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郵箱：xiaoleyuan@outlook.comTransport and retention of Microcystis aeruginosa
in porous media
選自Water Research期刊文章[1]，原文作者為：趙偉高
作者單位及課題組研究方向簡介：天津大學環境學院，田一梅和趙鵬老師課題組多年來從事給水工程系統優化及水質保障技術研究。
由於氣候變化和人類活動的影響，藻類爆發的頻率愈來愈高，規模愈來愈大。最近研究表明，水華爆發時藍藻細菌可以透過飲用水處理過程，出現在經過過濾和消毒的水中，這將嚴重影響到飲用水供應安全。其中，銅綠微囊藻是淡水水體中引起水華最常見的藍藻細菌之一。基於以上背景，進行了柱遷移實驗，對銅綠微囊藻在填充柱中的遷移和滯留行為進行了研究，比較了理想替代物（羧基化螢光微球）的遷移行為差異，深入分析了不同操作條件下驅動銅綠微囊藻遷移行為的機理。結果表明，無論離子強度、介質尺寸、流速以及水中溶解有機物的存在與否，實驗室培養的銅綠微囊藻都能穿透填充柱，與螢光微球的遷移行為不一致。此外，對預氧化技術和過濾技術對銅綠微囊藻去除的綜合影響進行了系統性研究，發現氧化裂解後的藻細胞在填充柱中的去除率仍沒有顯著提高。以上結果表明，一旦飲用水水源地發生藻類爆發，除了要儘可能預防藻毒素的釋放和暴露，還應特別注意過濾器中銅綠微囊藻等藻類細胞的遷移和滯留，降低藍藻細菌透過飲用水處理工藝的風險。
關鍵詞：過濾，微囊藻，離子強度，氧化，穿透，水處理
Due to the climate change and human activity, the frequency and intensity of algal blooms have increased significantly. Recent studies have shown that during the bloom event, evaluated levels of cyanobacteria could infiltrate the drinking water treatment process and emerge in the filtered and disinfected water, thus threatening the safety of the drinking water supply. Among these concerned cyanobacteria, Microcystis aeruginosa is one of the most commonly detected species that cause algal bloom in a fresh water body. The present work was designed to investigate the transport and retention behaviour of Microcystis aeruginosa in a packed column to resolve the mechanisms that drive the transport behaviour of Microcystis under various operational conditions. The results showed that lab-cultured Microcystis aeruginosa could effectively break through the packed column regardless of ionic strength, media size or flow rate, as well as the presence of dissolved organic matter in the water under the conditions investigated. Such behaviour significantly contradicts those of fluorescent microspheres, which are commonly considered as ideal colloids. In addition, the combined impacts of pre-oxidation technologies and filtration on Microcystis aeruginosa removal were tested systematically. It was found that even the cells have been lysed/oxidized, no significant improvement of cell removals were observed in packed column. This paper provides a significant and comprehensive record of transport and retention behaviour of Microcystis aeruginosa in porous media. The results found herein suggest that in addition to the effort preventing toxin release/exposure during bloom events in source water, engineers and researchers should also pay attention to the transport and retention of Microcystis aeruginosa and other algal cells in filters to minimize the risk of breakthrough of cyanobacteria cells in the drinking water treatment process.
