銅綠微囊藻殺藻劑的現(xiàn)狀綜述：性能及機(jī)理

金吉媛，黃馨雯，曹 杰，吳兵黨，3

（1.中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 611130；2.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州 215009；3.蘇州市海綿城市技術(shù)重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州 215002）

近年來由富營養(yǎng)化引起的藍(lán)藻水華的暴發(fā)帶來了諸多問題〔1〕。藍(lán)藻水華暴發(fā)時(shí)將導(dǎo)致水環(huán)境惡化，引起其他水生生物死亡并進(jìn)一步惡化環(huán)境。此外，當(dāng)水源地暴發(fā)藍(lán)藻水華時(shí)會(huì)給水處理帶來很大困難，可能引發(fā)供水安全問題〔2〕。除藍(lán)藻本身外，藍(lán)藻還會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的嗅味物質(zhì)和藻毒素，其中嗅味物質(zhì)通常引起感官不適，而藻毒素則可能危害生物健康，因此藻毒素是藍(lán)藻分泌物質(zhì)中最受關(guān)注的物質(zhì)之一〔3〕。

銅綠微囊藻是藍(lán)藻水華暴發(fā)時(shí)常見的優(yōu)勢(shì)種〔1〕，如我國太湖、巢湖和滇池的水華主要物種就是銅綠微囊藻。銅綠微囊藻作為優(yōu)勢(shì)藻種具備很多特點(diǎn)〔4〕：銅綠微囊藻細(xì)胞中的氣泡可以調(diào)節(jié)藻細(xì)胞在水柱中的垂直位置，以適應(yīng)環(huán)境變化獲得適當(dāng)?shù)墓夂蜖I養(yǎng)；銅綠微囊藻可在磷過剩水體中吸收過量磷，從而為其在缺磷時(shí)期提供磷；銅綠微囊藻外部有多層黏液鞘，可削弱外界環(huán)境壓力；銅綠微囊藻分泌的微囊藻毒素（MC）對(duì)其他生物的化感作用也有助于銅綠微囊藻成為優(yōu)勢(shì)物種。

控制藍(lán)藻水華的最有效安全的方法之一是減少水中營養(yǎng)物質(zhì)的含量。然而，目前直接減少水中營養(yǎng)物質(zhì)的方法有限，且費(fèi)力耗時(shí)。對(duì)于已暴發(fā)的藍(lán)藻迫切需要一些措施來快速、有效地控制藻類的進(jìn)一步生長。近年來，殺藻劑作為一種快速高效殺藻的方式得到了廣泛的關(guān)注〔3-5〕。

筆者選取了近年來備受關(guān)注的幾種殺藻劑，綜述了這些物質(zhì)對(duì)銅綠微囊藻的殺藻效果及其作用機(jī)理，為選擇合適的殺藻劑提供參考，對(duì)殺藻劑作用機(jī)理的全面描述也有助于推斷殺藻劑對(duì)其他生物的潛在影響。還特別關(guān)注了這些殺藻劑對(duì)MC的影響，以便能夠綜合考慮殺藻劑對(duì)銅綠微囊藻的殺藻效果和對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。最后，討論了殺藻劑研究和應(yīng)用的局限性，并提出了可能的解決方案。

1 有機(jī)類

1.1 酚類物質(zhì)

酚是多種植物化感物質(zhì)的主要成分之一，一些酚已被發(fā)現(xiàn)是良好的殺藻劑〔6〕，如氫醌（BQH2）、焦性沒食子酸（PA）、沒食子酸（GA）和兒茶酚。

1.1.1 氫醌（BQH2）

醌是天然有機(jī)質(zhì)或腐殖質(zhì)中的主要活性物質(zhì)，常被作為二者的代表性物質(zhì)，其中BQH2就是典型的代表物質(zhì)之一〔7〕。此外，BQH2也是一種廣泛存在于茶葉和小麥中的化感物質(zhì)〔8〕。

