書籍介紹
本計畫旨在發展監控有害藍綠菌及微生物之技術，藉由光學、化學、分子生物監測技術之發展，以及削減技術之開發，提出對於有害藍綠菌及微生物之監測、削減及管理之方法，以供水庫及水廠管理操作應用。研究中以微囊藻毒素及大腸菌為目標，並以國內五座代性水庫(石門、寶山、南化、仁義潭、及太湖)為主要探討對象，並以其他三座水庫(榮湖、紅山、新山)為次要研究，研究發展與應用這些技術之可行性。研究中已經初步完成藻類毒素、有害微生物及其削減技術文獻收集。包括毒素及有害微生物種類、國內外流佈、化學與分子生物分析方法、以及相關水庫與水廠削減方法。在快速監測方法建立與應用部分，包括光學、化學及分子生物分析技術開發或應用。其中，光學分析部分本研究已初步建立YSI Probe 現地即時偵測系統的應用方法以及其驗證。結果顯示，該水質儀適合於高藻數的水樣(> 20,000 cells/mL)，其誤差應可以低至10-30%左右。但是在超高濃度且有藻團粒情況下，可能會有低估現象。若是在低藻數情況下，藻數數值差異性甚大，且會隨著現場水質改變甚大，因此須經由現場水樣單點校正，再由其相對濃度反推回絕對藻的濃度。藻毒基因快速定量分析。本研究已完成微波破壞藻體萃取DNA，以及現場qPCR基因定量的條件測試，可以在現場採完水樣後，2小時內完成10個以上之樣品定量分析，確認水庫水中微囊藻毒基因的含量，藉由此可推估水庫藻類產生微囊藻毒之潛勢，提供預警之用。指標性細菌快速定量分析，已經完成qPCR分析水庫水樣的總大腸菌群的技術，其濃度與傳統分析結果接近。化學分析方法本計畫已成功建立與應用固相微萃取(SPME)配合氣相層析質譜儀(GC-MS)法，分析七座水庫及水廠主要臭味物質。毒素部分本研究已成功建立五種藻類毒素分析方法，並應用於南化、石門、寶山、及仁義潭水庫，以及金門太湖與榮湖原水(也為水庫湖水)及相關流程分析。離島水庫水中微囊藻毒濃度不可忽略，所幸清水濃度皆低於世衛組織建議值。水庫毒素來源削減部分，研究中已初步完成應用過氧化氫破壞魚腥藻、以及臭氧破壞為囊藻與魚腥藻之實驗。實驗結果顯示，過氧化氫劑量與光強度均為重要影響因子，光配合過氧化氫可以有效破壞魚腥藻，且可以氧化部分釋出之臭味物質，具有應用潛力。相對，臭氧則氧化速率非常快，在很低的劑量下，即可以快速破壞藻細胞，並進一步氧化部分代謝物。水廠削減技術，本研究已初步完成金門三水廠前氧化對於微囊藻破裂及臭味物質釋出之實驗。由於金門地區微囊藻數量較高，由金門地區原水氧化實驗可知在經過30分鐘氧化後可將水中全數的微囊藻去除活性，而細胞數的移除需靠後續的固液分離程序處理，而水中β-cyclocitral在氧化實驗中最高可達到約2000 ng/L，由氧化實驗可知次氯酸鈉以及二氧化氯並無法有效破壞β-cyclocitral臭味分子，仍須仰賴後續過程程序，因此此部分須考慮臭味物質貫穿之可能性。在水廠前氧化部分，由研究及文獻比對可以發現，次氯酸鈉對於微囊藻反應之細胞破裂及毒素之動力數值明顯對於藍綠菌破壞性極強，其細胞破裂速率常數(微囊藻70-1,100 M-1-S-1)遠較微囊藻毒素(10-96 M-1-S-1)破壞動力快。因此，若氯與藻接觸，則毒素將因細胞破裂快速釋出，但因為氯破壞毒素速率較慢，因此需有足夠之殘餘餘氯與毒素接觸，才能破壞溶解相之毒素。因此水廠在實際操作時，必須要注意有足夠餘氯才能破壞毒素。最後，本計畫並收集、解析國內水庫及水廠過去之水質資料，經整合國外案例後，並將本年度研究成果中快速監控技術、及削減技術納入考量，在藻類毒素及藍綠細菌之監測及應變方法上，提出修改及初步建議，可以供作水庫及水廠管理與操作人員應用。
目次
目錄
目錄I
表目錄IV
圖目錄VI
摘要1
第一章計畫背景3
1-1前言3
1-2工作項目5
第二章文獻回顧7
2-1淡水中藍綠菌毒素7
2-2世界淡水水體中藻類毒素之流佈11
