資源化利用牡蠣殼粉去除銅綠微囊藻*

錢凱榮 張欣怡 陳斌斌 王 敏 賈 陽 張 和 肖 鵬 李仁輝 馬增嶺 秦文莉

(溫州大學生命與環(huán)境科學學院,浙江 溫州 325035)

水體富營養(yǎng)化造成的藍藻水華問題是世界環(huán)境工作者所面臨的共同難題。我國太湖、巢湖、滇池等大型湖泊每年都會發(fā)生藍藻水華。因此,藍藻水華成為了水網(wǎng)密集地區(qū)制約社會經(jīng)濟健康發(fā)展的關鍵問題[1-2]。

治理藍藻水華的方法有化學除藻法[3-4]、物理除藻法[5]和生物除藻法[6]412。化學除藻法主要依靠化學除藻劑[7],但過量的化學除藻劑進入水中又會對水生生物造成風險[8]。物理除藻法通過人工或機械打撈將藻細胞與水體分離,對于大范圍的藍藻水華,治理成本過高[9]。植物的化感作用除藻是近些年的生物除藻研究熱點,主要是通過植物釋放的分泌物阻止藻細胞生長[6]413,但外源性化感物質(zhì)是否會對水生動植物產(chǎn)生危害尚不確定。因此,探尋一種低成本且生態(tài)友好的藍藻水華治理方法仍是當前需要研究的一個重要課題。

牡蠣屬于軟體動物門、雙殼綱、珍珠貝目,是世界性分布物種[10],對海洋凈化起著至關重要的作用。牡蠣在世界海水養(yǎng)殖業(yè)中占有重要地位,目前產(chǎn)量最大的是中國。《2021中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》顯示,中國的牡蠣海水養(yǎng)殖產(chǎn)量達到了523萬t,其中占牡蠣總質(zhì)量2/3的牡蠣殼堆積成了新的污染源,所以如何將牡蠣殼資源化利用十分必要。牡蠣殼的物理結構包括角質(zhì)層、棱柱層、珍珠層,主要的是棱柱層,呈葉片狀,含有大量2～10 μm的微孔[11],經(jīng)過煅燒后的牡蠣殼可以形成多孔結構,具有很好的吸附性能[12]。氮磷是水體富營養(yǎng)化的主要驅(qū)動因子。HUH等[13]發(fā)現(xiàn)有氧煅燒后的牡蠣殼可使水體總磷(TP)與總氮(TN)下降90%以上,并且含藻水體透明度得到提升。XING等[14]87發(fā)現(xiàn),Ca2+影響牡蠣殼細胞膜通透性,從而影響其對輪紋病菌和立枯絲核菌的抗菌性。牡蠣殼中除了含鈣物質(zhì)外,甲殼素也是牡蠣殼資源化利用的重要物質(zhì),因為甲殼素對多種菌具有抑制作用[15]。甲殼素的衍生產(chǎn)物殼聚糖又常被用作絮凝材料的改性劑或輔助劑,可提升對藻類的去除效率[16]。ZOU等[17]將殼聚糖與粉煤灰制作成一種復合材料,對銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)的去除率達到98.5%。因此,含鈣和甲殼素的牡蠣殼可能是控藻的理想材料。

本研究首先對牡蠣殼粉進行預處理,然后研究其控藻效果,并且探討牡蠣殼粉對銅綠微囊藻的控藻機制,旨在資源化利用牡蠣殼粉去除銅綠微囊藻,為水生態(tài)治理提供新的技術。

1 方 法

1.1 牡蠣殼粉的制備

收集浙江省寧波市象山港畔的牡蠣殼,用蒸餾水清洗3次,121 ℃滅菌30 min,60 ℃烘干至恒重,用微型粉碎機(FW100,功率460 W)研磨成粒徑60～300目的牡蠣殼粉。

1.2 銅綠微囊藻培養(yǎng)