Key words: Filtration, Microcystis, Ionic strength, Oxidation, Breakthrough, Water treatment
全球範圍內，近幾年全球氣候變化和富營養化問題不斷惡化，引起了藻類頻繁爆發，直接造成了飲用水的汙染。淡水水華發生時，魚腥藻、束絲藻、微囊藻和假魚腥藻等藻類大量繁殖，這些藻類會釋放毒素，造成人體肝損傷、神經中毒、腸胃炎、細胞毒性、肝毒性、神經毒性等疾病，嚴重危害人體健康。除了健康方面的影響，含毒藻類可能還會影響飲用水處理設施的運行，造成達標水量減少等問題。一般認為，過濾工藝之後結合混凝沉澱能有效去除水中的藻類，過濾法既能去除水中藻細胞又不會引入其他毒素，是現有水處理技術中最高效、最經濟的方法。然而，最近調查顯示，水華爆發時藻細胞可能會穿透過濾器，並在過濾器和沉澱池內形成團聚，滲入其中的藻細胞可能會在過濾器和沉澱池的汙泥層內積累，甚至出現在水廠出水中。銅綠微囊藻是具有代表性的水華爆發藻類，研究銅綠微囊藻的遷移行為驅動機制對制定水華爆發的飲水安全應對策略具有重要意義。
過濾系統的參數（介質尺寸、粗糙度均勻係數、表面化學異質性），藻細胞的物理化學特性（大小、形狀、胞外聚合物、電荷、形態），以及水生條件（離子強度、pH、溶解氧、溫度）等因素影響著水中微生物的去除效果，截止目前尚無學者系統研究這些因素對藻細胞去除效果的影響以及這些因素之間的共同關係。目前大多數研究實驗是在水華爆發期間進行的試點試驗或實際尺度試驗，大尺度試驗中混合影響因素難以解耦，因此無法全面解釋微囊藻與其他藻類在填充介質中的遷移驅動機制。許多研究將注意力集中在藻毒素或葉綠素的遷移行為上，部分研究用形態和大小與藻細胞相似的替代物（如螢光微球、孢子）來推測藻細胞的遷移機制，而定量描述或預測藻細胞在飲用水處理設施中的遷移行為研究則相對缺乏。
因此，在這篇文章中，我們通過柱實驗比較了不同條件下銅綠微囊藻及其理想替代物（羧基化螢光微球）的遷移行為差異，研究了殘餘營養物和預氧化工藝對銅綠微囊藻遷移行為的影響，深入分析了驅動銅綠微囊藻在多孔介質中遷移和滯留的機制，提出了應儘可能降低藍藻細菌在飲用水處理中穿透風險的實際要求。
pH對銅綠微囊藻及其同尺寸微球的zeta電位有相似的影響（圖1）。pH從2逐漸增加到11，它們的zeta電位都是先減小後穩定；離子強度對二者的zeta電位都有抑制作用——隨著離子強度增加，zeta電位絕對值逐漸減小。從圖中可以看出，當離子強度為100 mM KCl時，它們的zeta電位變化不大，都在-10 mV到-20 mV的範圍之間變化；離子強度減小後它們出現不同的變化趨勢，當離子強度為1mM KCl時，微球的zeta電位減小到約-100 mV，而銅綠微囊藻約為-40 mV，可見離子強度對微球的影響更大。因此，pH與離子強度會共同影響銅綠微囊藻及其同尺寸微球的zeta電位，且離子強度對zeta電位的影響隨著pH的增大而增大。與銅綠微囊藻相比，微球的zeta電位對pH與離子強度的變化更為敏感。
從zeta電位上看（表1），兩種介質顆粒表面都帶負電，這可能會使顆粒與介質表面之間相互排斥。根據經典過濾理論CFT，較高的離子強度會壓縮雙電層的厚度，有利於膠體態顆粒在多孔介質上的沉積。此外，二者的接觸角測量值也有顯著差異，與微球相比，銅綠微囊藻的疏水性較差。通過拉曼表面分光光度計，驗證了銅綠微囊藻和螢光微球的拉曼位移光譜是不同的（圖2）。銅綠微囊藻的表面有三個強峰，約為1004、1156、1518 cm-1，而微球只有一個強峰，約為1001 cm-1。結合螢光顯微鏡的結果，可以推斷實驗室培養的銅綠微囊藻與微球雖然在形態特徵上相似（大小、形狀等），但是表面化學性質不同，尤其可能是表面上的優勢官能團不同，導致了它們在填充柱中不同的遷移和滯留行為。
圖1 不同離子強度和pH值對膠體態顆粒zeta電位的影響