2-3毒素對人體健康影響及水質標準12
2-4藻類毒素與臭味物質之分析方法17
2-4-1毒素化學分析17
2-4-2產毒藻類分子生物分析技術18
2-4-3臭味物質分析方法20
2-5水中微生物與疾病21
2-5-1致病微生物21
2-5-2指標微生物22
2-5-3微生物偵測23
2-5-4探測染劑的種類29
2-5-5大腸菌群的角色33
2-6藍綠菌代謝物之水處理35
2-6-1藻類毒素物質處理35
2-6-2藻類臭味物質處理37
2-7替代殺藻劑40
2-7-1高錳酸鉀41
2-7-2臭氧42
2-7-3過氧化氫44
2-8國內水體與水廠毒素現況46
2-8-1國內水庫藍綠菌及毒素發生潛勢評估46
2-8-2水廠清水藍綠菌及毒素潛勢評估51
2-9各主要水庫水力特性資料54
2-9-1金門太湖特性54
2-9-2嘉義仁義潭特性56
2-9-3新竹寶山特性56
2-9-4石門水庫特性58
2-9-5南化水庫特性58
第三章執行方法61
3-1國內外水源主要藻類毒素、有害微生物及其削減技術等相關之文獻61
3-2探討及分析國內主要水庫中主要藻類毒素與有害微生物特性62
3-3探討主要環境條件對藻類代謝物生成之影響62
3-4藻類毒素與有害微生物分析技術建立62
3-4-1光學分析技術63
3-4-2固相萃取技術（Solid Phase Extraction：SPE）68
3-4-3水中土霉味物質分析74
3-4-4分子生物技術77
3-5水源糞便污染指標菌群分析84
3-5-1傳統分析方法84
3-5-2分子生物方法--- PCR ( polymerase chain reaction )90
3-5-3分子生物方法---定量即時PCR ( quantitative real time PCR )91
3-6藍綠菌細胞完整性觀察91
3-6-1螢光顯微鏡(Epifluorescence Microscope，EFM)92
3-6-2流式細胞儀(Flow Cytometer, FCM)94
3-7臭味物質與毒素分析品保品管95
3-7-1臭味物質分析品保品管95
3-7-2毒素品保品管規範96
第四章結果與討論98
4-1現場水質即時偵測儀應用測試98
4-1-1環境水樣監測結果98
4-1-2利用環境水樣校正結果101
4-1-3垂直深度量測結果103
4-1-4嘉南大排量測結果108
4-2現地藻類產毒基因監測技術發展109
4-2-1PCR條件測試110
4-2-2現地DNA萃取技術118
4-2-3環境樣品測試124
4-2-4水庫藍綠菌分子生物資料建立127
4-3現地微生物監測技術134
4-3-1各傳統檢測方法比較134
4-3-2濾膜法分析水源糞便污染指標群數量的結果135
4-3-3研發快速分子生物方法分析水源糞便污染指標群136
4-3-4濾膜法與即時定量PCR方法與分析結果比較150
4-4水庫藻類毒素與有害微生物削減技術研發151
4-4-1 H2O2實驗結果152
4-4-2O3實驗結果154
4-5水庫毒素及臭味物質分布及淨水流程之削減調查161
4-5-1水庫水之毒素調查161
4-5-2次氯酸鈉與二氧化氯對微囊藻之作用162
4-5-3淨水流程對細胞及代謝物之削減171
4-5-4本島水庫及其淨水流程藻體及代謝物質調查分析179
4-5-5淨水流程毒素削減分析184
4-5-6綜合評析188
4-6環境因子之影響189
4-6-1太湖189
4-6-2其他水庫分析191
4-7我國水庫與水廠藍綠菌與毒素監測與應變初步建議196
4-7-1監測方法196
4-7-2水庫及水廠應變方法197
第五章結論與建議203
5-1結論203
5-2後續工作205
參考文獻207
附錄A
附件一現地水質偵測儀表格數據A
附件二期中報告審查會審查意見回覆表J
表目錄
