天然淡水群落中微藻与蓝细菌经UV-C及过氧化氢处理下的差异性灭活

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Differential inactivation of microalgae and cyanobacteria by UV-C and hydrogen peroxide treatments in natural freshwater communities

　　

水生生态系统为人类提供多种用途的水源并作为休闲活动场所，但其浮游植物群落可能引发经济与健康问题，尤其在有害藻华与蓝细菌藻华期间，潜在产毒蓝细菌尤为令人担忧。本研究旨在评估以传统汞灯（254 nm）或新兴UV-LED（275 nm）实施的UV辐照，以及单独或联合使用H2O2对采自厄瓜多尔Guabizhun池塘自然水体中微藻与蓝细菌生长的灭活效能。研究人员考察了浮游植物灭活涉及的若干事实：活体生物浓度变化、再生长与健康监测，以及处理后浮游植物群落的变化。结果表明，UV效应在辐照后第4天达最大，随后因再生长而下降，并在中期增强了蓝细菌相对于真核微藻的优势度。5与10 mg H2O2 L-1有效抑制蓝细菌生长，并显著促进真核微藻的生长、健康与多样性。联合H2O2/UV处理（10 mg H2O2 L-1）获得与单独H2O2等效的灭活效果；然而在联合工艺中，275 nm辐照限制了真核微藻的再生长，同时保持对蓝细菌的灭活效应。总体而言，275 nm表现出优于254 nm的剂量-效应性能。

研究背景与立项依据：自然与人工淡水水体是饮用水、工业、航运与休闲活动的重要水源，浮游植物丰度与多样性波动可诱发有害藻华（HABs）与蓝细菌藻华（cyanoHABs），后者可产微囊藻毒素等健康风险物质。物理化学控藻方法中，UV-C（100–280 nm）通过损伤DNA抑制繁殖且消毒副产物少，但缺乏残留活性且生物具备光修复与暗修复机制，导致处理后存活者再生长、敏感种被消减而耐药种（如产毒蓝细菌）相对富集。H₂O₂对微藻与蓝细菌具有差异毒性，UV光解H₂O₂还可形成羟基自由基高级氧化工艺（AOP）。既有研究多基于单种或人工组合，自然群落中期的群落结构演替与联合工艺评价尚不充分。研究人员以厄瓜多尔Ca?ar省Déleg县Guabizhun旅游休闲池塘为对象，比较254 nm低压汞灯与275 nm UV-LED单独及联合H₂O₂对自然浮游植物群落的灭活与演替规律，成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

主要关键技术方法：研究采集该池塘表层水混合样，经f/2培养基富集预培养后分三组实验——不同剂量UV（50–200 mJ cm^-2，254 nm与275 nm）、H₂O₂（1–10 mg L^-1）单独处理、10 mg H₂O₂ L^-1联合UV（0–200 mJ cm^-2）。以最可能数（MPN）法测活体浓度，荧光法（激发455 nm与630 nm）分别示踪真核微藻叶绿素与蓝细菌藻胆素生物量，计算生长抑制率（GI）与光合量子产率抑制率（QYI），FlowCAM成像辅助群落定性，MicroCystest试剂盒测MC-LR当量；剂量-存活曲线按对数线性模型求D₁、D₂，GI按sigmoid模型求ED50/EC50，ANCOVA检验波长、时间与剂量效应。

研究结果：

3.1 UV处理效应：MPN显示275 nm灭活斜率显著高于254 nm，28 d培养下D₂分别为148.1±4.1与230.3±28.9 mJ cm^-2；ANCOVA表明剂量效应极显著（p<0.001），孵化长度无显著影响（p=0.853），275 nm优于254 nm（p<0.001）。荧光监测表明UV最大抑制出现在照后第4天，随后真核微藻与蓝细菌均再生长，但蓝细菌在中程相对占比上升。

3.2 H₂O₂单独处理：5与10 mg L^-1显著抑制蓝细菌（F₆₃₀信号），同时促进真核微藻（F₄₅₅信号）生长、光合健康与多样性；低浓度1–2 mg L^-1效应较弱。MPN不支持对数线性灭活建模，提示其作用于代谢与群落竞争而非单纯存活曲线平移。

3.3 联合H₂O₂/UV处理：10 mg H₂O₂ L^-1联合UV达到与单独H₂O₂等效的总体灭活；275 nm联合组在维持蓝细菌抑制的同时限制真核微藻再生长，254 nm联合组真核微藻反弹更明显。QYI显示275 nm对光合机构损伤在中期恢复更慢。

群落演替：FlowCAM显示对照组与UV单独处理组中期蓝细菌（如丝状与群体型）优势度增加，H₂O₂组绿藻与硅藻多样性提升，联合275 nm组群落结构最接近“低蓝细菌+高真核微藻健康度”目标。微囊藻毒素MC-LR当量全程低于检测限。

讨论与结论翻译浓缩：研究人员指出，UV-C缺乏残留杀灭且修复机制致自然群落再生长，单纯UV会无意中选择性富集耐药蓝细菌；H₂O₂以5–10 mg L^-1即可定向压制蓝细菌并利好真核微藻，但单独使用无光化学持续压力。275 nm UV-LED相较254 nm汞灯在同等剂量下具更高灭活常数与更优剂量-效应曲线，且在H₂O₂联合体系中抑制真核微藻反弹、稳固蓝细菌控制。结论为：在旅游休闲淡水体中，275 nm UV-LED与10 mg L^-1 H₂O₂联合工艺可作为兼顾群落结构优化与蓝细菌风险削减的优选方案，275 nm整体表现优于传统254 nm。