无码年轻人,91无码精品一区

如何成功地檢測和緩解：藻華以及具有味道/氣味的化合物

麥奇克/Microtrac 2022-11-29 | 閱讀：1604

揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機化合物是通常是表層水域的味道和氣味(T&O)事件的代表性化學(xué)物質(zhì)類別。它們是藻類和藍藻在有害藻華(HABs)期間產(chǎn)生的代謝物;它們也可以由其他類型的細菌,、一些植物以及在有機物質(zhì)分解過程中產(chǎn)生的物質(zhì),。(Pepper et al. 2015),。

T&O問題不被認(rèn)為對人類健康有風(fēng)險，但它們有時可以作為青藻細菌數(shù)量足以產(chǎn)生毒素事件的指標(biāo),。在許多城市都會出現(xiàn)飲用水的審美質(zhì)量問題,，消費者往往錯誤地將T&O作為飲用水安全的衡量標(biāo)準(zhǔn)。T&O事件對供水系統(tǒng)來說可能是一個代價高昂的麻煩,。T&O化合物的分析檢測可能很困難,，因為它們的化學(xué)成分不同，需要不同的采樣技術(shù)和水源水管理,，以及方法的主觀性(Nollet & De Gelder 2014),。

T&O事件可以在幾小時內(nèi)為供水系統(tǒng)制造一場公關(guān)噩夢，因此對于經(jīng)常出現(xiàn)問題的系統(tǒng),，主動處理客戶投訴是非常重要的(Burlingame 1999),。適當(dāng)?shù)貙ν对V進行分類可以改善公用事業(yè)的反應(yīng)，系統(tǒng)地對投訴進行分組可以建立季節(jié)性水質(zhì)變化的記錄(Dietrich & Burlingame 2021年),。應(yīng)記錄客戶聯(lián)系信息,，以及有關(guān)投訴、問題持續(xù)時間,、發(fā)生地點和有助于投訴調(diào)查和確定的任何其他因素的信息(Dietrich, 2006),。積極解決T&O問題，減少投訴數(shù)量,，建立消費者的信心,。

HABs是某種程度生態(tài)系統(tǒng)不平衡的標(biāo)志，是藻類和藍藻利用環(huán)境的頑強能力的例證。水華通常發(fā)生在富有營養(yǎng)的系統(tǒng)中,，但它們很難預(yù)測，因為水華和非水華期間的環(huán)境條件可能相似。光照、溫度、溶解氧,、營養(yǎng)負(fù)荷等(Dodds & Whiles 2010),。目前還沒有針對特定類群產(chǎn)生的化合物的完整目錄,，因此很難將單個T&O化合物與單個類群聯(lián)系起來,。

Suffet等人(1995)根據(jù)T&O的味道,、氣味和化學(xué)結(jié)構(gòu)對許多常見的T&O化合物進行了識別和分類,，然后建立在標(biāo)準(zhǔn)方法(2017)中,。動態(tài)變量使水系統(tǒng)依賴單一分析來管理T&O問題變得不切實際和無效(Buerkens等人，2020年),。主動監(jiān)測可以節(jié)省時間和工作,，同時加快對受影響客戶的恢復(fù),，增強可信度和系統(tǒng)可靠性(Chowdhury 2021年)。

為了面對在地表水和飲用水中檢測和減少T&O化合物的復(fù)雜性所帶來的挑戰(zhàn)，德克薩斯州威奇托瀑布市柏樹環(huán)境實驗室(Wichita Falls Cypress City environment Laboratory)制定了一項監(jiān)測計劃,，該計劃融合了來自其微生物和分析實驗室的分析,，同時優(yōu)化了水系統(tǒng)現(xiàn)有的處理技術(shù)(Southard et al. 2016),。為此,，實驗室使用分析方法來確定何時需要改變治理方法，以及在T&O事件平息之前將測試重點放在哪里,。

監(jiān)控T&O問題

應(yīng)該在T&O事件期間進行底棲和浮游藍藻的監(jiān)測,，因為這兩類藍藻在生長和衰老過程中都會產(chǎn)生T&O化合物,。然而，T&O化合物的化學(xué)成分很復(fù)雜,，它們產(chǎn)生的問題可能是主觀的,，這使得其檢測困難，特別是在痕量水平(Burlingame & Doty 2018),。