表2- 1 藍綠菌毒素種類之來源及特性8
表2- 2 常見藻類毒素與其他水中毒性物質毒性及自來水管制值比較15
表2- 3 世界各國規範飲用水中藻類及代謝物標準與16
表2- 4 水中各類毒素採樣與分析方法18
表2- 5 三種濃縮方法綜合比較表21
表2- 6 糞便污染來源辨識方法23
表2- 7 不同培養基的培養條件25
表2- 8 PCR的優點與缺點27
表2- 9 氯與臭氧的消毒機制43
表2- 10 臭味物質與臭氧反應的二階反應速率常數44
表2- 11 水庫藍綠菌及毒素出現潛勢等級分級建議50
表2- 12 三類型水場對於微囊藻毒素之去除效率52
表2- 13 各主要水庫水力特性資料59
表3- 1 計畫快速監測技術發展現況與預計完成目標67
表3- 2 移動相混合之濃度梯度表72
表3- 3 質譜儀分析參數73
表3- 4 5種藻類毒素之最佳特徵M/Z值73
表3- 5 藻類毒素、擬似內標物與內標物之最佳特徵M/Z值73
表3- 6 7種藻類毒素利用內標準品分析之方法偵測極限(MDL)74
表3- 7 GC OVEN升溫條件76
表3- 8 螢光顯微鏡濾鏡組之波長區間與其所適用之螢光染劑92
表3- 9 臭味物質QA/QC結果195
表3- 10 臭味物質QA/QC結果295
表3- 11 QA/QC結果396
表3- 12 毒素標準品濃度查核分析結果96
表3- 13 毒素樣品添加分析結果97
表3- 14 樣品重覆分析結果97
表4- 1 顯微鏡鏡檢與現地水質分析儀藍綠菌濃度比較值-金門水庫102
表4- 2 顯微鏡鏡檢與現地水質分析儀藍綠菌濃度比較值-台灣地區水庫103
表4- 3 YSI PROBE於成功湖監測結果105
表4- 4 YSI PROBE 於寶山水庫進水口偵測值110
表4- 5 嘉南大排藍綠菌藻種分析111
表4- 6 PCR操作條件與反應液之配製114
表4- 7 MCYB GENE搭配SYBR GREEN於SMART CYCLER (SC)與LIGHT CYCLER(LC)檢量線製作之數據115
表4- 8 PCR操作條件與反應液配製內容117
表4- 9 PCR操作條件與反應液中不同濃度之MGCL2 添加118
表4- 10 PCR操作條件與反應液之配製119
表4- 11 比較不同的QPCR前處理法125
表4- 12 4種DNA萃取法之REAL-TIME PCR效率比較之數據126
表4- 13 樣品濃度梯度表128
表4- 14 MCYB GENE之QPCR實際運用於環境水樣測試129
表4- 15 直接取樣與浮游生物採集網取樣之鏡檢比較131
表4- 16 藻類資料庫實驗中PCR 反應配方133
表4- 17 藻類資料庫中PCR 條件設定133
表4- 18 DGGE結果解析136
表4- 19 各傳統檢測方法比較138
表4- 20 濾膜法計數水庫水源中總大腸桿菌群、糞便型大腸桿菌群、以及大腸桿菌的菌數分析結果140
表4- 21 LZL-389~LZR653為引子與不同樣品之檢量線比較151
表4-22 UAL-2~UAR173為引子與不同樣品之檢量線比較152
表4- 23 水庫水樣濃縮微波消化進行即時定量PCR153
表4- 24 水庫湖水之藻類毒素分析結果166
表4- 25 三座淨水廠原水氧化之變化169
表4- 26 原水加氯氧化臭味物質變化情形172
表4- 27 三座淨水廠流程去除藻體細胞之變化177
表4- 28 三座淨水廠臭味物質分析181
表4- 29 四座水庫藻體計數結果185
表4- 30 石門水庫及寶山水庫原水暨淨水流程臭味物質分析186
表4- 31 仁義潭水庫暨公園淨水流程臭味物質分析187
表4- 32 南化水庫暨淨水流程臭味物質分析187
表4- 33 98年7月南化水庫暨淨水流程臭味物質分析188
