氯離子濃度與電流密度對電解抑制銅綠微囊藻生長的影響

馮 璁，林 莉，李青云

(長江科學院a.流域水環(huán)境研究所;b.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學湖北省重點實驗室，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活動相互作用的交匯區(qū)，具有很高的生態(tài)系統(tǒng)服務價值［1］。然而近年來，工農業(yè)的發(fā)展和人口增長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)的結構和功能退化，水華頻繁爆發(fā)，水質性缺水日趨嚴重［2］。保護湖泊、治理水華藻類已經成為全球關注的重點。

電化學法能夠通過電解產生活性物質達到持續(xù)抑藻的效果［3］，并且對水體中的其它組分和水生生物影響不大，不會造成二次污染［4－5］，是一種清潔高效的藻類治理手段。筆者在試驗中采用耐腐蝕并有利于析氯［6－7］的釕鈦電極做陽極對銅綠微囊藻進行電解，發(fā)現微電流電解對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，電解主要是通過電極的直接氧化作用［9－10］和電解產生活性物質的間接氧化作用［11］來殺滅藻細胞的。然而，目前電解除藻機理方面的研究還不夠深入，電解產生活性物質的產量及其滅藻效能研究不足，導致微電流電解治理藻類的實際應用受到阻礙。

微電流電解產生的活性物質主要包括活性氧(過氧化物、含氧自由基)、活性氯［12］(氯氣、次氯酸、次氯酸根)。其中活性氧的來源復雜、存在時間短且難以測定，不宜通過改變試驗條件來控制其生成量［10，13］;而活性氯的存在時間較長并且與 Cl－濃度和電流密度的大小有著極為密切的關系［14－16］，電解產量相對來說較好控制。

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

2 材料與方法

2.1 試驗裝置

試驗裝置為體積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(即陽極工作面積與藻液體積之比)約為0.14。電解過程中采用磁力攪拌器對藻液進行勻速攪拌;采用直流穩(wěn)壓電源(30V/5A)供電;通過調節(jié)直流穩(wěn)壓電源使電化學反應在一定電流密度下進行;室溫控制在25℃左右;試驗所用的玻璃容器使用前均經過高壓滅菌處理。所有試驗重復3次。

2.2 試驗材料

試驗所用的銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)購自中國科學院水生生物研究所，編號為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℃，光照強度2 000 lx，光暗比14 h∶10 h。將銅綠微囊藻培養(yǎng)至對數生長期后開始試驗。BG－11培養(yǎng)基的成分見表1。

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

2.3 試驗方法

2.3.1 Cl－濃度對微電流電解抑藻的影響

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

對照組2:采用無氯培養(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)配制藻細胞密度為5×105個/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，藻液的初始細胞密度均為5×105個/mL。每種Cl－濃度的藻液各取100 mL于燒杯中進行電解，電流密度為10 mA/cm2，電解時間為15 min，將電解后的藻樣依次標記為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 電流密度對微電流電解抑藻的影響

對照組:取BG－11培養(yǎng)基(Cl－濃度18 mg/L)90 mL，直接加入10 mL細胞密度為5×106個/mL的銅綠微囊藻液配置得到藻細胞密度為5×105個/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進行電解，電流密度10 mA/cm2，電解時間15 min，電解結束后迅速加入10 mL細胞密度為5×106個/mL的銅綠微囊藻液進行混合。

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

2.4 取樣和分析方法

處理完畢后，將藻樣放置30 min使之恢復室溫再進行取樣分析，以排除藻液受到溫度脅迫導致參數值發(fā)生變化的可能性，并讓電解產生的活性物質與藻充分作用，將測定結果標記為第0天的結果。再將電解組和對照組的藻液轉入已滅菌的100 mL三角瓶中，放入光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，分別對培養(yǎng)至第0，2，4，6，8 天的藻液進行取樣，取樣后測定藻液的光密度值OD680和葉綠素熒光動力學參數(Fv/Fm，Y(Ⅱ)，Y(NO))。

對于活性銅綠微囊藻而言，光密度值OD680與細胞密度有良好的線性關系，可以間接表示水中藻細胞的生物量［8，18］。而葉綠素熒光動力學技術則是藻液光合作用的有效探針［19］:Fv/Fm反映了藻細胞潛在的最大光合能力;Y(Ⅱ)是光適應下的光系統(tǒng)Ⅱ的實際量子產量，反映光系統(tǒng)Ⅱ線性電子傳遞效率;Y(NO)是光系統(tǒng)Ⅱ非調節(jié)性能量耗散的量子產量，同時也是光損傷的重要指標［20］。以上4個參數能比較完整地揭示藻細胞的生長狀況和光合活性，在藻細胞遭遇外界脅迫而受到損傷時會劇烈變化:OD680的增長速率受到限制;Fv/Fm與Y(Ⅱ)的值會迅速降低;Y(NO)則與前三者相反，它的升高表明藻類受到了損傷。而當藻細胞徹底死亡后，OD680的數值會逐漸下降;Fv/Fm與Y(Ⅱ)則會直接降至0;Y(NO)會升高至1。

藻樣的光密度值OD680采用紫外可見分光光度計(Lambda 25型)進行測定，葉綠素熒光動力學參數采用Multi-Color-PAM多激發(fā)波長調制葉綠素熒光儀進行測定。