銅綠微囊藻FACHB-905購自中國科學院水生生物研究所,用BG11培養(yǎng)基在智能光照培養(yǎng)箱(PGX-600B)中以光暗比12 h∶12 h、溫度25 ℃、光量子通量密度40 μmol/(m2·s)培養(yǎng)。采用繼代培養(yǎng)的方式保持指數(shù)階段生長。

1.3 牡蠣殼粉的預處理

將牡蠣殼粉在馬弗爐(YFX12/10Q-GC)中分別從室溫以2 ℃/min升溫至200、400、600、800、1 000 ℃進行3 h的有氧煅燒與無氧煅燒后,冷卻,不同溫度下有氧煅燒組分別標記為CO200、CO400、CO600、CO800、CO1000,無氧煅燒組分別標記為CN200、CN400、CN600、CN800、CN1000。另外,將牡蠣殼粉放入質(zhì)量分數(shù)10%的鹽酸中浸泡24 h,再進行無氧煅燒,得到酸處理無氧煅燒組,分別標記為CAN200、CAN400、CAN600、CAN800、CAN1000;將100 g牡蠣殼粉放于500 mL錐形瓶中,加入質(zhì)量分數(shù)6%的氫氧化鈉溶液250 mL,25 ℃恒溫水浴攪拌(250 r/min)12 h,過濾干燥,再加入到300 mL質(zhì)量分數(shù)5%的鹽酸中攪拌(250 r/min)6 h,抽濾干燥,加入至150 mL質(zhì)量分數(shù)6%的氫氧化鈉溶液中,并加入50 mL質(zhì)量分數(shù)95%的乙醇,25 ℃水浴攪拌(250 r/min)2 h,冷卻離心洗滌干燥,無氧煅燒,得到脫乙酰處理無氧煅燒組,分別標記為CHN200、CHN400、CHN600、CHN800、CHN1000。未經(jīng)任何預處理的牡蠣殼粉標記為C0。所有牡蠣殼粉放置于干燥環(huán)境中密封保存。

1.4 實驗設計

在經(jīng)過高壓滅菌鍋滅菌的1 L錐形瓶中加入500 mL銅綠微囊藻藻液,初始藻密度為1×106個/mL,分別加入0、0.25、0.50、1.00、2.00 g/L不同預處理的牡蠣殼粉,每組均做3個重復,每天用血球計數(shù)板在顯微鏡(DS-Ri2,Nikon)下觀測藻密度,并計算抑制率[18]。取1 d內(nèi)可達100.00%抑制率的牡蠣殼粉進行抑藻速率測定。

選擇控藻效果較好的牡蠣殼粉,將其通過300、160、100目的不銹鋼篩后,用量定為0.25 g/L再進行重復實驗,同時每日測量藻液pH,考察不同粒徑牡蠣殼粉對銅綠微囊藻生長的影響。

2 結果與討論

2.1 不同預處理的牡蠣殼粉對銅綠微囊藻生長的影響

未經(jīng)任何預處理的牡蠣殼粉對銅綠微囊藻的抑制效果較差。有氧煅燒的牡蠣殼粉隨著煅燒溫度升高,對銅綠微囊藻的抑制效果增強,800 ℃為有氧煅燒牡蠣殼粉的控藻效果轉折點,用量只要0.25 g/L第1天的抑制率即可達到91.11%,第7天升至99.46%。而1 000 ℃煅燒后用量0.25 g/L的條件下第3天抑制率就可達到100.00%。

與有氧煅燒的牡蠣殼粉類似,800 ℃也是無氧煅燒牡蠣殼粉的控藻效果轉折點,但與有氧煅燒的牡蠣殼粉相比,無氧煅燒的牡蠣殼粉對銅綠微囊藻的抑制能力有所下降,相同煅燒溫度下,無氧煅燒的牡蠣殼粉需要更大的用量才能達到與有氧煅燒的牡蠣殼粉相近的抑制率。YONG等[19]發(fā)現(xiàn),牡蠣殼粉在約800 ℃煅燒條件下,活性較低的CaCO3會轉化為活性較高的CaO。CaO溶于水產(chǎn)生Ca2+,Ca2+通過靜電作用吸附于藻細胞表面,改變藻細胞膜內(nèi)外滲透壓,從而抑制細胞生長[14]89。這可能就是800 ℃為有效抑藻的煅燒溫度轉折點的原因。

