馮 璁，林 莉，李青云

(長(zhǎng)江科學(xué)院a.流域水環(huán)境研究所;b.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

湖泊作為地球表層系統(tǒng)的重要地理單元，是水、土、氣各自然要素和人類(lèi)活動(dòng)相互作用的交匯區(qū)，具有很高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值［1］。然而近年來(lái)，工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人口增長(zhǎng)的壓力使自然湖泊生源要素的循環(huán)規(guī)律遭到了極大的改變，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能退化，水華頻繁爆發(fā)，水質(zhì)性缺水日趨嚴(yán)重［2］。保護(hù)湖泊、治理水華藻類(lèi)已經(jīng)成為全球關(guān)注的重點(diǎn)。

電化學(xué)法能夠通過(guò)電解產(chǎn)生活性物質(zhì)達(dá)到持續(xù)抑藻的效果［3］，并且對(duì)水體中的其它組分和水生生物影響不大，不會(huì)造成二次污染［4－5］，是一種清潔高效的藻類(lèi)治理手段。筆者在試驗(yàn)中采用耐腐蝕并有利于析氯［6－7］的釕鈦電極做陽(yáng)極對(duì)銅綠微囊藻進(jìn)行電解，發(fā)現(xiàn)微電流電解對(duì)銅綠微囊藻具有良好的殺滅和持續(xù)抑制效果［8］。研究發(fā)現(xiàn)，電解主要是通過(guò)電極的直接氧化作用［9－10］和電解產(chǎn)生活性物質(zhì)的間接氧化作用［11］來(lái)殺滅藻細(xì)胞的。然而，目前電解除藻機(jī)理方面的研究還不夠深入，電解產(chǎn)生活性物質(zhì)的產(chǎn)量及其滅藻效能研究不足，導(dǎo)致微電流電解治理藻類(lèi)的實(shí)際應(yīng)用受到阻礙。

微電流電解產(chǎn)生的活性物質(zhì)主要包括活性氧(過(guò)氧化物、含氧自由基)、活性氯［12］(氯氣、次氯酸、次氯酸根)。其中活性氧的來(lái)源復(fù)雜、存在時(shí)間短且難以測(cè)定，不宜通過(guò)改變?cè)囼?yàn)條件來(lái)控制其生成量［10，13］;而活性氯的存在時(shí)間較長(zhǎng)并且與 Cl－濃度和電流密度的大小有著極為密切的關(guān)系［14－16］，電解產(chǎn)量相對(duì)來(lái)說(shuō)較好控制。

本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上，以電解產(chǎn)生的活性氯為主要研究對(duì)象，探究Cl－濃度及電流密度對(duì)微電流電解抑制銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響，為深入研究微電流電解的持續(xù)抑藻機(jī)理提供基礎(chǔ)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為體積100 mL的燒杯，采用板狀電極，以釕鈦和不銹鋼分別作為陽(yáng)極和陰極材料，電極有效工作尺寸為2.5 cm×5.5 cm，極板間距4 cm。所采用的極水比(即陽(yáng)極工作面積與藻液體積之比)約為0.14。電解過(guò)程中采用磁力攪拌器對(duì)藻液進(jìn)行勻速攪拌;采用直流穩(wěn)壓電源(30V/5A)供電;通過(guò)調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源使電化學(xué)反應(yīng)在一定電流密度下進(jìn)行;室溫控制在25℃左右;試驗(yàn)所用的玻璃容器使用前均經(jīng)過(guò)高壓滅菌處理。所有試驗(yàn)重復(fù)3次。

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所，編號(hào)為FACHB－905。藻液采用BG－11培養(yǎng)基［17］，在光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)條件:25℃，光照強(qiáng)度2 000 lx，光暗比14 h∶10 h。將銅綠微囊藻培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期后開(kāi)始試驗(yàn)。BG－11培養(yǎng)基的成分見(jiàn)表1。

表1 BG－11培養(yǎng)基配方Table 1 Ingredients of BG－11 medium

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 Cl－濃度對(duì)微電流電解抑藻的影響

對(duì)照組1:采用BG－11培養(yǎng)基(Cl－濃度為18 mg/L)配制藻細(xì)胞密度為5×105個(gè)/mL的銅綠微囊藻藻液。

對(duì)照組2:采用無(wú)氯培養(yǎng)基(使用等摩爾量的Ca(NO3)2·4H2O代替原BG－11培養(yǎng)基中的CaCl2·2H2O)配制藻細(xì)胞密度為5×105個(gè)/mL的銅綠微囊藻藻液。