（a）實驗室培養的銅綠微囊藻 （b）相似尺寸大小的微球
圖2 銅綠微囊藻（左）和微球（右）的拉曼光譜
表1 在不同離子強度下過濾介質與膠體的zeta電位與接觸角
實驗結果表明，雖然銅綠微囊藻和微球具有相似的形態特徵（大小與形狀等），但是它們沉積行為存在顯著差異。根據經典過濾理論CFT，離子強度對它們的沉積有促進作用，沉積速率kd應當隨著離子強度增大而增大。然而，微球對離子強度更為敏感，而銅綠微囊藻幾乎不受影響，銅綠微囊藻和微球的沉積速率kd隨離子強度的變化程度明顯不同（圖3）。在流速為5.0 mL/min和介質B的條件下，隨著離子強度從1 mM增加到100 mM KCl，銅綠微囊藻的kd值無明顯變化，微球的kd值則提高了52倍。雖然三次實驗中銅綠微囊藻的沉積速率平均值都隨著離子強度的增大而增大，但是kd的絕對增量非常小（C/C0僅有±1%的變化），從這方面來看沒有統計學意義。此外，在較高流速下，離子強度對沉積速率的影響增強，在流速為5.0 ml/min的條件下，離子強度從1 mM 增大到100 mM KCl，銅綠微囊藻和微球的沉積速率均提高了約200%。在不同的操作條件下，銅綠微囊藻和微球都表現出了相似的變化趨勢。綜上，在不同流速和介質尺寸條件下，離子強度對顆粒沉積有促進作用，離子強度越高，沉積速率越大；在最低（1 mM KCl）和最高（100 mM KCl）的離子強度條件下劃定了沉積速率的上界與下界，沉積速率與離子強度之間沒有明顯的非單調關係，這些結論與CFT定性一致。
不同離子強度下，銅綠微囊藻、微球與介質表面之間的相互作用能曲線相似（圖4）。當離子強度從不利沉積條件逐漸增大為有利沉積條件，能壘峰值顯著降低，能壘距離向接觸面靠近。有利條件下（100 mM KCl）微球與介質表面之間的相互作用能比銅綠微囊藻表現出更強的吸引力。根據擴展DLVO理論，離子強度的增加會導致膠體態顆粒在多孔介質中的沉積增加，銅綠微囊藻可能受到更大的排斥力，因此抑制了它在填充柱中滯留。
理論上說，離子強度越小，κ-1越被壓縮，靜電斥力減小，導致顆粒沉積作用變強。然而，實驗結果與擴展DLVO理論預測結果不一致。實驗結果表明不管離子強度如何變化，銅綠微囊藻都可以穿透過濾系統，這些實驗結果在某種程度上反映了藻類細胞在現實尺度中飲用水處理設施中的穿透行為。我們推測：在所研究的實驗條件下，由VDW、EDL與路易斯酸鹼力驅動的界面力可能不是主導機制，化學異質性、疏水性、水合作用等其他驅動力可能起著更大的作用，還要考慮到沉積次級最小值、表面滾壓和能夠以動態方式保持細胞的剪切升力。
圖3 不同操作條件下銅綠微囊藻（a）和微球（b）的沉積速率
圖4 不同離子強度下銅綠微囊藻(a, c)
和微球(b, d)與介質a和介質b的相互作用能
我們分析了不同介質尺寸和流速條件對銅綠微囊藻和微球的沉積速率和粘附效率的影響（圖5）。人們普遍認為，介質較小和流速較高的條件有利於膠體態顆粒在多孔介質中的沉積。從圖中可以看出，相同的操作條件下，銅綠微囊藻和微球在介質B上的沉積速率kd（s-1）始終高於在介質A上的。因為通量隨著流體動力的增大而增加，較高的流速會導致更多的沉積。與銅綠微囊藻相比，微球的沉積速率受介質尺寸的影響更明顯，其變化範圍為0.002到0.045 [s-1]。在介質B和流速5.0 mL/min的條件下，微球的kd值達到最大。而銅綠微囊藻的沉積速率受介質尺寸和流速的影響不明顯，其變化範圍只有7×10-5到8×10-4 [s-1]。
實驗結果表明，所有銅綠微囊藻的粘附效率α均低於0.15（圖5c）。介質尺寸、流速、離子強度等條件共同影響粘附效率α。在高流速、高離子強度、大尺寸介質的條件下（5.0 mL/min，100 mM KCl，介質A），銅綠微囊藻的粘附效率α達到最大，而在低流速、低離子強度、小尺寸介質的不利條件下（1.0 mL/min，1 mM KCl，介質B）達到最小。1 mM KCl條件下銅綠微囊藻的粘附效率α最低，而且無論介質尺寸和流速如何變化，α都沒有明顯變化；只有當離子強度增大時，α逐漸增大。