相同溫度煅燒后,之所以無氧煅燒的牡蠣殼粉所需用量比有氧煅燒多,一方面是因為無氧煅燒還留有牡蠣殼粉中的有機質(zhì)成分,降低了CaO含量[20];另一方面是因為牡蠣殼粉中的有機質(zhì)成分含有丙氨酸、精氨酸和亮氨酸[21],而這些氨基酸是銅綠微囊藻生長能夠吸收的氮源[22],因此反而起到促進了銅綠微囊藻生長的作用。

綜上,煅燒可以提高牡蠣殼粉的抑藻效果,煅燒產(chǎn)生CaO是抑制銅綠微囊藻生長的主要因素,有氧煅燒的效果更好,溫度1 000 ℃、用量0.25 g/L處理3 d銅綠微囊藻抑制率可以達到100.00%。

脫乙酰處理無氧煅燒的牡蠣殼粉對銅綠微囊藻的抑制率整體表現(xiàn)出隨著煅燒溫度升高,抑制率下降的趨勢,而且CHN1000放入水中,會使水體嚴重著色,無法進行實際應用。酸處理無氧煅燒的牡蠣殼粉與脫乙酰處理無氧煅燒的牡蠣殼粉類似,也表現(xiàn)出隨煅燒溫度升高,對銅綠微囊藻的抑制率呈下降趨勢。不過,整體上脫乙酰處理無氧煅燒的牡蠣殼粉的抑藻效果略優(yōu)于酸處理無氧煅燒的牡蠣殼粉,這可能與甲殼素是否脫乙酰有關。殼聚糖是甲殼素的脫乙酰產(chǎn)物,而殼聚糖的高抑藻率早已得到證實[23],原因是殼聚糖分子中含有大量氨基,所以具有很好的溶解性和化學活性[24]。LIU等[25]研究證實,殼聚糖的氨基通過與細菌表面結合而抑制細菌生長。吳小勇等[26]解釋,殼聚糖堆積在細菌細胞表面,影響其代謝。TANG等[27]將殼聚糖和甲殼素進行無氧煅燒,發(fā)現(xiàn)溫度過高,甲殼素解聚,殼聚糖氨基大分子被破壞,這也就導致了脫乙酰處理無氧煅燒的牡蠣殼粉和酸處理無氧煅燒的牡蠣殼粉隨著煅燒溫度提升,抑藻效果下降的原因。

綜上,酸處理無氧煅燒的牡蠣殼粉和脫乙酰處理無氧煅燒的牡蠣殼粉的抑藻因素以殼聚糖和甲殼素為主,特別是殼聚糖,但其抑藻效果不如CaO。

表1總結了不同預處理的牡蠣殼粉對銅綠微囊藻生長的最高抑制率及其所對應的最低用量和時間?？梢园l(fā)現(xiàn),1 000 ℃有氧煅燒的牡蠣殼粉用量(0.25 g/L)最少,只要3 d就可以達到100.00%的抑制率,可以說是效果最好的牡蠣殼粉。

表1 牡蠣殼粉對銅綠微囊藻生長的最高抑制率及其所對應的最低用量和時間Table 1 The maximum inhibition rate of oyster shell powder on the growth of Microcystis aeruginosa and the corresponding minimum dosage and time

