备方法。取30条活的摇蚊幼虫个体，放在1 L的大烧杯中，加入500 ml蒸馏水，在温度为(20±2)℃下放置1 d，将死亡的摇蚊幼虫取出后再放置1 d。用多层纱布过滤掉摇蚊幼虫虫体，并用抽滤装置将所得水溶液过滤，使其通过0.45 μm孔径的滤膜，取样测定总有机碳(TOC)。测定此时TOC浓度为37.1 mg/L。

1.2.2.2铜绿微囊藻代谢产物储备溶液的制备方法。首先采集处于特定生长阶段的含藻水(浓度为1×108个/L)，将铜绿微囊藻培养液经8 000 r/min 离心后，取上清液，经 GF/F 膜过滤后测定TOC值，其水溶液TOC值为30.9 mg/L，得到铜绿微囊藻代谢产物储备溶液。

1.2.2.3铜绿微囊藻与摇蚊幼虫混合代谢产物储备液的制备方法。选取稳定期的铜绿微囊藻，浓度为1×108个/L，将1 L该浓度下的铜绿微囊藻与30只摇蚊幼虫混合，在(25+1)℃下混合培养72 h，并及时取出死亡的摇蚊幼虫。将混合培养液离心，取上清液，用抽滤装置通过0.45 μm孔径滤膜，测定TOC浓度，得到TOC浓度39.7 mg/L的铜绿微囊藻与摇蚊幼虫混合代谢产物的使用液。

1.2.3提取消毒副产物前处理方法。按照美国环保局的EPA551.1[8]中的方法进行前处理。

1.2.4消毒副产物的检测。采用Agilent GC-7890气相色谱仪分别对三卤甲烷以及卤乙酸进行检测。色谱柱：HP-5石英毛细管柱(30.00 mm×0.25 mm的薄膜厚度0.25 mm ID)；进样口温度：200 ℃；ECD检测器温度：290 ℃；程序升温：起始5 min升至35 ℃，而后以10 ℃/min升至75 ℃，保持5 min，然后以10 ℃/min升至100 ℃并保持2 min。

2 结果与分析

2.1 铜绿微囊藻与摇蚊幼虫混合代谢产物生成消毒副产物

2.1.1铜绿微囊藻代谢产物。由图1可知，TCM、CH、DCAA、TCAA、1,1,1-TCP均随投氯量的增加而增大。TCM的浓度最高，最高时可达125.3 μg/L。其中，TCM的浓度在投氯量为2～10 mg/L时均匀增加，当投氯量从10 mg/L提高到20 mg/L时其浓度显著增加。投氯量在2～4 mg/L的浓度范围变化时，CH的浓度缓慢增加，而随投氯量的增加其浓度几乎保持不变。DCAA和TCAA的浓度在投氯量为2～20 mg/L时均匀增加，且TCAA的浓度始终低于DCAA。出现该种情况是由于TCAA会氧化水解成DCAA。1,1,1-TCP的浓度在整个氯化范围内增加十分缓慢，甚至趋于平缓。1,1-DCP的浓度随投氯量的增加先增大后减小，投氯量在4 mg/L时达到最高生成量为44.5 μg/L。一般来说，在前质物充足的条件下，当氯的剂量较低时，由于氯的消耗使反应一段时间后，不能提供足够的氯使反应继续进行，因此，DBPs的浓度会随着投氯量的增加而增大。当前体物浓度充足时，稳定性的DBPs的浓度会随着投氯量的增加而增大，而不稳定的消毒副产物的生成则取决于它们的生成速率和分解速率。

