饮用水处理过程中微污染物对生态滤池中天然藻类和蓝藻群落的影响
原创 发布时间:2022-10-31 浏览次数: 1020 来源: 夏西洋

核心提示:饮用水生产过程的一个有潜力的替代方案是生态过滤器。先前的研究报告了该技术对水中残留药物和个人护理产品 (PPCP) 的高去除率。藻类和蓝藻群落在生态过滤器的生物活性中发挥着重要作用。


  摘要:饮用水生产过程的一个有潜力的替代方案是生态过滤器。先前的研究报告了该技术对水中残留药物和个人护理产品 (PPCP) 的高去除率。藻类和蓝藻群落在生态过滤器的生物活性中发挥着重要作用。本研究的目的是检测22个生态过滤器中藻类和蓝藻群落的组成、密度以及生物量的大小,这些过滤器中添加PPCP的峰值为 2 μg·L-1。对于藻类和蓝藻群落,在每次从生态过滤器的顶部沙层和上清水之间的加PPCP之前和之后间隔96小时收集一式三份样品。结果表明,绿藻类和蓝藻类大量存在于生态过滤器内,卵形鳞孔藻(Lepocinclis cf.ovum)在过滤器中的出现频率和丰度最高,表明卵形鳞孔藻(Lepocinclis cf.ovum)可能具有耐受性。尽管 PPCPs 的浓度不会影响处理后的水质,但它们确实会影响藻类和蓝藻群落。在接受单一 PPCP 的过滤器和接受六种化合物的混合物的过滤器之间没有检测到差异。此外,在添加污染物前后 96 小时观察到了藻类和蓝细菌群落组成的变化。

  引言

  药物和个人护理产品(PPCP)等微污染物残留造成潜在水污染逐渐引起人们的关注,这些化学品即使在极低浓度(μg甚至ng L)下也会对水生生物群和人类造成未知的损害。废水处理厂(WWTP)排放的废水是环境中PPCP的主要污染源。传统的污水处理工艺主要去除有机物、氮和磷酸盐,而非PPCP,在地表水中发现了浓度为μg·L-1甚至ng·L-1的PPCP。先进的氧化工艺(AOP)能够有效去除PPCP, 但其价格昂贵,在一些低收入国家应用比较少。人们研究出一种有望替代传统的水处理装置:生态过滤器(慢速砂滤-SSF),该技术对PPCP具有较高的去除率。相关研究发现,生态过滤器对药物的去除率为78%至99%,而个人护理产品去除率为70%至71%,证明了慢速砂滤在去除PPCP方面的潜力。生态过滤器不需要化学凝结、反洗和维护和运行所需的能源,使其成为了低成本、零碳的解决方案。但是,考虑到添加PPCP对藻类的生长也可能产生限制,有必要确定这些微污染物对生态过滤器中的藻类和蓝藻群落的影响,以了解处理性能是否受到影响。

  结果

  过滤器中的藻类和蓝藻群落

  在生态过滤器内,我们鉴定出了156个分类群,其中绿藻类和蓝藻类是类群数量最多的藻类,分别为58和37种。在我们的研究中,在过滤器的运行时间内,在砂层的顶部形成了一层厚厚的螺旋藻(图1),猜测可能为纤丝藻类。且藻类物种的丰富度随着过滤器的运行时间增加而增加,第一次观测到的种类最少,第三次观测到的最多。

  图1 生态过滤器

  与添加PPCP的过滤器相比,对照组(无PPCP)的物种丰富度较小。PPCP的存在似乎增加了生态过滤器中的物种丰富度,可能是因为PPCP增加了微藻生长的所需的碳源。在第三次添加后,受污染过滤器内的物种丰富度仍然较高。按每个过滤器中的物种相似性分组的聚类分析(图1)显示了3组(分为3个添加)的分组,但对照过滤器(每次添加之前和之后)没有分组,表明对照组过滤器中识别出的物种之间存在相似性,这与过滤器运行时间的影响无关,但与PPCP的存在有关。

  图2 每个生态过滤器在添加PPCP(C,对照;P,扑热息痛;D,双氯芬酸;N,萘普生;I,布洛芬;M,对羟基苯甲酸甲酯;B,二苯甲酮-3;Mix,PPCP混合物)后每隔一定取样时间(a,加PPCP前;b,加PPCP后96 h)确定物种相似树状图。

  浮游植物的定量分析

  在第1次添加时,生物量值最高的组依次为:真核藻类>蓝藻类>硅藻类>隐藻类,在第2次和第3次添加时,生物量顺序如下:硅藻类>蓝藻类>真核藻类>酵母类(图3)。在第二次添加时,所有滤器中的真核藻类生物量都减少了(图3b),而对照滤器中也减少了,表明与PPCP的存在无关,可能只是由于藻类自身群落组成的变化造成的。生态过滤器内确定的藻类中,卵形鳞孔藻(Lepocinclis cf.ovum)的生物量最高。布洛芬添加96小时后, 双星藻(Zygnemaphyceae)的生物量达到2.068431425×107mm3 L−1,但其他藻类的生物量较低,表明布洛芬对藻类具有更高的生态毒性风险。在添加PPCP的过程中,硅藻群丰度和生物量不断减少,表明硅藻可能对PPCP的存在敏感。