對于部分1 d內(nèi)可以達到對銅綠微囊藻抑制率100.00%的牡蠣殼粉進行了抑藻速率測定,結果見圖1。CO800與CO1000在1.00 g/L的用量下能夠在40 min內(nèi)達到100.00%的抑制率,而用量提升到2.00 g/L,15 min內(nèi)即可達到100.00%的抑制率。對比CO800與CO1000在同等用量下的抑藻速率發(fā)現(xiàn),煅燒溫度對抑制趨勢的影響不大,表明在800℃下有氧煅燒即有大量CaO生成。CN800在2.00 g/L的用量下能夠在240 min內(nèi)達到100.00%的抑制率,CN1000在0.50 g/L的用量下也是在240 min內(nèi)達到100.00%的抑制率,表明煅燒溫度升高,對于無氧煅燒可以增加CaO含量。而CN1000的用量增加至1.00、2.00 g/L,分別可在40、15 min內(nèi)達到100.00%的抑制率。CAN200與CAN400在2.00 g/L的用量下分別需要480、120 min才能達到100.00%的抑制率。CHN200與CHN400在2.00 g/L用量下均在120 min達到100.00%的抑制率,而CHN200在1.00 g/L的用量下則需要1 440 min才能達到100.00%的抑制率?？傊?提升牡蠣殼粉用量能夠顯著提升抑藻速率,在同等煅燒溫度及用量下,有氧煅燒的牡蠣殼粉抑藻效果最佳。

圖1 1 d內(nèi)達100.00%抑制率的牡蠣殼粉抑藻速率Fig.1 The inhibition velocity of oyster shell powder reached 100.00% inhibition rate within 1 d

綜上所述,無氧煅燒與有氧煅燒的牡蠣殼粉抑藻效果差異主要歸因于CaO含量的多少。酸處理與脫乙酰處理無氧煅燒的牡蠣殼粉主要抑藻因素為甲殼素和殼聚糖,殼聚糖因具有更好的溶解性與化學活性,控藻效果更優(yōu)于甲殼素。無氧煅燒與有氧煅燒的牡蠣殼粉最快能在15 min內(nèi)去除100.00%的銅綠微囊藻,而酸處理與脫乙酰處理無氧煅燒的牡蠣殼粉則至少需要120 min才能達到100.00%的抑制率。

2.2 不同粒徑牡蠣殼粉對銅綠微囊藻生長的影響

由圖2可知,160～300目、300目以上的CO800與CO1000都呈現(xiàn)出高抑制率,7 d的抑制率都達到98%以上,且都是在300目以上時抑制率最高,分別為99.95%、99.87%,而100～160目時抑制率均不到40%,表明CO800和CO1000的有效控藻粒徑在160目以上。160～300目、300目以上的牡蠣殼粉表現(xiàn)出更高的抑制率,這是因為牡蠣殼粉的CaCO3粒徑主要分布在1～100 μm[28]。

圖2 不同粒徑牡蠣殼粉對銅綠微囊藻生長的影響Fig.2 Effects of oyster shell powder with different particle sizes on growth of Microcystis aeruginosa

綜上所述,粒徑會影響牡蠣殼粉對銅綠微囊藻的抑制效果,CO800和CO1000有效控藻成分粒徑應該大于160目。牡蠣殼粉還會提升藻液pH,并且粒徑與藻液pH表現(xiàn)為負相關性。

注:空白組指不加入牡蠣殼粉的純藻液。

3 結 論

(1) 牡蠣殼粉是有效的抑藻材料,有氧煅燒預處理可以提高牡蠣殼粉的抑藻效果,而且效果優(yōu)于無氧煅燒、酸處理無氧煅燒和脫乙酰處理無氧煅燒。1 000 ℃有氧煅燒的牡蠣殼粉抑制率達到100.00%的最少用量只要0.25 g/L。800 ℃有氧煅燒的牡蠣殼粉2.00 g/L的用量下抑藻率達到100.00%最快只要15 min。

(2) 無氧煅燒與有氧煅燒的牡蠣殼粉主要抑藻因素是CaO。酸處理與脫乙酰處理無氧煅燒的牡蠣殼粉主要抑藻因素是甲殼素和殼聚糖,殼聚糖因具有更好的溶解性與化學活性,控藻效果更優(yōu)于甲殼素。

(3) 牡蠣殼粉粒徑越小,抑藻效果越好,CO800和CO1000的有效控藻粒徑應在160目以上。