3 結果與討論

3.1 Cl－濃度對微電流電解抑藻效果的影響

本試驗通過比較不同Cl－濃度下微電流電解抑藻效果的差異，考察活性氯對微電流電解抑藻的貢獻，分析Cl－濃度對微電流電解抑制銅綠微囊藻生長的影響。不同Cl－濃度下電解抑藻的效果見圖1。

如圖1所示，對照組1和對照組2的葉綠素熒光值與OD680在培養(yǎng)過程中變化趨勢一致，藻細胞均生長良好，說明在不電解的情況下藻液中Cl－濃度在0～18 mg/L范圍內變化不會對銅綠微囊藻的生長造成影響。

從圖1中可以看出:Cl－-18 mg/L電解組在第0天時，Fv/Fm與Y(Ⅱ)較對照組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 天開始，Fv/Fm 與 Y(Ⅱ)均降低至 0，Y(NO)則升高至 1，OD680的數值也逐漸下降，表明Cl－-18 mg/L電解組的藻液的生長受到完全抑制，藻細胞從第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(即電解剛結束)時與對照組1存在一定差距，但均在后期的培養(yǎng)中恢復至與對照組1基本相同，說明Cl－-0mg/L電解組藻細胞所受損傷在培養(yǎng)中被修復，藻液的生長未受太大影響。相關文獻［14－16］也顯示，當溶液中存在Cl－時，電解水溶液會有活性氯產生，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電解組的抑藻過程則沒有活性氯的參與。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胞的生長;而除活性氯外的其它活性物質(活性氧)以及直接氧化作用對抑藻的貢獻比較有限，單靠這些作用無法完全抑制藻細胞生長?？梢姡娊猱a生的活性氯對電解抑藻有著很大的貢獻［21－22］，在整個電化學氧化滅藻過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天的各項參數與對照組1的差異更大，后期的恢復速率也稍慢，但總體變化趨勢相似，即說明Cl－-6 mg/L電解組中的藻細胞比后者所受損傷更大，但此2電解組藻細胞所受損傷均能在培養(yǎng)中被修復，藻液的生長都未受明顯影響;Cl－-12 mg/L電解組與 Cl－-18 mg/L電解組相比，電解剛結束后各項參數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所需的時間也更長，但總體趨勢相似，表明Cl－-12 mg/L電解組的藻細胞相對Cl－-18 mg/L電解組所受損傷稍小，但這2個電解組藻液的生長都受到了完全的抑制。據相關文獻［14－16］報道，適當增加Cl－濃度有利于提高活性氯的電解產量，由此得知:在電流密度10 mA/cm2、電解時間15 min的條件下，Cl－濃度≤6 mg/L時生成的活性物質與直接氧化的綜合作用尚不足以抑藻;但當Cl－濃度≥12 mg/L時，活性物質的間接氧化作用加上直接氧化作用即可實現對藻細胞生長的持續(xù)抑制。

此結果證明，當電流密度為10 mA/cm2、電解時間為15 min，而藻液Cl－濃度在0～18 mg/L范圍內升高時，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 電流密度對微電流電解抑藻的影響

改變電流密度會影響直接氧化作用的大小，本試驗采用將培養(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，并在此基礎上考察了電流密度對微電流電解抑制銅綠微囊藻生長的影響。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，藻細胞的 Y(NO)較對照組升高了約17.7%，Fv/Fm與 Y(Ⅱ)較對照組分別下降了約90.9%和66.8%，變化幅度較大;從培養(yǎng)的第2天開始，藻細胞的Y(NO)就迅速升高至趨于1，而Fv/Fm與Y(Ⅱ)則降低至0，OD680的數值也呈逐漸下降的趨勢，表明20 mA/cm2電解組藻細胞的生長受到完全的抑制，藻細胞從第2天起就徹底死亡，并且在后期培養(yǎng)中也沒有恢復活性。而10 mA/cm2電解組在第0天時，藻細胞的Fv/Fm較對照組下降了約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)中恢復到與對照組相同的水平，OD680的變化趨勢也與對照組大致相同，在第8天時僅比對照組低了約2.5%，說明間接氧化的確對10 mA/cm2電解組的藻細胞造成了損傷，但該損傷可在后期培養(yǎng)中被修復，藻液的生長未受太大波及。

據文獻報道［14－15］，其他條件一定時，適當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，當電流密度為10 mA/cm2時，微電流電解生成活性物質的間接氧化作用尚無法達到持續(xù)抑藻的目的，但當電流密度增加到20 mA/cm2時，由于析氯量的提高以及活性物質轉化速率的加快，此時的間接氧化作用已能夠完全抑制銅綠微囊藻細胞的生長。

上述結果證明:當電解時間為15 min、藻液中初始Cl－濃度為18 mg/L時，在0～20 mA/cm2范圍內提高電流密度，微電流電解抑藻效率也會隨之提高。

4 結論

本文通過分析電解前后銅綠微囊藻液的光密度與葉綠素熒光動力學參數變化，探究了Cl－濃度及電流密度對微電流電解抑制銅綠微囊藻生長的影響，為深入研究微電流電解持續(xù)抑藻的機理提供基礎，主要結論如下。

(1)電解產生的活性氯對電解抑藻有很大的貢獻:對初始細胞密度5×105個/mL、體積100 mL的銅綠微囊藻液而言，當藻液初始Cl－濃度為18 mg/L時，電解后藻細胞生長受到了完全的抑制;而對于無氯的藻液，電解后藻細胞生長未受明顯影響。

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

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

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