表4- 34 水廠流程之藻類毒素分析結果191
表4- 35 次氯酸鈉對微囊藻細胞及代謝物反應動力比較193
表4- 36 微囊藻毒素、2-MIB、GEOSMIN濃度及各項水質與氣象參數之逐步迴歸模式194
表4- 37 微囊藻毒素、2-MIB濃度及各項水質參數之逐步回歸模式196
表4- 38 鳳山水庫臭味物質2-MIB與環境參數之相關係數(R)199
圖目錄
圖2- 1 藻類毒素MICROCYSTINS之化學結構式9
圖2- 2 藻類毒素NODULARIN之化學結構式9
圖2- 3 ANATOXIN-A與ANATOXIN-A(S)之化學結構式10
圖2- 4 CYLINDROSPERMOPSIN之化學結構式10
圖2- 5微囊藻毒素分布圖12
圖2- 6 MICROCYSTIS SP.功能段基因之相對應胺基酸示意圖20
圖2- 7 聚合酶鏈鎖反應26
圖2- 8 CT 的決定28
圖2- 9 SYBR-GREEN與雙股DNA的結合29
圖2- 10 分子螢光標記示意圖30
圖2- 11 標記上FAM指示劑的引子1,2、TAQMAN探針(R)以及TAMRA 接受子染劑(Q)的DNA模板32
圖2- 12 SCORPION探針的機制33
圖2- 13 國內水庫微囊藻與毒素濃度之相關性47
圖2- 14 快速評估毒性藍綠菌對水廠之風險程度53
圖3- 1 本計畫執行流程61
圖3- 2 樣品注入細胞計數盤之方式64
圖3- 3 YSI PROBE多功能水質參數儀65
圖3- 4 YSI 650手提式顯示記錄器66
圖3- 5 固相萃取技術流程70
圖3- 6 固相微萃取(SPME)法裝置圖77
圖3- 7 REAL-TIME PCR利用SYBR GREEN染劑測試兩組設計之引子82
圖3- 8 REAL-TIME PCR利用TAQMAN PROBE #04 引子與探針之專一性測試83
圖3- 9 REAL-TIME PCR利用TAQMAN PROBE #04 引子與探針測試不同之藻株83
圖3- 10 REAL TIME PCR利用TAQMAN PROBE #04 引子與探針測試不同之藻株後電泳分析圖84
圖4- 1 顯微鏡鏡檢與現地水質分析儀藍綠菌數值之相關性-金門水庫99
圖4- 2 顯微鏡鏡檢與現地水質分析儀藍綠菌數值之相關性-仁義潭水庫100
圖4- 3 顯微鏡鏡檢與現地水質分析儀藍綠菌數值之相關性-寶山水庫101
圖4- 4 YSI PROBE 於太湖水庫偵測值104
圖4- 5 YSI PROBE 於南化水庫偵測值104
圖4- 6 YSI PROBE 於石門水庫偵測值105
圖4- 7 YSI PROBE 於仁義潭水庫取水口偵測值106
圖4- 8 YSI PROBE 於仁義潭水庫湖中央偵測值106
圖4- 9 YSI PROBE 於仁義潭水庫進水口偵測值107
圖4- 10 即時基因定量REAL-TIME PCR110
圖4- 11 SYBR GREEN 於SMART CYCLER II 儀器中之基因增殖曲線圖111
圖4- 12 MCYB GENE搭配SYBR GREEN之檢量線112
圖4- 13 TAQMAN PROBE之增殖曲線圖114
圖4- 14 TAQMAN PROBE 之PCR增殖曲線圖115
圖4- 15 TAQMAN PROBE 之PCR增殖曲線圖117
圖4- 16 經不同時間微波處理後，以SMART CYCLER測定之結果比較。119
圖4- 17 經不同時間磁珠震盪處理後，以SMART CYCLER測定之結果比較。120
圖4- 18 以不同稀釋倍率稀釋微波後DNA萃取液之CT值比較。121
圖4- 19 4種DNA萃取法之REAL-TIME PCR效率比較。123
圖4- 20 REAL-TIME PCR測試環境水樣中有無抑制物存在124