水中檢測的閾值水平跨越幾個數(shù)量級,，取決于化合物的類型。T&O化合物被分為四種味覺類別和八種氣味類別(圖1),。該描述大致反映了化學(xué)成分,，這有助于解釋為什么某些處理方法對特定氣味組更有效(Mallevaille & Suffet 1987)。定量測量總是對分析物的合理估計,，但涉及到某種程度的不確定性,，因此必須使用最高純度的標(biāo)準(zhǔn)來確保定量精度(Taylor 1987)。

水系統(tǒng)中最普遍和問題的化合物類別是泥土/發(fā)霉/發(fā)霉類,，包括土臭素,、2-甲基異龍膽醇(MIB)、吡嗪和鹵代苯甲醚,。草/干草/稻草/木質(zhì)類包括酯類,、醇類和芳香的異胡蘿卜素類等半化學(xué)物質(zhì)。腥臭類由醛和胺組成,，它們是由具有高細胞多不飽和脂肪酸的分類植物產(chǎn)生的,。在正常條件下，藍藻很少產(chǎn)生沼澤/沼澤/化糞池/硫磺類化合物,，但它們是hab和其他有機物質(zhì)厭氧分解產(chǎn)生的主要成分,。

圖1

藥物/酚類氣味通常被描述為殺蟲劑、除草劑和消毒劑,。芳香/蔬菜/水果/花卉類化合物通常不是討厭的化合物,，但可能是消毒副產(chǎn)物(DBPs)。由臭氧氧化產(chǎn)生,?；瘜W(xué)/碳氫化合物類別還包括通常不在地表水中發(fā)現(xiàn)的化合物，但它們可能由于泄漏或污水的引入而存在,。與前一類一樣,，氯/漂白類包括通常不在地表水中發(fā)現(xiàn)的化合物。這一類由在地表水處理中用作消毒劑的成分組成,，如游離氯,、一氯胺和二氯胺。

多參數(shù)反演

多參數(shù)探測儀在現(xiàn)場用于遠程部署或離線采樣。探頭可定制,，可互換探頭,，允許檢測以下重要的HAB相關(guān)參數(shù)：

水溫：溫度可以與季節(jié)、空間,，時間的和藻華情況密切相關(guān),，并可以作為湖泊層理的早期指標(biāo)。

溶解氧（DO）：隨著藻華的生長,，光合活性增加,，DO可以迅速增加;隨之而來的是隨著生長階段的結(jié)束和藻華凋亡，DO會迅速消耗,。

pH值：隨著溶解氧水平的下降,，pH值的增加可以表明藻華生長；隨著藻華的生長,，增加的光合作用活動消耗溶解的二氧化碳比細胞呼吸產(chǎn)生的二氧化碳更快,。

葉綠素和藻藍蛋白濃度：基于熒光的色素檢測可以揭示濃度，從而估計藻類和藍藻的豐度,，因為葉綠素a在兩種生物中都存在,，但藻藍蛋白只在藍藻中存在。

DO和pH值的日變化與藻華或其他生物活動的程度有關(guān),。例如,，日周期中，光合作用與細胞呼吸的差異,，其中變化越大對應(yīng)的生物活性越強(Smith 2019),。

流式成像顯微鏡（FlowCam）

半自動，流動成像顯微鏡可以提供快速成像,，識別和枚舉藍藻和有害的藻類,。水系統(tǒng)很少需要或工作人員為處理決定的目的進行物種級別的識別,。屬級或官能團鑒定提供了處理樣品的實用方法。雖然沒有任何東西可以完全取代傳統(tǒng)的顯微鑒別方法,，但這是一個非常有效的工具,。樣品處理時間不到10分鐘，藍藻,、硅藻和藻類在色素激發(fā)的基礎(chǔ)上自動分類,。數(shù)字圖像與以逗號分隔的數(shù)值報告一起保存，包括生物的數(shù)量,、濃度和大小,，使技術(shù)人員能夠快速發(fā)現(xiàn)已知的問題生物。建立圖像識別參數(shù),，使儀器和軟件能夠自動對關(guān)注的微觀圖像進行排序和分類,，可能需要時間，但這個過程相對簡單,。所獲結(jié)果是可操作的數(shù)據(jù),，由可重復(fù)的、可擴展的和用戶友好的方法支持,，這有助于面臨人員流動或有限顯微鏡和分類技能集的公用事業(yè)公司,。

