UV-B辐射下叶绿素和微囊藻毒素的协同降解效应研究

摘要  ［目的］探讨水体微囊藻毒素无二次污染的高效降解方法。［方法］通过开展国内富营养化水体中常见的藻毒素异构体MC-RR、MC-LR在叶绿素的添加与否条件下，研究UV-B对富营养化水体中叶绿素和微囊藻毒素的协同降解效应。［结果］2 mW/cm2的UV-B照射1 h，MC-RR、MC-LR降解率分别为29.8%和16.9%，而添加叶绿素后MC-RR、MC-LR的降解率分别高达99.8%和100.0%；2 mW/cm2的UV-B照射2 h，MC-RR、MC-LR均产生大量的光降解异构体产物，异构体产物与残余MC的色谱面积比分别为28.9%和21.7%，而添加叶绿素后MC-RR、MC-LR均被完全降解，MC和异构体产物均未检出。添加叶绿素后MC呈现出高效完全光降解，避免了常规光降解产生大量潜在毒性的异构体产物的缺点；2 mW/cm2的UV-B照射1 h，对Chla、Chla与MC-RR混合溶液、Chla与MC-LR混合溶液中的叶绿素a的降解率分别为86.7%、18.9%和70.3%。［结论］叶绿素能高效催化UV-B对微囊藻毒素的光降解；水体添加叶绿素后MC呈现高效完全光降解，避免了常规光降解产生大量潜在毒性的异构体产物的缺点；微囊藻毒素的添加延缓了UV-B对叶绿素的光降解，值得进一步深入研究。

关键词  微囊藻毒素；叶绿素；UV-B；协同降解

中图分类号  X 52   文献标识码  A   文章编号  0517-6611（2023）05-0051-05

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2023.05.013

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the Synergistic Degradation of Chlorophyll and Microcystins under UV-B Radiation

SHEN Qiang， LI Si-xin， LENG Bo-han

（Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic-Projects and Restoration of Aquatic Ecosystem of Ministry of Water Resources/Institute of Hydroecology， Ministry of Water Resources and Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430079）

Abstract  ［Objective］To explore the degradation method of microcystins without secondary pollution.［Method］ The synergistic degradation effect of UV-B on chlorophyll and microcystin in eutrophic water was studied by carrying out the research on the common cyanotoxin isomers MC-RR and MC-LR in eutrophic water in China with or without chlorophyll.［Result］ After UV-B irradiation at 2 mW/cm2 for 1 h， the degradation rates of MC-RR and MC-LR were 29.8% and 16.9% respectively， while the degradation rates of MC-RR and MC-LR were 99.8% and 100% after chlorophyll was added. Photodegradation isomers were found from MC-RR and MC-LR after UV-B irradiation for 1 h， the proportion of isomers and residual MC-RR and MC-LR were 28.9 % and 21.7%， respectively. However， after adding chlorophyll， MC-RR and MC-LR were completely degraded， MC and isomers were not detected.After UV-B irradiation at 2 mW/cm2 for 1 h， the degradation rates of chlorophyll a in chlorophyll， chlorophyll and MC-RR mixed solution， chlorophyll and MC-LR mixed solution were 86.7%， 18.9% and 70.3% respectively. ［Conclusion］After adding chlorophyll， chlorophyll could efficiently catalyze the photodegradation of microcystin by UV-B. MC showed efficient and complete photodegradation， avoiding the shortcomings of conventional photodegradation producing potentially toxic isomers. The addition of microcystins delayed the photodegradation of chlorophyll by UV-B， which was worthy of further study.

Key words  Microcysitins;Chlorophyll;UV-B;Synergistic degradation

近年来随着人类活动增加和水体富营养化，我国湖泊水库蓝藻水华频繁发生。太湖、滇池和巢湖蓝藻大面积的暴发进一步引起了人们对水体富营养化的关注。蓝藻水华的暴发，不仅破坏了水生生态系统的多样性，而且产生大量微囊藻毒素（MC），对水环境造成严重污染［1］。如太湖水华暴发期间，水源水中胞内MC平均浓度7.165 μg/L，胞外MC浓度可高达5.128 μg/L［2］，远远超过WHO标准［3］，给人类健康带来潜在威胁。