電解組:配置 4 種不同 Cl－濃度(0，6，12，18 mg/L)的銅綠微囊藻藻液，藻液的初始細(xì)胞密度均為5×105個(gè)/mL。每種Cl－濃度的藻液各取100 mL于燒杯中進(jìn)行電解，電流密度為10 mA/cm2，電解時(shí)間為15 min，將電解后的藻樣依次標(biāo)記為Cl－-0 mg/L電解組、Cl－-6 mg/L電解組、Cl－-12 mg/L電解組、Cl－-18 mg/L 電解組。

2.3.2 電流密度對(duì)微電流電解抑藻的影響

對(duì)照組:取BG－11培養(yǎng)基(Cl－濃度18 mg/L)90 mL，直接加入10 mL細(xì)胞密度為5×106個(gè)/mL的銅綠微囊藻液配置得到藻細(xì)胞密度為5×105個(gè)/mL的藻樣。

10 mA/cm2電解組:取BG－11培養(yǎng)基(Cl－濃度為18 mg/L)90 mL進(jìn)行電解，電流密度10 mA/cm2，電解時(shí)間15 min，電解結(jié)束后迅速加入10 mL細(xì)胞密度為5×106個(gè)/mL的銅綠微囊藻液進(jìn)行混合。

20 mA/cm2電解組:取BG－11培養(yǎng)基(Cl－濃度為18 mg/L)90 mL進(jìn)行電解，電流密度20 mA/cm2，電解時(shí)間15 min，電解結(jié)束后迅速加入10 mL細(xì)胞密度為5×106個(gè)/mL的銅綠微囊藻液進(jìn)行混合。

2.4 取樣和分析方法

處理完畢后，將藻樣放置30 min使之恢復(fù)室溫再進(jìn)行取樣分析，以排除藻液受到溫度脅迫導(dǎo)致參數(shù)值發(fā)生變化的可能性，并讓電解產(chǎn)生的活性物質(zhì)與藻充分作用，將測(cè)定結(jié)果標(biāo)記為第0天的結(jié)果。再將電解組和對(duì)照組的藻液轉(zhuǎn)入已滅菌的100 mL三角瓶中，放入光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，分別對(duì)培養(yǎng)至第0，2，4，6，8 天的藻液進(jìn)行取樣，取樣后測(cè)定藻液的光密度值OD680和葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)(Fv/Fm，Y(Ⅱ)，Y(NO))。

對(duì)于活性銅綠微囊藻而言，光密度值OD680與細(xì)胞密度有良好的線(xiàn)性關(guān)系，可以間接表示水中藻細(xì)胞的生物量［8，18］。而葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)則是藻液光合作用的有效探針［19］:Fv/Fm反映了藻細(xì)胞潛在的最大光合能力;Y(Ⅱ)是光適應(yīng)下的光系統(tǒng)Ⅱ的實(shí)際量子產(chǎn)量，反映光系統(tǒng)Ⅱ線(xiàn)性電子傳遞效率;Y(NO)是光系統(tǒng)Ⅱ非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量，同時(shí)也是光損傷的重要指標(biāo)［20］。以上4個(gè)參數(shù)能比較完整地揭示藻細(xì)胞的生長(zhǎng)狀況和光合活性，在藻細(xì)胞遭遇外界脅迫而受到損傷時(shí)會(huì)劇烈變化:OD680的增長(zhǎng)速率受到限制;Fv/Fm與Y(Ⅱ)的值會(huì)迅速降低;Y(NO)則與前三者相反，它的升高表明藻類(lèi)受到了損傷。而當(dāng)藻細(xì)胞徹底死亡后，OD680的數(shù)值會(huì)逐漸下降;Fv/Fm與Y(Ⅱ)則會(huì)直接降至0;Y(NO)會(huì)升高至1。

藻樣的光密度值OD680采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(Lambda 25型)進(jìn)行測(cè)定，葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)采用Multi-Color-PAM多激發(fā)波長(zhǎng)調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x進(jìn)行測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

3.1 Cl－濃度對(duì)微電流電解抑藻效果的影響

本試驗(yàn)通過(guò)比較不同Cl－濃度下微電流電解抑藻效果的差異，考察活性氯對(duì)微電流電解抑藻的貢獻(xiàn)，分析Cl－濃度對(duì)微電流電解抑制銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響。不同Cl－濃度下電解抑藻的效果見(jiàn)圖1。