與銅綠微囊藻相比，不同的介質尺寸和流速對微球的粘附效率α影響不大（圖5d）。離子強度同樣會促進微球的粘附效率，離子強度越大則α值越大。除了少數在100 mM KCl條件下的結果外，微球的附著效率α值都接近於1，這符合擴展DLVO理論以及之前報導的預測結果。隨著介質尺寸和流速的變化，微球的α值並沒有明確的變化趨勢。這些微球得到的實驗結果與CFT相一致，但上述銅綠微囊藻得到的結果與CFT並不一致。以上結果表明：現有的理論只能解釋水生微生物的理想化替代物（如微球）的遷移機理，但不能解釋銅綠微囊藻的行為。因此需要尋求新的機理，去更好地解釋銅綠微囊藻在多孔介質中的遷移和滯留行為，例如化學異質性，疏水性 ，粗糙程度，EPS與水合作用等。
圖5 隨著操作條件變化的銅綠微囊藻(a, c)
和微球(b, d)的沉積速率kd與粘附效率α
上述結果說明，在任何操作條件下（介質尺寸、離子強度、流速），實驗室培養的銅綠微囊藻都能穿透填充柱，這些結果與微球不同，也無法用擴展DLVO理論充分解釋。測試發現，細胞培養液中總有機碳含量（TOC）可達63.4±1.5 mg/L，並據此推測銅綠微囊藻培養液中殘餘的化學物質可能改變了細胞的表面化學，從而幹擾了藻細胞遷移和滯留機制。為了進一步解耦背景懸浮液的影響，採用0.45 μm濾膜將銅綠微囊藻從背景液中分離出來，將微球與同種殘餘營養物進行混合，兩種樣品分別在介質A和介質B、1和100 mM KCl條件下進行附加實驗。
經過實驗發現，不管介質尺寸和離子強度如何變化，殘餘營養物對銅綠微囊藻在填充柱中的滯留沒有顯著影響（圖6），測得的粘附效率都相對較低（α＜0.15）。這表明了銅綠微囊藻的遷移機制更可能是由細胞表面控制，而不是過濾介質或水生懸浮液的特性。從圖中可以看出，有利條件下（100 mM KCl）殘餘營養物抑制了微球在填充柱中的滯留，但在不利條件下（1 mM KCl）影響不大。這是因為殘餘營養物帶負電，把它添加到有利於沉積條件的懸濁液後，接近中顆粒與介質表面之間的界面力變成排斥力，導致沉積減少；不利條件下顆粒與介質之間的排斥力已經很強烈，無法再進一步增強。有利條件下加入殘餘營養物後微球的粘附效率和在1 mM KCl條件下的幾乎相同，間接驗證了上述機制。
圖6 不利（1 mM）和有利（100 mM）條件下
殘餘營養物對銅綠微囊藻（a）和微球（b）粘附效率的影響
在飲用水處理系統中，通常採用氧化工藝（如紫外線、臭氧或次氯酸鈉）作預處理來破壞細胞、氧化有機物和水生微生物，從而更好地去除汙染物。一般認為，改變細胞的化學和物理完整性（例如使表面更粗糙）會提高去除率，因為無序的細胞形態與化學成分使斥力減小，增加了沉積的有利位點。我們通過實驗模擬了飲用水處理廠的實際操作條件，首先通過不同的氧化工藝與銅綠微囊藻發生反應，然後將處理後的藻細胞通入填充柱，選擇沉積速率最高的條件（離子強度為1 mM KCl，介質B，流速為5.0 mL/min）進行實驗，研究氧化與過濾聯合作用對細胞滯留的影響。
用10 mg/L NaClO氧化處理銅綠微囊藻，隨著接觸時間的增加，細胞裂解且形態發生了顯著的改變，表面變得更粗糙。最終銅綠微囊藻的螢光區域（FL3，FL4）發生變化，說明細胞已經失活。對未經處理和不同高級氧化處理後銅綠微囊藻的沉積速率kd進行對比（圖7），可知高級氧化處理後銅綠微囊藻的kd值都很小，且差別不大（0.0002~0.0005, s-1），只有紫外線與0.3 mM氯胺共同作用的一組結果略低於其他組。測試了不同濃度氧化劑對銅綠微囊藻的粘附效率α的影響，隨著NaClO濃度從0.0013 mM提高到0.134 mM，α值沒有明顯提高。
