东北地理所在强化型人工湿地高效去除微囊藻毒素研究中取得进展
近年来，水体富营养化引起蓝藻水华的频繁爆发，蓝藻次生代谢产生的蓝藻毒素严重威胁水生生态系统的安全和公众健康。蓝藻毒素有肝毒素、神经毒素和细胞毒素3类，微囊藻毒素(Microcystins，MCs)是淡水中分布最广、毒性最强、危害最大的一种肝毒素，为一类具有生物活性的环状七肽类有机小分子化合物，自然环境中降解过程十分缓慢，我国生活饮用水标准中的限值仅为1μg/L。因此，探索微囊藻毒素污染水体的生态治理措施具有重要的现实意义。
前期研究证实，人工湿地能有效去除水体中的微囊藻毒素，但是当进水中微囊藻毒素浓度较高(>15 μg/L)时，人工湿地的去除效果并不理想(Cheng et al., 2021)。为此，东北地理所科研人员以微囊藻毒素变体中毒性最强的MC-LR为目标污染物，开展了人工湿地高效去除微囊藻毒素的探索性研究，研发了微生物燃料电池耦合人工湿地(MFC-CWs)、生物炭基质人工湿地(BC-CWs)两种强化措施，模拟研究了两种强化型人工湿地的净化效果，探讨了去除机理，优化了强化型人工湿地的运行方式与基质的配比。
研究结果表明：(1)MFC-CWs在48 h之内便可实现对水中N、P和MC-LR的高效去除，且闭路运行(T1)的MFC-CWs在N、P和MC-LR的去除性能方面要显著(p < 0.05)优于开路运行(CK)系统，主要是因为MFC-CWs中存在较多的微囊藻毒素降解菌(如：鞘脂单胞菌科(Sphingomonadaceae)、伯克氏菌科(Burkholderiaceae)、微球菌科(Micrococcaceae)和黄单胞菌目(Xanthomonadales))，系统内电子转移速率和微囊藻毒素降解菌相对丰度的提高是MFC-CWs能够高效净化高浓度MC-LR(?15 μg/L)的关键;进一步通过海绵铁对MFC-CWs的阳极区进行强化(T2)，MC-LR的净化效率并未得到提升(图1)。(2)BC-CWs对N、P和MC-LR的去除效率显著(p < 0.05)提升，而胞外聚合物的含量显著(p < 0.05)降低(图2B)，从而降低了系统堵塞的风险;生物炭基质吸附性能的提高和功能微生物相对丰度的增加是BC-CWs去除效率提高的主要原因。综合去除效率和经济成本，建议实际应用中生物炭的最佳体积投加比为20%。
图1 MFC-CWs对MC-LR的去除效果（A）、系统产电性能（B）与微生物群落结构（C）
图2 BC-CWs的去除效果（A）、胞外聚合物含量（B）与微生物群落结构（C）
本研究为微囊藻毒素污染水体的生态治理提供了技术支撑，同时也为人工湿地技术的应用拓展提供了科学依据。相关成果发表在国际期刊Journal of Environment Management和Chemosphere硕士研究生程锐为第一作者，祝惠研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目（No.U21A2037）、中科院先导专项子课题（XDA28040102）、中科院创新交叉团队项目（No.JCTD-2020-14）和中科院青促会项目（No.2017274）的共同资助。
论文信息如下：
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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