基于化感原理的復(fù)合抑藻劑研究進(jìn)展*

焦崗偉 趙倩名 何培民,2 何文輝,2 邵 留,2#

(1.上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,上海 201306;2.上海海洋大學(xué)水域環(huán)境生態(tài)上海高校工程研究中心,上海 201306)

人類(lèi)活動(dòng)的影響致使水體富營(yíng)養(yǎng)化程度不斷加劇,世界范圍內(nèi)的藍(lán)藻水華事件頻發(fā)。藍(lán)藻水華不僅影響水域生態(tài)景觀,還會(huì)產(chǎn)生藻毒素,導(dǎo)致更嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境和健康問(wèn)題[1-3]。當(dāng)前,已發(fā)展了多種基于物理、化學(xué)及生物原理的藍(lán)藻水華防治技術(shù),并取得了良好的效果[4]。然而化學(xué)除藻技術(shù)不可避免地會(huì)使用一些化學(xué)藥劑,從而引發(fā)二次環(huán)境污染問(wèn)題,而物理技術(shù)和傳統(tǒng)的生物技術(shù)或是成本較高,或是見(jiàn)效時(shí)間長(zhǎng)、難度大,阻礙了技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用[5-6]。

目前,有效且安全的控藻抑藻技術(shù)研發(fā)是藍(lán)藻水華防治的熱點(diǎn)及前沿問(wèn)題,環(huán)境友好型的防治新技術(shù)日益引起關(guān)注。其中,基于化感原理的抑藻劑因其具有選擇性、安全、可降解性好、高效等特點(diǎn),被認(rèn)為是一種有很好發(fā)展前景的新型抑藻技術(shù)[7-8]。為進(jìn)一步提升化感物質(zhì)的抑藻效應(yīng),不少研究者開(kāi)始探究復(fù)合化感抑藻技術(shù)的研發(fā)[9-10]。復(fù)合化感抑藻技術(shù)是以化感物質(zhì)為基礎(chǔ),將抑藻化感物質(zhì)與其他化感物質(zhì)、抑藻菌或化學(xué)試劑等以不同方式組合后進(jìn)行復(fù)合聯(lián)用的新型防治技術(shù)。復(fù)合化感抑藻技術(shù)可以協(xié)同發(fā)揮不同組分的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)對(duì)不同物質(zhì)間的合理搭配使之更高效、安全、經(jīng)濟(jì)地用于藍(lán)藻水華的控制。

在總結(jié)當(dāng)前研究的基礎(chǔ)上,從復(fù)合抑藻劑活性物質(zhì)的來(lái)源、復(fù)合抑藻劑的組成類(lèi)型及復(fù)合抑藻劑的效應(yīng)等角度對(duì)當(dāng)前的復(fù)合抑藻劑研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理總結(jié),并對(duì)其今后的發(fā)展方向及應(yīng)用前景進(jìn)行展望,以期為復(fù)合抑藻劑的推廣和應(yīng)用提供參考。

1 復(fù)合抑藻劑化感物質(zhì)的來(lái)源

抑藻化感物質(zhì)廣泛分布于植物、藻類(lèi)及細(xì)菌中。復(fù)合抑藻劑中化感物質(zhì)的來(lái)源主要包括水生植物源、陸生植物源、藻源及微生物源。

1.1 水生植物源化感物質(zhì)

抑藻化感物質(zhì)廣泛存在于沉水植物、浮水植物和挺水植物中。沉水植物釋放的化感物質(zhì)主要有酚酸類(lèi)、脂肪酸類(lèi)及生物堿等。如HE等[11]研究了穗花狐尾藻對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)酚酸類(lèi)化合物在其釋放的化感物質(zhì)中含量最高,此外還有多種脂肪酸類(lèi)化感物質(zhì)。最近的研究表明,生物堿類(lèi)物質(zhì)對(duì)藻生長(zhǎng)的抑制效果、作用時(shí)效、最大抑制率等方面均優(yōu)于酚酸類(lèi)、脂肪酸和酯類(lèi)化感物質(zhì)[12]。浮水植物如荇菜[13]、睡蓮[14]、水罌粟[15]和大薸[16]等同樣可以通過(guò)釋放脂肪酸、萜類(lèi)等化感物質(zhì)抑制藻類(lèi)的生長(zhǎng)。在挺水植物中,富含抑藻活性物質(zhì)的植物也有很多,如菖蒲、蘆葦、蘆竹、梭魚(yú)草等。HONG等[17]從蘆竹中提取到了具有良好抑藻效果的蘆竹堿。LI等[18]從蘆葦中分離出了對(duì)銅綠微囊藻有較強(qiáng)抑制作用的2-甲基乙酰乙酸乙酯。表1總結(jié)了近年報(bào)道的對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)有明顯抑制作用的水生植物源化感物質(zhì)。

表1 水生植物源化感物質(zhì)Table 1 Allelochemicals from aquatic plants

1.2 陸生植物源化感物質(zhì)