分子檢測

聲波探測儀可以追蹤分析物的濃度水平,，流動成像顯微鏡可以確定細胞數(shù)量,，而基于分子的分析可以測量樣本中生物的遺傳信息,?；诜肿拥募夹g(shù)可以測量所有藍藻中的16S rRNA基因，通過定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(qPCR)定量測量基因副本的數(shù)量,。細胞計數(shù)和基因拷貝數(shù)之間沒有確定的相關(guān)性,，但兩者的波動都表明了藻華的大小和生長范圍(McKindles et al. 2013)。測定法也可用于氰化毒素產(chǎn)生基因的測定,，并正在進行繪制t&o產(chǎn)生途徑的工作,。技術(shù)人員可以通過基因檢測在數(shù)小時內(nèi)確定是否存在青藻細菌,，并評估毒素或T&O問題的風(fēng)險。

可預(yù)見到的挑戰(zhàn)

HAB的預(yù)測包括整合來自各種來源的數(shù)據(jù),，以預(yù)測爆發(fā)的可能性,。該方法結(jié)合了前面所述分析的數(shù)據(jù)，并加入了五大湖預(yù)測中使用的更先進的技術(shù),，如衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)(圖2),。最有效的方法是采用多面方法，將長期產(chǎn)生的數(shù)據(jù)作為基線,，以了解個別水庫的“正?！鼻闆r。只有這樣才能做出相對準(zhǔn)確和精確的測定,。

處理技術(shù)

水系統(tǒng)必須從水源去除藻類及其代謝物,，同時滿足所有適用的規(guī)定。這可以在處理過程的早期通過對水庫進水口附近的水充氣,、交替進水口,、調(diào)整pH值以阻止對pH敏感的器官，以及使用硫酸銅等除藻劑來實現(xiàn),。大多數(shù)系統(tǒng)采用多重屏障方法,，將油藏管理策略與物理預(yù)處理,、物理去除、常規(guī)處理,、生物處理,、氧化和/或吸附相結(jié)合(Waer 2006)。

氧化

化學(xué)氧化被用來破壞藻類及其代謝物,。高錳酸鉀(KMnO₄)通常在處理過程的早期使用,，以最大限度地延長接觸時間。KMnO₄與許多其他氧化劑不同,，它產(chǎn)生的DBP很少,，甚至不產(chǎn)生dbp，它還有助于使藻類細胞恢復(fù),，并在與消毒劑接觸之前將它們清除，防止細胞裂解和細胞內(nèi)化合物釋放到水中,。然而,，它在去除土臭素和MIB方面不如其他氧化劑有效。應(yīng)該注意使用正確的劑量,，因為高濃度會導(dǎo)致成品自來水出現(xiàn)粉色/紅色的變色情況,。

二氧化氯(ClO₂)是一種預(yù)氧化劑，比KMnO₄更有效地去除土臭素和MIB,，但它有更多的管理要求,，因為它通常是現(xiàn)場產(chǎn)生的，必須密切監(jiān)測DBP亞氯酸鹽以確保符合法規(guī),。

氯(Cl₂)在氧化T&O化合物方面的效果最低,，在高劑量時鹵化DBPs的形成是一個值得關(guān)注的問題。臭氧(O₃)在氧化T&O化合物方面非常有效,，但系統(tǒng)建設(shè)和管理成本很高,，臭氧產(chǎn)生的dbps(包括溴酸鹽、醛和酮)可能存在問題,。

氧化過程(AOP)將O3與紫外線(UV)光或過氧化氫(H₂O₂)或UV與H₂O₂結(jié)合,。這些設(shè)備的建造和操作可能很昂貴，但它們可以有效地消除T&O化合物,，并且在消毒前結(jié)合生物過濾可以降低DBP的形成潛力,。