  图3 生物量(mm3 L−1)在取样时间(a:加PPCP前;B:加PPCP后96小时)和三次加PPCP(C,对照;P,扑热息痛;D,双氯芬酸;N,萘普生;I,布洛芬;M,对羟基苯甲酸甲酯;b,二苯甲酮-3;Mix,PPCP混合物)期间,每个过滤器中的藻类和蓝藻的数量。

  生态过滤器内藻类的多样性指数

  多样性指数基于生物量。在加入PPCP后96h,使用萘普生的过滤器中生物量检测到最高值,布洛芬的过滤器中生物量较低,这表明布洛芬对藻类群落的毒性比萘普生更大。随着生态过滤器运行时间的增加,平均多样性指数也随之增加,也证明了藻类和蓝藻群落的种类数量和多样性有所增加,并且随着生态过滤器的运行,其群落组成发生了变化。

  图4根据每个过滤器内的生物量来计算生物量(a:加PPCP前;B:加PPCP后96小时;C,对照;P,扑热息痛;D,双氯芬酸;N,萘普生;I,布洛芬;M,对羟基苯甲酸甲酯;B,二苯甲酮-3;Mix,PPCP混合物;1,第一次添加PPCP;2,第二次添加PPCP;3,第三次添加PPCP)。

  生态过滤器内与藻类的最大生物量相关的有30种,其中27个物种的相关系数r>0.5。(图5)物种的生物量相关值最高的物种为Dictyosphaerium pulchellum H.C.Wood (r = 0.835),Desmodesmus intermedius E.Hegewald (r=0.791),和Cryptomonas obovata Skuja (r= 0.772)。同样发现,在不同批次添加PPCP,与该物种的生物量相关的物种与相关系数皆有不同。

  图5 基于三次添加PPCP时间,对每个过滤器内重要物种进行相关性分析

  乙酰氨基酚和双氯芬酸可能提供小球藻生长所需的碳源,其生长改善率高达43%。单独添加萘普生(N1)和布洛芬(I1)后,过滤器的物种组成具有差异,表明这些化合物对过滤器中藻类群落产生了影响。第二次加标前的过滤物种被分组在轴1的正侧,加标后96小时的过滤物种则被分组在第1轴的负侧,与第一次加标一样。在第二次峰值(轴1)之前的过滤器组中,相关值最高的物种是Aulacoseira sp.2(r=0.813)和Aulacosera sp.3(r=0.776),均属于硅藻纲。添加PPCP的对照组过滤器未与其他过滤器进行分组,表明在物种组成方面与其他过滤器缺乏相似性,因此,确认PPCP的存在改变了过滤器中藻类和蓝藻群落的组成。此外发现,藻类和蓝藻群落的这些变化并未影响过滤后的水质。



  图6 基于添加PPCP前和添加PPCP 96h后,对每个过滤器内重要物种进行相关性分析

  基于生物量的生物和非生物参数综合分析

  过滤器内的物种与环境的相关性在轴1(r=0.90)和轴2(r=0.88)中较高(图6),表明所有环境参数与物种丰富度之间有很强的关系。TN和DO是轴1正侧排序中影响最大的参数,相关系数分别为r=0.82和r=0.56,也是对藻类群落影响较大的参数。观察到,与轴的正侧相关,生物量的最高值为Desmodesmus intermedius (r= 0.88),Dictyosphaerium pulchellum (r = 0.70) and Cryptomonas obovata(r = 0.80)。


  图7对每个过滤器内重要物种以=以及非生物参数进行相关性分析

  结论

  生态过滤器内呈现出多种藻类和蓝藻生物群,其中绿藻类和蓝藻类具有较多的类群和较大的丰度,PPCP的浓度(2 μg·L-1) 影响了过滤器内的藻类组成。过滤时间和采集时间(加入PPCP前后)都会对过滤器中存在的藻类和蓝藻群落的数量、丰富度、物种组成造成影响。卵形鳞孔藻是生态过滤器中最丰富的物种,它可能对过滤器中添加的PPCP具有耐受性。PPCP的低浓度不会影响处理后的水质,但PPCP能够影响藻类和蓝藻群落,水生环境中存在这些微污染物会改变其微生物群落结构,并可能对生物过滤器处理性能造成影响,这需要进一步调查。

  参考文献

  Caroline M, Luiza C, Vieira E M, et al. The impact of micropollutants on native algae and cyanobacteria communities in ecological filters during drinking water treatment[J]. Science of The Total Environment, 2022,822: 153401.

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