BQH2對(duì)銅綠微囊藻有較好的殺藻效果，其EC50為0.3 mg/L〔8〕。BQH2在pH較低的環(huán)境中殺藻效果更優(yōu)，因?yàn)閴A性環(huán)境導(dǎo)致BQH2聚合從而降低了BQH2對(duì)銅綠微囊藻的殺藻效果〔7〕。BQH2作為一種光敏性物質(zhì)可能對(duì)MC有降解作用（圖1），但是殺藻過程中隨著藻細(xì)胞破裂MC會(huì)大量釋放到水環(huán)境中〔9〕。綜合來看，BQH2是一種優(yōu)良的殺藻劑，但其可導(dǎo)致MC釋放，而目前對(duì)于BQH2殺藻機(jī)理以及BQH2對(duì)MC的降解性能認(rèn)識(shí)有限，從而限制了BQH2作為殺藻劑的應(yīng)用。

圖1 微囊藻毒素在殺藻劑作用下的變化Fig.1 The evolution of MC in the presence of algaecides

1.1.2 焦性沒食子酸（PA）

PA是一種從大型植物Myriophyllum spicatum中分泌出來的化感物質(zhì)，對(duì)銅綠微囊藻有較強(qiáng)的殺藻作用，其EC50為0.7 mg/L〔6，8〕。

PA是一種強(qiáng)效還原劑，可以迅速自氧化生成相應(yīng)的半醌自由基和鄰苯二酚，因此氧化應(yīng)激可能是PA抑制藻類生長的重要原因〔8〕（圖2）。PA作用過程中涉及膜脂質(zhì)過氧化基因的上調(diào)〔10〕，胞內(nèi)抗氧化的超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶以及膜脂質(zhì)過氧化的最終產(chǎn)物丙二醛和胞內(nèi)活性氧含量也增加〔10-11〕，證實(shí)了PA對(duì)藻類的氧化應(yīng)激是藻類死亡的重要原因。

圖2 殺藻劑的作用機(jī)制概述Fig.2 The working mechanisms of algaecides

PA對(duì)銅綠微囊藻的光合系統(tǒng)和DNA鏈也有影響（圖2）。PA使得藻胞內(nèi)色素（葉綠素a和類胡蘿卜素）含量〔12〕和堿性磷酸酶活性〔9〕降低，與光合作用相關(guān)的部分蛋白調(diào)控基因上調(diào)〔10，12〕，光合系統(tǒng)Ⅱ電子傳遞活性被抑制〔13〕。此外，PA使得兩個(gè)DNA修復(fù)基因的表達(dá)上調(diào)〔11〕，DNA鏈斷裂〔14〕。

PA對(duì)MC濃度的影響與其添加量有關(guān)。當(dāng)PA質(zhì)量濃度大于10 mg/L時(shí)，與MC合成相關(guān)基因的表達(dá)上調(diào)，導(dǎo)致MC濃度增加〔10-11〕（圖1）。雖然PA是一種對(duì)銅綠微囊藻抑制效果顯著的化感物質(zhì)，但應(yīng)該考慮PA的劑量（4.5～10 mg/L），以確保有效控制有害藻類生長的同時(shí)降低MC的釋放〔11〕。

1.1.3 沒食子酸（GA）

GA是Myriophyllu spicatum分泌的另一種化感物質(zhì)，也可以有效抑制銅綠微囊藻生長〔6，8〕，EC50為1.0～1.73 mg/L〔8，15〕。與PA相同，GA自氧化生成的自由基被認(rèn)為是抑制藻類生長的來源之一〔8〕，GA引起藻胞內(nèi)超氧化物歧化酶活性的變化也說明了GA的氧化性作用〔16〕。葉綠素a的濃度和葉綠素?zé)晒鈪?shù)（非光化學(xué)猝滅和有效量子效率）的強(qiáng)度隨著GA的加入而降低，以及GA對(duì)光合系統(tǒng)Ⅱ活性的抑制說明GA也使得藍(lán)藻光合系統(tǒng)受損〔13〕（圖2）。然而目前關(guān)于GA存在下MC變化的研究有限，故而GA作為一種殺藻劑的生態(tài)安全性還有待商榷。

