闽南师范大学黄旭光团队ET&I：用无机和有机化合物改性粘土模拟生物法持续防制铜绿微囊藻

本文模拟生物防治技术的“絮凝-裂解-降解-营养调节”模型，对斜沸石(CPL)进行改性，研制出改性粘土(ECRE-CS-PFS-CPL)。引入醛基—CHO和酰胺基—CO-NH—，增强了孔洞结构。当浓度为0.2 g/L时，ECRE-CS-PFS-CPL在30 min内的去除率为98.02%。它在自然水中呈现正电荷，加速了铜绿微囊藻细胞的絮凝。包被的CS与藻细胞结合后，通过扫网和桥接形成了大而致密的絮凝体，是对照组的58.28倍。且负载的ECRE通过化感作用抑制藻类细胞。抑制作用激活了铜绿微囊藻的抗氧化系统，过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性显著升高。光合色素(Chl-a)、光合效率(Fv/Fm)和最大相对光合电子传递率(ETRmax)显著降低，表明光合系统受到了损害。此外，在延长监测期间，Chl-a一直保持在较低水平，40天后的叶绿素a仅为对照组的4.98%。与对照相比，ECRE-CS-PFS-CPL有效降低微囊藻毒素81.48%，磷酸盐水平91.92%。因此，ECRE-CS-PFS-CPL为控制蓝藻华提供了一种高效、环保、安全和可持续的解决方案。

在合成PFS的基础上，采用PFS修饰的CPL，在其周围涂覆CS，最后加载ECRE从而制备目标产物。ECRE-CS-PFS-CPL在4500 rpm离心5分钟，在60℃下干燥。以铜绿假单胞菌的絮凝效果为指标，ECRE:CS: PFS:CPL的最佳投加比为1:10:40:200。后对目标产物进行表征。ECRE-CS-PFS-CPL的FTIR光谱(图1a)显示，与CPL相比，ECRE-CS-PFS-CPL在2925 cm^-1、2856 cm^-1、1714 cm^-1和1386 cm^-1处有四个不同的峰。2925 cm^-1和2856 cm^-1处的峰是由acial C-H拉伸振动引起的，与ECRE和CS中的亚甲基—CH₂—基团有关。在1714 cm⁻¹处观测到的峰值对应于CS和PFS中的C=O拉伸振动，而1386 cm⁻¹的峰值与ECRE和CS中的C-N拉伸振动有关。这些结果表明，ECRE-CS-PFS-CPL同时包含醛基—CHO和酰胺基—CO-NH—，这证实了ECRE、CS、PFS和CPL的接枝聚合成功。CPL及其修饰形式在形态上有明显的区别。CPL呈现出表面光滑、尺寸均匀的层状结构(图1b)。PFS-CPL呈片状花结构，气孔众多，表面粗糙(图1c)。这种变化可归因于合成过程中酸和热的影响。CS包封后，层状结构被破坏，CS-PFS-CPL呈现出富含颗粒的组成(图1d)。加入ECRE后，ECRE-CS-PFS-CPL结构更粗，孔隙结构增强，比表面积更大(图1e)。总的来说，这些观察结果验证了ECRE-CS-PFS-CPL的成功制定。

图1 ECRE-CS-PFS-CPL的表征:CPL (b)、PFS-CPL (c)、CS-PFS-CPL (d)、ECRE-CS-PFS-CPL (e)的FTIR光谱(a)和SEM

Fig. 1 Characterization of ECRE-CS-PFS-CPL: FTIR spectra (a) and SEM of CPL (b), PFS-CPL (c), CS-PFS-CPL (d), ECRE-CS-PFS-CPL (e)

将0.05 g CPL、PFS-CPL、CS-PFS-CPL和ECRE-CS-PFS-CPL分别加入装有250 mL藻培养物的锥形烧瓶中。以未经处理的藻类培养物为对照，分别于0 min、30 min、1 h、1.5 h、3 h和12 h在液面以下3 cm处取样，测定参数。所有测试一式三次。不同材料对铜绿微囊藻的去除效率有显著差异(图2)。12 h时，效率依次为:ECRE-CS-PFS-CPL (99.32%)> CS-PFS-CPL (92.46%)> PFS-CPL (85.14%)> CPL(0.12%)。在30 min内，ECRE-CS-PFS-CPL的去除率为98.02%。同时，随着ECRE-CS-PFS-CPL用量的增加，去除率明显上升，随后略有下降。以每250 mL培养物0.05 g的投加量去除效果最佳，并选择该投加量进行后续实验。zeta电位的变化表明铜绿微囊藻细胞的电荷在不同改性粘土的絮凝作用下，在3 h内表现出变化(图3)。暴露于ECRE-CS-PFS-CPL的细胞的zeta电位变为正值。这说明ECRE-CS-PFS-CPL在自然水体条件下携带正电荷，通过静电吸附增强了其对带负电荷的藻细胞的絮凝能力。铜绿微囊藻的抗氧化防御机制，当暴露于不同改性粘土时，通过分析酶SOD和CAT的活性，以及可溶性蛋白和MDA的水平来评估(图4)。结果表明，各种改性粘土，特别是ECRE-CS-PFS-CPL，激活了铜绿微囊藻的抗氧化防御系统。在3 h时，升高的可溶性蛋白水平可能有助于抗氧化酶的产生，减轻MDA的积累。然而，到了12 h，这种防御机制似乎已经崩溃了。多余的可溶性蛋白不再被有效利用，导致MDA积累增加，加剧了藻类细胞的应激。利用铜绿微囊藻细胞的Chl a含量、Fv/Fm和ETRmax来评估对光合系统的损害(图5)。结果表明，改性粘土的连续改性逐渐削弱了铜绿微囊藻的光合能力。