圖2

生物過濾

有些水系統(tǒng)會利用水源水的微生物。每個水源都有一個獨特的群落,，可以在現(xiàn)有的植物過濾器中“培養(yǎng)”,，使它們在通過介質(zhì)時降解有機化合物。預(yù)氧化的組合,，如AOP和生物過濾,，是減少T&O化合物的有效方法,。生物活性炭過濾器可將生物去除與吸附相結(jié)合。

吸附

吸附是一種高效的處理方法,，通常采用粉末活性炭(PAC)或顆?；钚蕴?GAC)。在處理過程的早期添加PAC,，使有機化合物有時間吸附到碳顆粒上,，并在凝固過程中變重時沉淀下來。PAC也常與KMnO₄一起使用,。PAC用量可根據(jù)T&O濃度的波動進行調(diào)整,。

GAC通常用于代替砂和/或無煙煤過濾介質(zhì)。GAC的有效性隨著時間的推移而降低,，因為活性位點被吸附的有機物質(zhì)所充滿,，因此媒介最終必須被替換或再生。當(dāng)水源水有機物含量較高時,，GAC有效性可迅速降低,。

早期預(yù)警與預(yù)防

德克薩斯州威奇托瀑布市有一個地表水系統(tǒng)，對五個水源享有法定權(quán)利,，其中四個主要用于治理:箭頭湖,、Kickapoo湖和坎普湖/湖泊分流系統(tǒng)。該系統(tǒng)有兩個水處理設(shè)施——cypress水處理設(shè)施,，有一個先進的和三個常規(guī)處理廠,，Jasper水處理設(shè)施，有兩個常規(guī)處理廠,，包括一個水分配系統(tǒng)(圖3),。該水系統(tǒng)在2016年2月和8月經(jīng)歷了兩次極端的T&O事件。2016年8月,，在兩周的時間內(nèi)收到了數(shù)百個客戶投訴,。為了緩解這一問題，威奇托福爾斯市的Cypress環(huán)境實驗室設(shè)計并實施了一項綜合監(jiān)測計劃,，使用探測儀,、傳統(tǒng)氣味閾值(TON)和改進的氣味剖面分析(FPA)、單四極GC-MS/ECD系統(tǒng),、流成像顯微鏡和qPCR (Adams等人,，2018年)。對現(xiàn)有的水系統(tǒng)氧化和吸附過程進行了評估和優(yōu)化,。自該計劃實施以來,，該市沒有收到任何額外的與T&O相關(guān)的客戶投訴

圖3

在過去5年里，共檢測到13次源區(qū)T&O事件,，歷時19個月,。其中11個事件被縮小到一個特定的藍藻分類單元,。就持續(xù)時間和濃度而言，最大的事件發(fā)生在2020年2月至5月,，當(dāng)時一股水藻爆發(fā)達到了> 1500鏈/毫升,，土臭味素水平超過了15,000納克/升(圖4)。最近的一次爆發(fā)發(fā)生在2020年7月,，實驗室得以測試其監(jiān)測方案的各個方面,，以確定有效性(圖5)。在向公眾分發(fā)水之前,，每一股水藻爆發(fā)都得到了檢測和緩解,。

應(yīng)對措施和工具的有效性

源湖、蓄水池和兩個水處理廠都按季節(jié)進行監(jiān)測,。較溫暖的夏季每周約有3至5天,，而較寒冷的冬季每周只有1天。當(dāng)檢測到T&O事件時,，必須系統(tǒng)地收集高質(zhì)量數(shù)據(jù),，以指導(dǎo)緩解。市政府的計劃是有效的,，因為有了更頻繁的監(jiān)測,，實驗室能夠在小問題變成大問題之前發(fā)現(xiàn)并解決它們,。

當(dāng)檢測到藻類事件時,，會通知公用事業(yè)主管，并增加測試頻率,。如果情況惡化,，電力公司可以將水源轉(zhuǎn)移到?jīng)]有水華的湖泊。如果在多個湖泊中發(fā)生藻華,，則在工廠增加處理,，包括ClO₂作為原水的主要消毒劑，KMnO₄在植物瀉湖和澄清池中,，以及PAC在澄清池混合區(qū),，在處理過程中吸附和沉淀T&O化合物。在此期間,，實驗室增加對植物或源容器的檢測和化學(xué)添加,，直到花潮消退。