1.1.4 兒茶酚

兒茶酚也是一種常見的酚類高效殺藻劑，L.X.NI等〔17-18〕發(fā)現(xiàn)它甚至比PA和GA更有效，EC50為0.3 mg/L。兒茶酚處理的藻類在生長過程中超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和可溶性糖的增加表明兒茶酚通過氧化脅迫抑制了藻類的生長〔17〕，非酶類抗氧化劑以及藻細(xì)胞膜表面破壞進(jìn)一步證實(shí)了兒茶酚對(duì)銅綠假微囊藻的氧化作用〔19〕（圖2）。雖然兒茶酚是一種很好的殺藻劑，但其對(duì)環(huán)境的影響還有待進(jìn)一步研究，以便為其實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1.2 其他有機(jī)物

1.2.1 2-甲基乙酰乙酸乙酯（EMA）

EMA可從蘆葦中分離得到，對(duì)銅綠微囊藻有很好的殺藻效果，EC50為0.68 mg/L〔18〕。

氧化應(yīng)激是EMA抑制銅綠微囊藻生長的主要原因〔18，20-21〕（圖2）。在一定濃度的EMA中暴露后，藍(lán)藻胞內(nèi)超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性均增加，但隨著EMA濃度的增加和暴露時(shí)間的增長，藻細(xì)胞死亡破裂而導(dǎo)致各種酶活均降低〔18，20〕。EMA作用下藻胞內(nèi)非酶類抗氧化劑的變化趨勢(shì)與各抗氧化酶相似〔20〕，且EMA引起了胞內(nèi)活性氧的累積和丙二醛的顯著增加〔21〕，表明了EMA誘導(dǎo)銅綠微囊藻胞內(nèi)活性氧累積，從而引起胞內(nèi)抗氧化性物質(zhì)變化，當(dāng)抗氧化性物質(zhì)不足以抵抗胞內(nèi)活性氧帶來的氧化損傷時(shí)引起膜損傷等，而膜損傷破裂也伴隨著胞內(nèi)物質(zhì)如MC的釋放〔3〕。

EMA對(duì)藍(lán)藻的光合作用亦有影響。藍(lán)藻暴露于EMA后細(xì)胞內(nèi)葉綠素a、胡蘿卜素和藻膽蛋白均減少，細(xì)胞內(nèi)可見藍(lán)藻素顆粒聚集，光合系統(tǒng)的有效量子效率、光合作用效率和最大電子傳遞速率均顯著下降〔3〕。

1.2.2L-賴氨酸

一些微生物的分泌物可以有效抑制銅綠微囊藻的生長，分析發(fā)現(xiàn)主要活性成分是L-賴氨酸，L-賴氨酸作用于銅綠微囊藻的最低有效質(zhì)量濃度為6～10.5 mg/L〔22〕。盡管L-賴氨酸的最低有效濃度較高，但由于它是哺乳動(dòng)物必需氨基酸之一，相對(duì)安全且無毒，且MC濃度在殺藻過程中逐漸減少〔23〕

L-賴氨酸主要造成藍(lán)藻光合系統(tǒng)受損，改變了藻膽蛋白的組成，降低了藻胞內(nèi)葉綠素a含量〔24-25〕，且對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)有一定的影響〔26〕，而胞內(nèi)超氧化物歧化酶活性和丙二醛含量經(jīng)L-賴氨酸處理后與對(duì)照組沒有顯著差異（圖2）。但是也有研究發(fā)現(xiàn)L-賴氨酸使超氧化物歧化酶活性、丙二醛和超氧陰離子含量增加〔27〕，這可能與不同研究中L-賴氨酸的用量有關(guān)，當(dāng)L-賴氨酸濃度足夠高時(shí)可能會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生氧化壓力。此外，基于L-賴氨酸的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞的運(yùn)作機(jī)制，推測(cè)L-賴氨酸的殺藻作用可能與細(xì)胞的氮吸收或氮代謝系統(tǒng)有關(guān)〔28〕，也可能是L-賴氨酸取代細(xì)胞中中位二氨基甲酸殘基從而導(dǎo)致細(xì)胞運(yùn)作異常而死亡〔29〕。