2.1.2摇蚊幼虫代谢产物。由图2可知，在所检测的几种消毒副产物中，TCM、DCAA和TCAA的浓度相对较高，CH、1,1-DCP和1,1,1-TCP的浓度相对较低。除了1,1-DCP外，其他多数物质的生成量均随着投氯量的增加而单调增加，其中，TCM、DCAA、TCAA、1,1,1-TCP的浓度增加较均匀。投氯量在2～20 mg/L范围内，TCM的浓度变化出现2个高峰，第1个高峰出现在4～8 m/L时，第2个高峰出现在10～20 mg/L时，这是由于在氯充足的情况下，前质物充分反应，此时TCM生成量最高。CH的浓度在2～8 mg/L时缓慢增加，但随着投氯量的增加CH的浓度几乎保持不变。当投氯量在2～4 mg/L时，DCAA和TCAA的浓度基本持平，但随着投氯量的增加TCAA的增加量更加明显。这说明TCAA的合成速率要大于DCAA。1,1-DCP的最高浓度是在投氯量为800 mg/L时，达到49.0 μg/L。投氯量在2～8 mg/L范围内，1,1-DCP的浓度逐渐升高，此时其浓度始终高于1,1,1-TCP的浓度，而随反应的进行1,1-DCP的浓度逐渐下降，1,1-DCP的浓度低于1,1,1-TCP。这是由于此时的1,1-DCP处于分解阶段，并且它的合成速率小于其分解速率。

2.1.3铜绿微囊藻与摇蚊幼虫混合代谢产物。由图3可知，TCM、CH、DCAA、TCAA、1,1,1-TCP均随投氯量的增加而增大。TCM的生成量增加显著，且生成量最大。TCAA的浓度在投氯量从4 mg/L提高到8 mg/L时增加显著，随后缓慢增加;CH的浓度在投氯量为2～4 mg/L增加较快，随投氯量的增加其浓度几乎保持不变，而DCAA的生成量在投氯量为8～10 mg/L时明显增加，增加了41.9 μg/L。1,1,1-TCP的浓度始终缓慢增加，最高时生成量只有58.3 μg/L。1,1-DCP的浓度随投氯量的增加先增大后减小，最高生成量出现在投氯量为4 mg/L时。

综上，铜绿微囊藻和摇蚊幼虫单独存在时产生的消毒副产物与两者同时存在时产生的消毒副产物变化趋势相同。TCM的前体物活性高，优先与消毒剂发生反应，所以随着消毒剂的增加前体物生成消毒副产物的潜能被激发出来，使TCM的浓度持续增加[9]。CH是较稳定的消毒副产物，在氯浓度小时，其前质物与氯不断发生反应，使CH的浓度增加，但随着反应的进行其前质物被消耗殆尽，所以CH的浓度缓慢升高，几乎保持不变[10]。由于1,1-DCP是不稳定的消毒副产物，在氯浓度很高时会被氧化成1,1,1-TCP[11]。尽管1,1-DCP会被氧化成1,1,1-TCP，但1,1,1-TCP的浓度依然很低，是由于1,1,1-TCP会被水解成TCM，从而也导致TCM的浓度很高[12]。在所检测的消毒副产物中，TCM的浓度均是最高的。

在最高投氯量为20 mg/L时，铜绿微囊藻氯化消毒产生的TCM浓度是125.3 μg/L，摇蚊幼虫代谢产物氯化生成TCM的浓度是161.5 μg/L，而二者共存时产生TCM浓度是192.5 μg/L。所以，铜绿微囊藻与摇蚊幼虫共存时的副产物生成量高于单独存在所产生的副产物。分析原因：两者共存时的TOC浓度是39.7 mg/L，而铜绿微囊藻与摇蚊幼虫单独存在时的TOC浓度分别为30.9和37.1 mg/L。因此，TOC浓度与消毒副产物生成量是显著正相关。但试验结果同时亦表明，两者共存时消毒副产物生成量显著低于单独条件下副产物生成量的叠加之和，因此，在摇蚊幼虫和铜绿微囊藻数量相同的条件下，二者共存时代谢产物的释放量显著减少，导致TOC浓度下降是这一现象产生的主要原因。研究表明：摇蚊幼虫与铜绿微囊藻存在捕食关系，摇蚊幼虫对藻类的捕食作用导致铜绿微囊藻种群数量的下降，进而引起代谢产物释放量的减少，同时摇蚊幼虫所释放的代谢产物可以作为铜绿微囊藻的食物被其利用，也是TOC浓度下降的原因之一。