如圖1所示，對(duì)照組1和對(duì)照組2的葉綠素?zé)晒庵蹬cOD680在培養(yǎng)過(guò)程中變化趨勢(shì)一致，藻細(xì)胞均生長(zhǎng)良好，說(shuō)明在不電解的情況下藻液中Cl－濃度在0～18 mg/L范圍內(nèi)變化不會(huì)對(duì)銅綠微囊藻的生長(zhǎng)造成影響。

從圖1中可以看出:Cl－-18 mg/L電解組在第0天時(shí)，F(xiàn)v/Fm與Y(Ⅱ)較對(duì)照組1分別下降約42.8%和70.5%，Y(NO)升高約22.9%;從培養(yǎng)的第 2 天開(kāi)始，F(xiàn)v/Fm 與 Y(Ⅱ)均降低至 0，Y(NO)則升高至 1，OD680的數(shù)值也逐漸下降，表明Cl－-18 mg/L電解組的藻液的生長(zhǎng)受到完全抑制，藻細(xì)胞從第2天起徹底死亡。而 Cl－-0 mg/L 電解組的Fv/Fm，Y(Ⅱ)，Y(NO)僅在第0天(即電解剛結(jié)束)時(shí)與對(duì)照組1存在一定差距，但均在后期的培養(yǎng)中恢復(fù)至與對(duì)照組1基本相同，說(shuō)明Cl－-0mg/L電解組藻細(xì)胞所受損傷在培養(yǎng)中被修復(fù)，藻液的生長(zhǎng)未受太大影響。相關(guān)文獻(xiàn)［14－16］也顯示，當(dāng)溶液中存在Cl－時(shí)，電解水溶液會(huì)有活性氯產(chǎn)生，所以2組藻樣的主要差別在于Cl－-18 mg/L電解組有活性氯參與抑藻，而Cl－-0 mg/L電解組的抑藻過(guò)程則沒(méi)有活性氯的參與。由此得知:含氯藻液電解生成的活性氯具有持續(xù)抑藻的能力，Cl－-18 mg/L電解組中活性氯的間接氧化和直接氧化的綜合作用可以完全抑制藻細(xì)胞的生長(zhǎng);而除活性氯外的其它活性物質(zhì)(活性氧)以及直接氧化作用對(duì)抑藻的貢獻(xiàn)比較有限，單靠這些作用無(wú)法完全抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)?？梢?jiàn)，電解產(chǎn)生的活性氯對(duì)電解抑藻有著很大的貢獻(xiàn)［21－22］，在整個(gè)電化學(xué)氧化滅藻過(guò)程中都起著重要的作用。

由圖 1還可得知:Cl－-6 mg/L電解組與Cl－-0 mg/L電解組相比，第0天的各項(xiàng)參數(shù)與對(duì)照組1的差異更大，后期的恢復(fù)速率也稍慢，但總體變化趨勢(shì)相似，即說(shuō)明Cl－-6 mg/L電解組中的藻細(xì)胞比后者所受損傷更大，但此2電解組藻細(xì)胞所受損傷均能在培養(yǎng)中被修復(fù)，藻液的生長(zhǎng)都未受明顯影響;Cl－-12 mg/L電解組與 Cl－-18 mg/L電解組相比，電解剛結(jié)束后各項(xiàng)參數(shù)變化的劇烈程度稍弱，在后期培養(yǎng)中Fv/Fm與Y(Ⅱ)降至0和Y(NO)升高至1所需的時(shí)間也更長(zhǎng)，但總體趨勢(shì)相似，表明Cl－-12 mg/L電解組的藻細(xì)胞相對(duì)Cl－-18 mg/L電解組所受損傷稍小，但這2個(gè)電解組藻液的生長(zhǎng)都受到了完全的抑制。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［14－16］報(bào)道，適當(dāng)增加Cl－濃度有利于提高活性氯的電解產(chǎn)量，由此得知:在電流密度10 mA/cm2、電解時(shí)間15 min的條件下，Cl－濃度≤6 mg/L時(shí)生成的活性物質(zhì)與直接氧化的綜合作用尚不足以抑藻;但當(dāng)Cl－濃度≥12 mg/L時(shí)，活性物質(zhì)的間接氧化作用加上直接氧化作用即可實(shí)現(xiàn)對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的持續(xù)抑制。

此結(jié)果證明，當(dāng)電流密度為10 mA/cm2、電解時(shí)間為15 min，而藻液Cl－濃度在0～18 mg/L范圍內(nèi)升高時(shí)，電解抑藻效率也隨之提高。

圖1 不同Cl－濃度下電解抑藻的效果Fig.1 Electrolytic inhibition of algae at different concentration of Cl－