图2 不同材料的去除效率(a)和ECRE-CS-PFS-CPL的投加效应(b)

Fig. 2 Removal efficiency of different materials (a) and dosage effect of ECRE-CS-PFS-CPL (b)

图3 Zeta电位:暴露于不同物质后的铜绿微囊藻细胞

Fig. 3 Zeta potential: M. aeruginosa cells after exposure to different materials

图4 铜绿微囊藻对不同物质的抗氧化防御反应:SOD (a)和CAT (b)活性、可溶性蛋白(c)和MDA (d)含量

Fig. 4 Antioxidant defense response of M. aeruginosa to different materials: SOD (a) and CAT (b) activity, soluble protein (c) and MDA (d) content

图5 不同材料对铜绿微囊藻Chl a含量(a)、Fv/Fm (b)和ETRmax (c)的影响

Fig. 5 Impact of different materials on Chl a content (a), Fv/Fm (b) and ETRmax (c) of M. aeruginosa

用0.5 g CPL、PFS-CPL、CS-PFS-CPL和ECRE-CS-PFS-CPL处理装有2.5 L藻类培养物的锥形瓶(4 L)，以未处理的藻类培养基为对照。锥形烧瓶置于装有自来水的容器中，放置于有雨棚的露天场地(2023年5月25日至7月3日，平均气温28±6℃)。如果锥形烧瓶中的液体蒸发明显，沿烧瓶壁缓慢地加入去离子水到原来的体积。锥形烧瓶及其沉积物在整个过程中均未受到扰动。分别于液面以下3cm处0 min、30 min、1 d、2 d、10 d、20 d和40 d取样，测定藻细胞Chl a和颜色。所有试验平行三次。为阐明ECRE-CS-PFS-CPL对铜绿微囊藻的抑制机制，我们分析了藻絮体的变化(图6)。上述结果提示，ECRE-CS-PFS-CPL可增强絮凝过程，促进铜绿微囊藻细胞沉降。我们监测了40 d的Chl a、微囊藻毒素和营养物PO₄^3-(图7)，证明了改性粘土对铜绿微囊藻的长期抑制作用。

图6 不同材料的藻絮体的形成和生长(a)和未处理的铜绿微囊藻的倒置荧光显微镜。(b)，CPL (c)，ECRE-CS-PFS-CPL (d) 30分钟;400倍。

Fig. 6 Formation and growth of algal flocs with different materials (a) and inverted fluorescence microscope of M. aeruginosa with no treatment (b), CPL (c), ECRE-CS-PFS-CPL (d) at 30 min; multiple = ×400)

图7 40 d内海藻培养中Chl a (a)、PO₄^3- (b)和微囊藻毒素(c)浓度的变化

Fig. 7 Variation of Chl a (a), PO₄^3- (b) and microcystins (c) concentration in algal cultures within 40 d

采用PFS、CS和化感化学物质ECRE对CPL进行改性，制备了环保型MC材料ECRE-CS-PFS-CPL。该MC通过电荷中和、网扫和桥接等机制对铜绿微囊藻进行了快速有效的絮凝。此外，它通过吸附减少了藻类生长所必需的营养物质的可用性。该化合物不仅通过物理碰撞和化感作用破坏了藻类的抗氧化和光合系统，而且还减少了被困在絮凝体中的藻类的增殖，确保了持续的控制。这项研究为利用改性粘土作为对抗蓝藻的有效剂开辟了一条新途径。

近2年在Environ Technol Innov发表的其他论文：

1. Chen, X.-H., Chang, S.-H., Jiang, R., Tian, Y.-Q., Jia, L.-P., Liu, F.-J., Huang, X.-G., 2024. Significant alleviation of cadmium toxicity in Thalassiosira weissflogii through the combined effect of high silicon and zinc supplementation. Environmental Technology & Innovation 36, 103809.