綜上，雖然預處理能夠有效地使銅綠微囊藻失活，但失活的藻細胞無論在任何操作條件下仍然可以穿透填充柱，預氧化引起的形態變化對過濾的去除效果影響不大。因此，為了提高淨水系統對銅綠微囊藻的去除率，應使藻細胞充分團聚，在過濾和消毒等工序前將它們從水中除去。
圖7 不同的氧化工藝對銅綠微囊藻在填充柱中滯留行為的影響
實驗條件：介質B，流速5.0mL/min，1mM KCl
銅綠微囊藻是淡水水體水華爆發時最具代表性的藻類，而微球是水生微生物的理想替代物，其大小和形態特徵與實驗室培養的銅綠微囊藻相似。本工作首次全面研究了銅綠微囊藻在填充柱中的遷移和滯留行為，並與微球進行了對比，實驗操作條件為：不同的流速（1.0與5.0 mL/min）、介質尺寸（介質A與介質B）、離子強度（1，10，50，100 mM KCl）。本工作還系統地研究了培養藻細胞的殘餘營養物和不同的氧化工藝（包括紫外線+氯胺，臭氧+雙氧水，紫外線+次氯酸鈉，紫外線+雙氧水，電催化）對銅綠微囊藻遷移行為的影響。結果表明，無論操作條件如何，銅綠微囊藻都可以穿透填充柱，粘附效率α始終低於0.15，且受離子強度的變化影響不大；氧化處理可以使銅綠微囊藻滅活並改變它的表面特徵，但是沒有提高填充柱中銅綠微囊藻的截留率。這些實驗結果無法用現有的擴展DLVO理論來解釋，並且與大部分微生物的遷移和滯留行為相矛盾。
本工作旨在通過柱實驗模擬實際過濾過程中銅綠微囊藻的遷移滯留行為。實驗室培養的銅綠微囊藻細胞主要是分離狀態，而不是現實中水華爆發時出現的團聚態或大量增殖的狀態，藻細胞不同的形態特徵可能會影響過濾過程中的滯留行為。即使是水華爆發時，仍有相當一部分藻細胞是相互分離的或者聚成一個小單元。還有學者發現了束絲藻和魚腥藻的絲狀細菌也可以穿透過濾系統，出水濃度甚至高於世界衛生組織一級警戒級別。本工作研究表明，除了預防飲用水水源地水華中藻毒素的釋放和暴露，還應特別注意過濾器中銅綠微囊藻等藻類細胞能夠透過飲用水處理工藝。這些研究結果不僅解釋了氯消毒出水濁度（>0.4 NTU）和DOC升高的原因，而且還指出了飲用水給水問題中味道和氣味的可能成分。因為在消毒後藻細胞還有可能會產生毒素並釋放到水中，從而危害水質安全；當它們遷移到水池或其它儲水地點時，可能會引發當地藻類大量繁殖甚至爆發水華。因此，為了儘可能降低藻類爆發對人類的危害，有必要深入闡明過濾過程中銅綠微囊藻的遷移和滯留行為。另一方面，建立能夠識別和量化水華藻細胞種類和數量的預警監測系統，有利於飲用水廠更好地管理設施，採取積極有效的解決方案來應對挑戰。
歸納分析主要結論如下：
（1）無論在何種操作條件下，銅綠微囊藻都能穿透填充柱。我們第一次系統地論證了這一現象，由此可以合理解釋實際尺度下飲用水處理廠中藻細胞的穿透現象。控制銅綠微囊藻滯留的驅動機制更可能來自細胞表面，而不是介質特性和水生懸浮液。
（2）微球可能不是研究銅綠微囊藻遷移和滯留行為的理想替代物。相比於銅綠微囊藻，微球的遷移和滯留行為對離子強度、流速、介質尺寸和殘餘營養物等條件的變化更敏感。高離子強度下，殘餘營養物引起的變化影響更明顯，而在低離子強度下，影響相對較小。
（3）擴展DLVO理論可以定性解釋微球的遷移行為，但不適用於解釋銅綠微囊藻的滯留行為。驅動銅綠微囊藻穿透過濾過程的機制有待進一步探究。
（4）應密切監測藻類細胞的遷移，有效聚集細胞，並在飲用水處理設施內的過濾和消毒工藝之前將其去除。
[1]Zhao, W., et al., Transport and retention of Microcystis aeruginosa in porous media: Impacts of ionic strength, flow rate, media size and pre-oxidization. Water Research, 2019. 162: p. 277-287.
校稿 / 童銀棟、賈世超