3.2 電流密度對(duì)微電流電解抑藻的影響

改變電流密度會(huì)影響直接氧化作用的大小，本試驗(yàn)采用將培養(yǎng)基電解后再立即與藻液混合的方法排除掉直接氧化作用的干擾，并在此基礎(chǔ)上考察了電流密度對(duì)微電流電解抑制銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響。不同電流密度下間接氧化抑藻的效果如圖2所示。

圖2 不同電流密度下間接氧化抑藻的效果Fig.2 Inhibition of algae by indirect oxidation at different current density

從圖2可以看出，20 mA/cm2電解組在第0天時(shí)，藻細(xì)胞的 Y(NO)較對(duì)照組升高了約17.7%，F(xiàn)v/Fm與 Y(Ⅱ)較對(duì)照組分別下降了約90.9%和66.8%，變化幅度較大;從培養(yǎng)的第2天開(kāi)始，藻細(xì)胞的Y(NO)就迅速升高至趨于1，而Fv/Fm與Y(Ⅱ)則降低至0，OD680的數(shù)值也呈逐漸下降的趨勢(shì)，表明20 mA/cm2電解組藻細(xì)胞的生長(zhǎng)受到完全的抑制，藻細(xì)胞從第2天起就徹底死亡，并且在后期培養(yǎng)中也沒(méi)有恢復(fù)活性。而10 mA/cm2電解組在第0天時(shí)，藻細(xì)胞的Fv/Fm較對(duì)照組下降了約8.4%，Y(Ⅱ)下降約11.2%，Y(NO)上升約14.3%，變化幅度并不大，并且均在后期的培養(yǎng)中恢復(fù)到與對(duì)照組相同的水平，OD680的變化趨勢(shì)也與對(duì)照組大致相同，在第8天時(shí)僅比對(duì)照組低了約2.5%，說(shuō)明間接氧化的確對(duì)10 mA/cm2電解組的藻細(xì)胞造成了損傷，但該損傷可在后期培養(yǎng)中被修復(fù)，藻液的生長(zhǎng)未受太大波及。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［14－15］，其他條件一定時(shí)，適當(dāng)增加電流密度有利于提高電解析氯量，從而增大溶液中活性氯的濃度。由此得知，當(dāng)電流密度為10 mA/cm2時(shí)，微電流電解生成活性物質(zhì)的間接氧化作用尚無(wú)法達(dá)到持續(xù)抑藻的目的，但當(dāng)電流密度增加到20 mA/cm2時(shí)，由于析氯量的提高以及活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化速率的加快，此時(shí)的間接氧化作用已能夠完全抑制銅綠微囊藻細(xì)胞的生長(zhǎng)。

上述結(jié)果證明:當(dāng)電解時(shí)間為15 min、藻液中初始Cl－濃度為18 mg/L時(shí)，在0～20 mA/cm2范圍內(nèi)提高電流密度，微電流電解抑藻效率也會(huì)隨之提高。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析電解前后銅綠微囊藻液的光密度與葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)變化，探究了Cl－濃度及電流密度對(duì)微電流電解抑制銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響，為深入研究微電流電解持續(xù)抑藻的機(jī)理提供基礎(chǔ)，主要結(jié)論如下。

(1)電解產(chǎn)生的活性氯對(duì)電解抑藻有很大的貢獻(xiàn):對(duì)初始細(xì)胞密度5×105個(gè)/mL、體積100 mL的銅綠微囊藻液而言，當(dāng)藻液初始Cl－濃度為18 mg/L時(shí)，電解后藻細(xì)胞生長(zhǎng)受到了完全的抑制;而對(duì)于無(wú)氯的藻液，電解后藻細(xì)胞生長(zhǎng)未受明顯影響。

(2)Cl－濃度對(duì)微電流電解抑藻有較大影響:當(dāng)電流密度為10 mA/cm2，電解時(shí)間為15 min，而Cl－濃度在0～18 mg/L范圍內(nèi)時(shí)，隨著Cl－濃度的增加微電流電解抑藻效率逐漸提高。并且當(dāng)Cl－濃度≥12 mg/L時(shí)，微電流電解即可完全持續(xù)的抑制藻細(xì)胞的生長(zhǎng)。

(3)電流密度對(duì)微電流電解抑藻有較大影響:當(dāng)電解時(shí)間為15 min、藻液中初始 Cl－濃度為18 mg/L，而電流密度在0～20 mA/cm2范圍內(nèi)時(shí)，隨著電流密度的增加電解抑藻效率提高。

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