東北地理所在強化型人工濕地高效去除微囊藻毒素研究中取得進展
近年來，水體富營養化引起藍藻水華的頻繁爆發，藍藻次生代謝產生的藍藻毒素嚴重威脅水生生態系統的安全和公眾健康。藍藻毒素有肝毒素、神經毒素和細胞毒素3類，微囊藻毒素(Microcystins，MCs)是淡水中分布最廣、毒性最強、危害最大的一種肝毒素，為一類具有生物活性的環狀七肽類有機小分子化合物，自然環境中降解過程十分緩慢，我國生活飲用水標準中的限值僅為1μg/L。因此，探索微囊藻毒素污染水體的生態治理措施具有重要的現實意義。
前期研究證實，人工濕地能有效去除水體中的微囊藻毒素，但是當進水中微囊藻毒素濃度較高(>15 μg/L)時，人工濕地的去除效果并不理想(Cheng et al., 2021)。為此，東北地理所科研人員以微囊藻毒素變體中毒性最強的MC-LR為目標污染物，開展了人工濕地高效去除微囊藻毒素的探索性研究，研發了微生物燃料電池耦合人工濕地(MFC-CWs)、生物炭基質人工濕地(BC-CWs)兩種強化措施，模擬研究了兩種強化型人工濕地的凈化效果，探討了去除機理，優化了強化型人工濕地的運行方式與基質的配比。
研究結果表明：(1)MFC-CWs在48 h之內便可實現對水中N、P和MC-LR的高效去除，且閉路運行(T1)的MFC-CWs在N、P和MC-LR的去除性能方面要顯著(p < 0.05)優于開路運行(CK)系統，主要是因為MFC-CWs中存在較多的微囊藻毒素降解菌(如：鞘脂單胞菌科(Sphingomonadaceae)、伯克氏菌科(Burkholderiaceae)、微球菌科(Micrococcaceae)和黃單胞菌目(Xanthomonadales))，系統內電子轉移速率和微囊藻毒素降解菌相對豐度的提高是MFC-CWs能夠高效凈化高濃度MC-LR(?15 μg/L)的關鍵;進一步通過海綿鐵對MFC-CWs的陽極區進行強化(T2)，MC-LR的凈化效率并未得到提升(圖1)。(2)BC-CWs對N、P和MC-LR的去除效率顯著(p < 0.05)提升，而胞外聚合物的含量顯著(p < 0.05)降低(圖2B)，從而降低了系統堵塞的風險;生物炭基質吸附性能的提高和功能微生物相對豐度的增加是BC-CWs去除效率提高的主要原因。綜合去除效率和經濟成本，建議實際應用中生物炭的最佳體積投加比為20%。
圖1 MFC-CWs對MC-LR的去除效果（A）、系統產電性能（B）與微生物群落結構（C）
圖2 BC-CWs的去除效果（A）、胞外聚合物含量（B）與微生物群落結構（C）
本研究為微囊藻毒素污染水體的生態治理提供了技術支撐，同時也為人工濕地技術的應用拓展提供了科學依據。相關成果發表在國際期刊Journal of Environment Management和Chemosphere碩士研究生程銳為第一作者，祝惠研究員為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金項目（No.U21A2037）、中科院先導專項子課題（XDA28040102）、中科院創新交叉團隊項目（No.JCTD-2020-14）和中科院青促會項目（No.2017274）的共同資助。
論文信息如下：
1.Cheng, R., Zhu, H.*, Shutes, B.,Yan, B.(2021).Treatment of microcystin (MC-LR) and nutrients in eutrophic water by constructed wetlands: Performance and microbial community. Chemosphere, 263, 128139. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.128139
2.Cheng, R., Zhu, H.*, Wang, J., Hou, S., Shutes, B., Yan, B. (2022). Removal of microcystin (MC-LR) in constructed wetlands integrated with microbial fuel cells: Efficiency, bioelectricity generation and microbial response. Journal of Environmental Management, 309, 114669.https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.114669
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