鉴于水体中微囊藻毒素带来的巨大危害，水体中微囊藻毒素的消除成为当前水环境保护研究的重要问题之一。目前常用水体MC消除方法有活性炭吸附［4］、絮凝吸附［5］、超滤膜分离［6］、光降解［7］、微生物降解［8］等，上述方法往往具有一定局限性，有必要进一步发展高效率、无污染的毒素降解方法［9］。研究表明，MC在太阳光和紫外线照射下的光降解现象，未加光催化剂的光降解效率低［10］，而TiO2等催化剂的加入对水体有带来二次污染的风险；且MC的光降解中许多 研究采用UV-C照射［11］，而由于臭氧层阻挡，达到地面的日光中的紫外线波段中能量较强的为UV-B，不存在UV-C［12］。研究UV-B波段下MC的降解特征意义更为重要。此外，富营养化水体中含有有色可溶性有机物等天然有机物，能吸收太阳光而自然降解［13］。鉴于天然富营养化水体中普遍存在大量的叶绿素和MC，且二者均具有明显的光降解效应，在UV-B照射下富营养化水体中叶绿素和MC很有可能表现出协同作用的降解特征，因此，在水体中添加叶绿素等天然有机物的方法可能是大幅提升MC的UV-B光降解效率的可行途径之一。基于上述问题，笔者通过开展国内富营养化水体中常见的藻毒素异构体MC-RR、MC-LR在叶绿素的添加与否条件下，研究UV-B照射下的降解特征，探讨蓝藻毒素降解的可能机制以及安全、无二次污染的去除水华MC的光降解方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1    叶绿素的制备。

取60 g新鲜菠菜，按1 ∶ 4加入丙酮，在4 ℃下搅拌抽提30 min后，7 320 r/min下15 min离心，得到200 mL提取液，旋转蒸发器蒸干后，用适量丙酮溶液溶解，用超纯水稀释100倍以上后用0.22 μm针头过滤器过滤，配制成叶绿素a含量为17.48 μg/mL的水溶液，即刻用于试验。

1.1.2    微囊藻毒素纯品的制备。

微囊藻毒素MC-LR和MC-RR的纯化参照Shen等［1］和Lawton等［14］的方法。产毒微囊藻采用孔径60 μm浮游生物网采集自武汉市微囊藻水华严重暴发的池塘，经显微镜镜检，藻样的铜绿微囊藻优势度在98%以上。经晒干、粉碎后加入5%的乙酸4 L，用搅拌器搅拌抽提3 h。 提取液在6 900 r/min下离心20 min取上清；沉渣再用5%乙酸重复抽提2次，合并上清液，过C18柱分离纯化。纯化的洗脱液干燥后得到微囊藻毒素粗提物。毒素粗提物用10%乙腈（0.1%TFA）溶解后，用Gilson制备型HPLC，采用乙腈流动相、梯度淋洗技术进行纯化。收集毒素出峰中段，旋转蒸发器蒸干后再次加10%乙腈（0.1%TFA）溶解，反复制备2次，即纯化得到MC-RR和MC-LR的纯品。经分析型HPLC检测，MC-RR和MC-LR纯度均大于95%。用超纯水溶液将毒素稀释，分别配成MC-RR含量190 μg/mL、MC-LR含量34.5 μg/mL的水溶液。

1.2 试验方法

1.2.1    UV-B辐射试验。

UV-B光源为功率15 W的Cole-Parmer型紫外灯（波长312 nm）。取10个容量约4 mL的石英比色皿，分为对照组和处理组。每组石英比色皿中分别依次加入叶绿素水溶液、叶绿素+MC-RR水溶液、叶绿素+MC-LR水溶液、MC-RR水溶液、MC-LR水溶液。叶绿素和微囊藻毒素水溶液的比例为1 ∶1。

对照组在完全避光黑暗的环境下存放（室温25 ℃），以避免可见光对叶绿素的降解效应。处理组另采用辐射强度为2.0 mW/cm2的UV-B从石英比色皿的一侧水平方向照射（其他条件与对照组相同，完全避光）。UV-B的辐射强度通过调节紫外灯与比色皿距离的方法实现。每隔1 h对所有培养皿中的溶液取样，每次取溶液1.0 mL，用于微囊藻毒素和叶绿素含量测定。

1.2.2    反应溶液的吸收光谱检测。

取一定体积的MC-LR和叶绿素相关试验的反应溶液，用紫外分光光度计（Pharmacia Biotech，Ultrospec 3000）在400～800 nm扫描，扫描间距1 nm，作出其吸收光谱，观察UV-B辐射和MC-LR存在与否条件下叶绿素特征峰的变化规律。

1.2.3    微囊藻毒素检测。

微囊藻毒素检测方法参照沈强等［15］的方法，采用岛津LC-20A型HPLC测定毒素浓度。微囊藻毒素标准样品MC-RR、MC-LR购自SIGMA公司。HPLC色谱条件：检测波长238 nm；检测器为紫外检测器；流动相为KH2PO4（pH 3.0） ∶ CH3OH=40 ∶ 60（v/v）；流速 1 mL/min；炉温 40 ℃；色谱柱为岛津ODS色谱柱（4.6 mm ×150 mm）。

1.2.4    叶绿素含量测定。

采用Parsons等［16］的方法测定叶绿素含量。取1 mL反应溶液加入4 mL丙酮，配成80%丙酮溶液，在分光光度仪（Pharmacia Biotech，Ultrospec 3000）上测定 663、646、470 nm下吸光度（以80％丙酮为空白）。