有專(zhuān)家提出,相比水生植物源化感物質(zhì),陸生植物源化感物質(zhì)對(duì)藻的抑制效果可能更好[28]。因此,生物量更大的、次生代謝產(chǎn)物更為豐富的陸生植物近些年來(lái)日益引起研究人員的重視。目前研究較多的陸生植物源化感物質(zhì)主要集中在草本植物。草本植物中,多數(shù)的禾本科、菊科、百合科植物提取物對(duì)藻類(lèi)均表現(xiàn)出抑制效果[29]。如鄧?yán)^選等[30]從大麥秸稈提取物中分離出對(duì)銅綠微囊藻有顯著抑制效果的十六烷基三甲基溴化銨和鄰苯二甲酸二丁酯。YUAN等[31]從互花米草提取物中鑒定出十六烷酸、2,4-二叔丁基酚和氫化肉桂酸等多種對(duì)銅綠微囊藻有顯著抑制效果的化感物質(zhì)。此外,一些陸生喬木提取物也被證明有較好的抑藻效果。如趙倩名等[32]研究發(fā)現(xiàn),銀杏葉提取物中的槲皮素、山奈酚、木犀草素和兒茶素對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)和光合活性均有明顯的抑制作用。表2總結(jié)了近年報(bào)道的對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)有明顯抑制作用的陸生植物源化感物質(zhì)。

表2 陸生植物源化感物質(zhì)Table 2 Allelochemicals from terrestrial plants

1.3 藻源化感物質(zhì)

藻間化感作用這一概念最早在1994年被INDERJIT等[48]提出,指的是某一種藻類(lèi)分泌的生化物質(zhì)能影響(促進(jìn)或抑制)其他藻類(lèi)的生長(zhǎng)。研究者發(fā)現(xiàn)甲藻、硅藻均能產(chǎn)生多種化感物質(zhì)抑制其他藻類(lèi)的生長(zhǎng),綠藻和藍(lán)藻也不例外[49-52]。如宋昊[53]、QIAN等[54]及WANG等[55]得出類(lèi)似結(jié)論,即銅綠微囊藻能釋放亞油酸來(lái)抑制普通小球藻、蛋白核小球藻及小環(huán)藻的生長(zhǎng)。SUKENIK等[56]證實(shí)多甲藻的生長(zhǎng)也會(huì)受到微囊藻所分泌的化感物質(zhì)的抑制。LEO等[57]研究發(fā)現(xiàn),顫藻可釋放抑制小球藻的環(huán)肽。SHAO等[58]實(shí)驗(yàn)證實(shí)銅綠微囊藻的生長(zhǎng)能被布氏常絲藻產(chǎn)生的酮類(lèi)化感物質(zhì)所抑制。從已報(bào)道的研究成果來(lái)看,藻類(lèi)所產(chǎn)生的化感物質(zhì)具有生態(tài)友好性、易氧化降解和低劑量等特點(diǎn),這為利用藻類(lèi)分泌的化感物質(zhì)進(jìn)行抑藻提供了新的思路和實(shí)際應(yīng)用的可能性。

1.4 微生物源化感物質(zhì)

微生物抑藻同樣是控制藻類(lèi)暴發(fā)的重要方法之一。溶藻微生物主要通過(guò)兩種方式進(jìn)行溶藻:一是直接溶藻,即通過(guò)藻菌直接接觸或進(jìn)一步侵入藻細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行溶藻;二是間接溶藻,即通過(guò)分泌多肽、酶、蛋白質(zhì)、抗生素、氨基酸等胞外活性物質(zhì)來(lái)溶解藻體細(xì)胞[59-60]。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)溶藻微生物已經(jīng)有眾多研究,一些溶藻細(xì)菌及其分泌的溶藻物質(zhì)和溶藻方式被陸續(xù)報(bào)道。如KO等[61]研究發(fā)現(xiàn),假單胞菌能分泌二酮哌嗪和環(huán)(甘氨酰-L-丙氨酰)兩種抑藻活性物質(zhì),其中后者在短時(shí)間內(nèi)即可顯著降低鏈狀亞歷山大藻葉綠素a(Chl-a)含量、光和系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm),導(dǎo)致其膜解體;ZHANG等[62]研究證實(shí)霍氏腸桿菌F2通過(guò)分泌靈菌紅素抑制銅綠微囊藻的生長(zhǎng)。遺憾的是大多數(shù)溶藻微生物研究仍處于初級(jí)實(shí)驗(yàn)室探索階段,今后可從溶藻菌的制備成本、保存條件及生態(tài)安全等方面進(jìn)一步開(kāi)展研究。部分溶藻細(xì)菌及其分泌的溶藻活性物質(zhì)和溶藻方式見(jiàn)表3。

表3 溶藻細(xì)菌源化感物質(zhì)和溶藻方式Table 3 Allelochemicals from algicidal bacteria and algicidal mode