2.2 影响因素

2.2.1氯化反应时间的影响。由图4可知，TCM和TCAA的浓度最高，其次是DCAA，而CH、1,1-DCP、1,1,1-TCP 的浓度则较低。TCM、DCAA、CH的浓度随反应时间的延长而增加，但CH的变化趋势不明显。TCM和TCAA在反应的前6 h内急剧增加，分别增加了81.2和71.7 μg/L。这是由于在反应的最初阶段DCAN和1,1,1-TCP 水解成TCM和TCAA。TCAA、1,1-DCP、1,1,1-TCP的浓度变化趋势均随时间的延长先增大后减小，TCAA的最大浓度出现在24 h时，此时的浓度为175.5 μg/L，而1,1-DCP、1,1,1-TCP均是在12 h时达到最高浓度，它们的最高浓度很低，分别只有32.5和35.1 μg/L。1,1-DCP是不稳定的副产物，在氯充足的的情况下它可以被氧化成1,1,1-TCP[13]。当反应进行到12 h时，1,1-DCP和1,1,1-TCP的水解速率加快，大于其合成速率，所以出现该种变化趋势。

2.2.2pH的影响。由图5可知，TCM呈现出逐渐增加的趋势，DCAA的浓度在pH从5～7逐渐增大，随着pH的增大其浓度几乎不变。CH、TCAA的浓度随pH的变化呈现出先增大后减小的趋势，在pH为7时浓度最高。1,1-DCP、1,1,1-TCP的浓度都随pH的升高而降低。由于TCM是稳定的消毒副产物，并且1,1-DCP和1,1,1-TCP等其他不稳定的消毒副产物都会水解成TCM，所以TCM的浓度会随pH的增大逐渐积累[12]。 pH会影响消毒副产物的稳定性，DCAN、1,1-DCP、1,1,1-TCP和CH能够在碱性状态下被水解[14]，并且这些不稳定的消毒副产物的水解速率随着pH的增大而加快[15]。1,1,1-TCP在pH为8.5时的水解速率常数是20.90， pH为7.0时的水解速率常数是4.18，1,1,1-TCP的水解速率随pH的增大而增大[11]，这就导致1,1,1-TCP的浓度在pH的增大过程中逐渐减少。1,1-DCP能够被氧化成1,1,1-TCP，并且氧化速率也是随着pH的增大而增大，所以1,1-DCP的浓度在pH从5～9逐渐减小。

2.2.3温度的影响。由图6可知，TCM、DCAA和TCAA这些消毒副产物均随温度的升高而逐渐增加，CH、1,1-DCP和1,1,1-TCP均是在20 ℃时达到最大，温度继续升高，浓度反而下降。对于稳定的消毒副产物来说，温度越高其合成速率越大，所以TCM、DCAA和TCAA的浓度伴随温度的升高而增加。温度不仅能影响合成速率也能影响水解速率，同时，水解反应是一个吸热过程，此外高温有利于不稳定消毒副产物的水解，所以CH、1,1-DCP和1,1,1-TCP的浓度会出现先增大后减小的趋势。因此，消毒副产物的浓度要根据不同温度下它的形成速率和水解速率来判断[16]。

3 结论

氯化消毒摇蚊幼虫与铜绿微囊藻混合代谢产物时会生成多种消毒副产物，这些消毒副产物对水质安全和水质状况有很大影响。它们在不同的环境条件下呈现出如下不同的规律。

(1)铜绿微囊藻与摇蚊幼虫共存时代谢产物中消毒副产物与它们单独存在时的变化趋势相同，在含量上有所增加，但增加幅度不大，远小于两者单独氯化消毒产生副产物之和，所以铜绿微囊藻与摇蚊幼虫共存对氯化消毒副产物的形成有一定的抑制作用。