圖4- 21 四株純藻之PCR FOR DGGE MARKER131
圖4- 22 環境樣本PCR FOR DGGE131
圖4- 23 DGGE結果133
圖4- 24 引子測試138
圖4-25 LZL-389~LZR-653溫度梯度測試140
圖4- 26引子測試141
圖4- 27 LZL-389~LZR-653溫度梯度測試142
圖4- 28 引子測試143
圖4- 29 UAL-2~UAR-173溫度梯度測試144
圖4- 30 微波強度50P下，各時間之DNA複製效率145
圖4- 31 微波強度70P下，各時間之DNA複製效率145
圖4- 32 以LZL-389~LZR653為引子與以水庫水稀釋的樣本進行146
圖4- 33 以LZL-389~LZR653為引子與以水庫水稀釋的樣本進行147
圖4- 34 UAL-2~UAR173之引子與以水庫水稀釋的樣本進行QPCR的螢光成長曲線與CT值148
圖4- 35 UAL-2~UAR173為引子與以水庫水稀釋的樣本進行148
圖4- 36 過氧化氫H2O2於光照強度50PAR時對於ANABAENA之破壞153
圖4- 37 過氧化氫H2O2於光照強度250PAR時對於ANABAENA之破壞153
圖4- 38 過氧化氫H2O2於光照強度500PAR時對於ANABAENA之破壞154
圖4- 39 臭氧(0.25 MG/L)氧化魚腥藻，臭氧與細胞完整性下降情形155
圖4- 40 臭氧(1.0 MG/L)氧化魚腥藻，臭氧與細胞完整性下降情形155
圖4- 41 0.25 MG/L臭氧氧化魚腥藻，GEOSMIN濃度變化情形156
圖4- 42 臭氧(1.0 MG/L)氧化魚腥藻，GEOSMIN濃度變化情形157
圖4- 43 0.25 MG/L臭氧氧化微囊藻，臭氧與細胞完整性下降情形158
圖4- 44 0.5 MG/L臭氧氧化微囊藻，臭氧與細胞完整性下降情形158
圖4- 45 0.25 MG/L臭氧氧化微囊藻，Β-CYCLOCITRAL濃度變化情形160
圖4- 46 0.5 MG/L臭氧氧化微囊藻，Β-CYCLOCITRAL濃度變化情形160
圖4- 47 太湖 - 次氯酸鈉氧化微囊藻，自由餘氯下降情形166
圖4- 48 榮湖 - 次氯酸鈉氧化微囊藻，自由餘氯下降情形166
圖4- 49 紅山 - 二氧化氯氧化微囊藻167
圖4- 50 太湖 - 次氯酸鈉氧化微囊藻，Β-CYCLOCITRAL濃度變化情形170
圖4- 51 榮湖 - 次氯酸鈉氧化微囊藻，Β-CYCLOCITRAL濃度變化情形170
圖4- 52 紅山 - 二氧化氯氧化微囊藻，Β-CYCLOCITRAL濃度變化情形171
圖4- 53 太湖淨水流程藻體細胞變化174
圖4- 54 榮湖淨水流程藻體細胞變化174
圖4- 55 紅山淨水流程藻體細胞變化175
圖4- 56 太湖淨水流程臭味物質變化178
圖4- 57 榮湖淨水流程臭味物質變化178
圖4- 58 紅山淨水流程臭味物質變化179
圖4- 59 各淨水廠藻類毒素之分析結果186
圖4- 60 各淨水廠藻類毒素之去除率186
圖4- 61 鳳山水庫水中2-MIB濃度與庭均氣溫之相關性194
圖4- 62 水庫及水廠藍綠菌及毒素監測與應變架構建議201
圖4- 63 本計畫建議與過去架構之相異處對照圖202
分類
其他詳細資訊
- 適用對象：成人(學術性)
- 關鍵詞：藍綠菌，有害微生物，削減技術，快速監測，藻類臭味，藻類毒素，氧化實驗
- 附件：無附件
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授權資訊
- 著作財產權管理機關或擁有者：經濟部水利署
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