需要注意的是L-賴氨酸是一種有機(jī)氮源，使用L-賴氨酸作為殺藻劑無疑會(huì)將氮源引入水中〔26，29〕。L-賴氨酸控制藍(lán)藻的有效質(zhì)量濃度（相當(dāng)于1.4 mg/L氮）高于水中平均氮質(zhì)量濃度（0.7 mg/L）〔29〕。雖然L-賴氨酸不能被藍(lán)藻直接吸收利用，但是其可被其他微生物轉(zhuǎn)化為氨氮，而氨氮可被藍(lán)藻吸收利用〔23〕。因此，L-賴氨酸能否應(yīng)用于藍(lán)藻水華的控制還需要更深入的研究，特別是由于L-賴氨酸是一種有機(jī)氮源，需要考慮其對(duì)水體的長期影響，以及在不同水體中L-賴氨酸可能產(chǎn)生的不同效果。

1.2.3 血根堿

血根堿是罌粟科植物的提取成分之一，是對(duì)銅綠微囊藻毒性最大的提取生物堿，EC50為0.29 mg/L〔30〕，被證實(shí)比傳統(tǒng)殺藻劑CuSO4殺藻作用更強(qiáng)〔31〕。

血根堿攻擊藍(lán)藻的多個(gè)位點(diǎn)（圖2）。血根堿作用后銅綠微囊藻的色素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)發(fā)生變化，且編碼光合系統(tǒng)Ⅱ蛋白的相關(guān)基因表達(dá)被抑制，由此可見血根堿對(duì)光合系統(tǒng)Ⅱ有影響〔31〕。胞內(nèi)活性氧增多且編碼重要抗氧化蛋白的相關(guān)基因上調(diào)表明血根堿誘導(dǎo)了銅綠微囊藻的氧化應(yīng)激，另外還發(fā)現(xiàn)血根堿使得部分DNA損傷且抑制了細(xì)胞分裂〔31〕。

與其他殺藻劑相同，血根堿會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞破裂釋放MC〔1〕，但在長時(shí)間作用過程中，血根堿降低了MC的濃度〔1，4〕，這可能源于血根堿對(duì)相關(guān)基因的調(diào)控〔31〕（圖1）。實(shí)際水體中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其他水生生物也受到血根堿的影響，原核藻類對(duì)血根堿的敏感性高于真核生物〔1〕。此外，長時(shí)間使用后銅綠微囊藻將對(duì)血根堿產(chǎn)生抗藥性〔1，4〕。

總體而言，血根堿雖然是一種優(yōu)良的殺藻劑，也可以控制MC的含量，但銅綠假微囊藻的再生長以及血根堿對(duì)某些水生生物的不利影響可能限制其作為殺藻劑的應(yīng)用。

2 無機(jī)類

2.1 過氧化氫（H2O2）

H2O2由于降解產(chǎn)物是H2O和O2而被認(rèn)為是一種相對(duì)環(huán)境友好的殺藻劑。H2O2殺藻性能受光照強(qiáng)度影響，在0～500 μmol/（m2·s）范圍內(nèi)，隨著光照強(qiáng)度的增加，反應(yīng)3 h時(shí)，H2O2對(duì)銅綠微囊藻的EC50從6.63 mg/L降至0.27 mg/L〔32〕。

H2O2主要通過兩個(gè)方面抑制藻類的生長：一是削弱藻類的解毒作用，即作用于抗氧化系統(tǒng)，二是攻擊光合系統(tǒng)〔5〕（圖2）。H2O2進(jìn)入含藍(lán)藻水體后首先攻擊細(xì)胞膜〔33〕，使細(xì)胞中的活性氧增加，刺激相應(yīng)的抗氧化酶活性和丙二醛含量增加〔34〕，最終H2O2進(jìn)入藻胞內(nèi)攻擊光合系統(tǒng)〔33〕。藍(lán)藻光合系統(tǒng)受損的具體表現(xiàn)如下：色素含量減少，捕光色素從光合系統(tǒng)Ⅱ中分離，光合作用相關(guān)基因表達(dá)下調(diào)，光合作用量子效率下降，D1蛋白被破壞〔3，33-35〕。