(2)TCM、CH、DCAA、TCAA、1,1,1-TCP的生成量都随投氯量的增加而增大，只是增加的程度不同，TCM、DCAA、TCAA的浓度增加的较明显；1,1,1-TCP浓度的变化则很缓慢；CH的浓度在2～4 mg/L明显增加，然后趋于平稳；1,1-DCP的浓度随投氯量的变化先增大后减小，在4 mg/L时达到最大。

(3)TCM、DCAA、CH的浓度随反应时间的延长而增加，但CH的变化趋势不明显。TCAA、1,1-DCP、1,1,1-TCP的浓度变化趋势是随时间的增加先增大后减小，TCAA的最大浓度出现在24 h时，而1,1-DCP、1,1,1-TCP均是在12 h时达到最高浓度。

(4)pH对几种消毒副产物的形成有不同影响。TCM呈现出逐渐增加的趋势，DCAA的浓度在pH从5～7逐渐增大，再增大pH其浓度几乎不变。CH、TCAA的浓度随pH的变化呈现出先增大后减小的趋势，在pH为7时浓度最高。1,1-DCP、1,1,1-TCP的浓度都随pH的升高而降低。

(5)TCM、DCAA和TCAA这些消毒副产物均随温度的升高而逐渐增加，CH、1,1-DCP和1,1,1-TCP均是在20 ℃时达到最大，温度继续升高，浓度反而下降。

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Formation of Disinfection By-products from the Chlorination ofMicrocystisaeruginosaand Chironomid Larvae Metabolite Dissolution

ZHANG Shu-song, SUN Xing-bin*

(Forestry College，Northeast Forestry University，Harbin, Heilongjiang 150040)

[Objective] The aim was to understand producing characteristics of disinfection by-products from the chlorination ofM.aeruginosaand chironomid larvae metabolite dissolution.[Method] The law on the formation of disinfection by-products from the chlorination ofM.aeruginosaand chironomid larvae metabolite dissolution was studied. [Result] Content of DBPs ofM.aeruginosaand chironomid larvae in the coexistence of metabolites was far less than the two separate chlorinated DBPs. The change tendency of the coexistence of the two side product was the same to one of them alone. Under different reaction conditions, the law of DBPs generated also varied as follows: the contents of chloroform (TCM), chloral hydrate (CH), dichloroacetic acid (DCAA), trichloroacetic acid (TCAA) and 1,1,1-trichloro-2-propanone (1,1,1-TCP) increased with the increase of the amount of chlorine, 1,1-dichloro-2-propanone (1,1-DCP) increased with the concentration of chlorine dosage increasing first and then decreased; the longer reaction time could promote the formation of TCM and DCAA, while the concentration of TCAA, 1,1-DCP and 1,1,1-TCP increased first and then decreased, CH did not change significantly; pH was beneficial to the formation of TCM, and the concentration of DCAA in the acid condition increased, while it remained unchanged in alkaline condition, and the highest concentration of CH, TCAA appeared in pH7, and the concentration of 1,1-DCP and 1,1,1-TCP decreased with the increase of pH gradually; the contents of TCM, DCAA and TCAA increased with temperature increasing, furthermore CH, 1,1-DCP and 1,1,1-TCP reached the maximum at 20 ℃, and then decreased when the temperature continued to rise. [Conclusion] The results provide theoretical basis for pollution control ofM.aeruginosaand chironomid larvae in drinking water treatment.

Chironomid larvae;Microcystisaeruginosa; Metabolite; Disinfection by-products

黑龙江省自然科学基金项目(E200812);中国博士后基金特别资助项目(200902408)。

张树松(1989-)，女，山东黄县人，硕士研究生，研究方向：水处理。*通讯作者，教授，博士生导师，从事水处理技术与应用研究。

2014-11-19

S 433.89

A

0517-6611(2015)01-080-04