在藻華的初期階段進行處理是至關(guān)重要的,，因為大規(guī)模的藻華很難處理,，而且藻類細胞中的任何化合物，如毒素和T&O,，都可能大量釋放出來,。斑點處理在很多情況下都有效,，但只對達到一定大小或細胞數(shù)量的花苞有效。過度處理,，比如,，殺死所有的藻類和藍藻細胞就會創(chuàng)造了一個不平衡的生態(tài)系統(tǒng)，更容易受到大規(guī)模藍藻爆發(fā),。納巴藻和微囊藻是兩種遍布全球的氰基細菌,，它們可以在短短幾天內(nèi)控制整個水體。目標(biāo)是通過主動監(jiān)測在源頭實現(xiàn)控制,。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),，公用事業(yè)公司必須了解當(dāng)?shù)睾春退畮斓暮樱约斑B接其儲存和運輸系統(tǒng)組成部分的基礎(chǔ)設(shè)施(Taylor et al. 2006),。

圖4

多參數(shù)探測儀用于監(jiān)測溫度,、溶解氧、pH值,、葉綠素a和藻藍色素,。每個月都要對每一英尺深度的湖泊進水口進行剖面測量，以確定是否發(fā)生了儲層分層,。色素濃度也可以用來確定藍藻和藻類細胞數(shù)量更高的可能性,。

樣品制備完成后，按照方法2150B(標(biāo)準(zhǔn)方法2017)進行傳統(tǒng)的TON測試,，以確定T&O事件的大小,，而根據(jù)方法2170(標(biāo)準(zhǔn)方法2017)進行修改的FPA，使用嗅覺檢測而不是味覺來確定存在的氣味類型,。就像沒有一種分析方法可以檢測出水中所有的化學(xué)污染物一樣,，沒有一種感官方法可以提供T&O問題的所有答案(Dietrich et al. 2003)。TON和FPA結(jié)果使技術(shù)人員能夠彌補這一差距,，并選擇使用GC-MS /ECD方法來確定T&O化合物濃度,。

一個半自動化的流動成像顯微鏡(FlowCam)被用來識別和枚舉藻類和藍藻細菌，并將它們分類為T&O生產(chǎn)者和過濾器堵塞者,。知道哪些類群存在有助于阻止是否有可能發(fā)生T&O或氰化物毒素事件,。化學(xué)分析可以表明T&O或氰化毒素化合物是否已經(jīng)存在于水柱中,，而對生物體的鑒定表明,，即使化合物未被檢測到，加強監(jiān)測是謹(jǐn)慎的做法,。

藍藻爆發(fā)的存在并不意味著生物體是有毒的或產(chǎn)生T&O化合物,。然而，沒有毒素或T&O化合物并不意味著問題不緊急(Westrick & Szlag 2018)。T&O化合物可以通過使用Adam和其同事(2020)描述的GC-MS方法所選擇的離子監(jiān)測(稱為SIM)進行檢測和定量,。

由于該地區(qū)許多最成問題的藍藻都能產(chǎn)生氰化物毒素,，因此qPCR(使用CyanoDTec)被用于確定藍藻和產(chǎn)生氰化物毒素的基因的存在和豐度。qPCR陽性檢測后由第三方實驗室用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法進行分析確認(rèn),，這些數(shù)據(jù)與qPCR結(jié)果直接相關(guān),。

持續(xù)監(jiān)測

Cypress環(huán)境實驗室繼續(xù)監(jiān)測水源水樣的T&O化合物，以確保自來水保持無問題,。在過去的幾十年里,，人們對T&O化合物進行了重要的研究，但仍存在許多問題,。感官質(zhì)量和T&O的感知仍然是消費者飲用自來水的最大障礙,。通過整合生物和化學(xué)方法，Cypress環(huán)境實驗室已經(jīng)能夠主動監(jiān)測藻類和藍藻細菌以及它們產(chǎn)生的T&O化合物和藍藻毒素,。在經(jīng)歷了60多年的完全開放后,，威奇托福爾斯市使用這種方法在能夠T&O問題到來之前完全解決了它們。

相關(guān)產(chǎn)品