氧化性的H2O2可有效降解MC，其中H2O2分解生成的·OH是降解MC的主要物種〔33〕。此外，H2O2也可通過下調(diào)MC合成相關(guān)基因的表達(dá)來控制MC含量〔34〕（圖1）。但需要注意的是H2O2對(duì)降解MC的細(xì)菌有毒害作用〔36〕，因此使用時(shí)需注意控制其濃度。H2O2對(duì)水環(huán)境中的真核藻類相對(duì)友好〔5，32，35，37〕，然而高濃度的H2O2會(huì)降低浮游細(xì)菌的豐度，且對(duì)部分浮游動(dòng)物有害〔37〕。

2.2 硫酸銅（CuSO4）

CuSO4是最早使用的殺藻劑之一，其殺藻性能強(qiáng)于H2O2，96 h的EC50為9～112 mg/L（以Cu計(jì)）〔38-39〕。

CuSO4可從多個(gè)方面影響藍(lán)藻的生長（圖2）。CuSO4增加了細(xì)胞內(nèi)活性氧含量和抗氧化酶超氧化物歧化酶活性，最終導(dǎo)致丙二醛含量增加〔34〕，此外CuSO4使得藍(lán)藻光 合 作 用 相 關(guān) 基因表達(dá)下 調(diào)〔3，34〕。代謝組學(xué)分析結(jié)果也表明CuSO4對(duì)藻類有氧化作用，且破壞了光合系統(tǒng)〔38〕。

CuSO4雖然不能降解MC，且對(duì)一些環(huán)境中可降解MC的細(xì)菌有毒害作用〔36〕，但是一些與MC合成相關(guān)基因的表達(dá)隨著CuSO4的加入而下調(diào)〔34〕（圖1）。CuSO4在實(shí)際水體中的殺藻性能已被廣泛證實(shí)〔40〕，但是藍(lán)藻在CuSO4作用一段時(shí)間后會(huì)再次生長〔40〕，且水中殘留銅離子會(huì)進(jìn)入到沉積物中，對(duì)水環(huán)境長期產(chǎn)生不利影響〔41〕。此外CuSO4用于處理水源地中的藍(lán)藻水華時(shí)可能存在增加水中消毒副產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)〔2〕。

3 結(jié)語與展望

盡管殺藻劑具有潛在危害，但由于殺藻劑在緊急控制藍(lán)藻水華方面的重要性，科學(xué)家們并沒有放棄對(duì)其的開發(fā)和探索。建議基于不同類型殺藻劑的特點(diǎn)針對(duì)性地開展相關(guān)研究。多數(shù)有機(jī)類殺藻劑是化感物質(zhì)，盡管化感物質(zhì)來自大自然，但當(dāng)用作殺藻劑時(shí)它們的濃度往往超過了在水中的本底水平。因此，化感物質(zhì)對(duì)非目標(biāo)生物的影響仍需加強(qiáng)評(píng)估。而H2O2和CuSO4作為非化感類物質(zhì)，是水中的外來物質(zhì)，其環(huán)境危害需要比化感物質(zhì)更慎重考慮，特別是長期使用后的危害。一般來說，生態(tài)友好的殺藻劑應(yīng)具備以下特點(diǎn)：對(duì)形成水華的藍(lán)藻可選擇性抑制；有效控制MC；對(duì)其他水生生物友好；是可回收或可生物降解的物質(zhì)（避免在環(huán)境中富集）。

就目前殺藻劑的研究進(jìn)展而言，將殺藻劑直接應(yīng)用于天然水中仍存在一些問題：MC的大量釋放、對(duì)非目標(biāo)生物的影響、難降解物質(zhì)在水中的富集等。以緩釋的方式使用殺藻劑可能是一種解決思路：通過減緩殺藻劑的釋放速度從而降低藻類破裂的速度，進(jìn)而減緩MC的釋放速度，保留充足時(shí)間降解MC，同時(shí)這也可以減弱殺藻劑對(duì)其他生物的危害。還可以考慮將殺藻劑與其他技術(shù)相結(jié)合，以在保證快速有效殺藻的同時(shí)減少殺藻劑用量，最大限度地減少對(duì)其他水生生物的影響，并減少M(fèi)C釋放的風(fēng)險(xiǎn)。如果能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)藻生長的抑制和對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的減量，藍(lán)藻水華問題的解決將指日可待。