2 復(fù)合抑藻劑的組成類(lèi)型

復(fù)合抑藻劑的組成類(lèi)型主要包括植物源化感物質(zhì)間的復(fù)合聯(lián)用、植物源化感物質(zhì)與化學(xué)試劑間的復(fù)合聯(lián)用、植物源化感物質(zhì)與抑藻微生物間的復(fù)合聯(lián)用、抑藻微生物間的復(fù)合聯(lián)用及抑藻微生物與功能材料間的復(fù)合聯(lián)用。

2.1 植物源化感物質(zhì)間的復(fù)合聯(lián)用

大量研究結(jié)果表明,不同植物源化感物質(zhì)間的聯(lián)用可有效提升抑藻效果,且其抑藻效應(yīng)隨著混合維數(shù)增強(qiáng)而增強(qiáng)[68]765。值得注意的是,并不是所有的化感物質(zhì)復(fù)合聯(lián)用都會(huì)使抑藻效果更好。如張楠等[69]研究了棕橺酸、琥珀酸、乙酸丁酯對(duì)蛋白核小球藻的復(fù)合聯(lián)用效應(yīng),結(jié)果表明乙酸丁酯分別與棕橺酸、琥珀酸混合聯(lián)用,均表現(xiàn)出拮抗效應(yīng)。高云霓等[68]765研究得出,咖啡酸與原兒茶酸聯(lián)用也會(huì)產(chǎn)生拮抗效應(yīng)。胡陽(yáng)[70]41指出,沒(méi)食子酸與對(duì)羥基苯甲酸聯(lián)合抑藻也會(huì)產(chǎn)生拮抗效應(yīng)。因此,在進(jìn)行化感物質(zhì)復(fù)合聯(lián)用時(shí),還需要在組分篩選上進(jìn)行優(yōu)化和進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探究。表4總結(jié)了部分植物源化感物質(zhì)復(fù)合聯(lián)用抑藻相關(guān)研究。

表4 植物源化感物質(zhì)復(fù)合聯(lián)用抑藻Table 4 Combined algal inhibition effects of allelochemicals from plants

2.2 植物源化感物質(zhì)與化學(xué)藥劑間的復(fù)合聯(lián)用

化學(xué)藥劑存在一些固有缺點(diǎn),導(dǎo)致關(guān)于植物化感物質(zhì)與化學(xué)藥劑進(jìn)行聯(lián)合抑藻的報(bào)道偏少。胡陽(yáng)[70]35使用殼聚糖季銨鹽復(fù)合河沙先將有害藻類(lèi)絮凝沉降,然后再在懸濁液中加入化感物質(zhì)來(lái)抑制新藻的生長(zhǎng),取得了較好效果。王紅強(qiáng)等[83]將化感物質(zhì) (N-苯基-1-萘胺和N-苯基-2-萘胺) 與殼聚糖及粉煤灰混合,制備的復(fù)合除藻劑除藻率可達(dá)99%。這類(lèi)復(fù)合除藻技術(shù)由于化感物質(zhì)濃度、使用過(guò)程技術(shù)處理、外界條件都會(huì)在一定程度上影響作用效果,還需要在此方法的機(jī)制上以及生態(tài)安全性上進(jìn)一步開(kāi)展研究。

2.3 植物源化感物質(zhì)與抑藻微生物間的復(fù)合聯(lián)用

有關(guān)植物化感物質(zhì)與抑藻微生物聯(lián)用的研究主要是基于植物、微生物互利共生的原理,即共存條件下兩者通過(guò)相互促進(jìn)分泌化感物質(zhì)實(shí)現(xiàn)抑藻。潘耀茹[84]使用4種常見(jiàn)農(nóng)作物秸稈(青稞秸稈、小麥秸稈、油菜秸稈和玉米秸稈)與具有強(qiáng)大木質(zhì)素降解能力的白腐真菌進(jìn)行復(fù)合使用來(lái)抑制東海原甲藻,取得了良好效果。何宗祥等[85]研究得出輪葉狐尾藻與微生物聯(lián)用時(shí)對(duì)銅綠微囊藻的抑制作用強(qiáng)于單獨(dú)使用輪葉狐尾藻和微生物,并推測(cè)輪葉狐尾藻與微生物相互作用后釋放的化感物質(zhì)能夠更持久、高效地抑制銅綠微囊藻的生長(zhǎng)。該研究可為生物防治藍(lán)藻水華提供新的思路與策略。

2.4 微生物間的復(fù)合聯(lián)用

有學(xué)者指出不同微生物聯(lián)用也可有效提高除藻效率[86-87]。如廖春麗等[88]得出腸桿菌NP23、腸桿菌P25和赤霉菌等溶藻菌復(fù)合聯(lián)用對(duì)小球藻、柵藻、惠氏微囊藻的溶藻效果更佳。此外,也有報(bào)道使用微生物分泌的化感物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合聯(lián)用來(lái)抑藻。如崔晗等[89]選定微生物釋放的螺旋霉素和阿莫西林兩種抗生素,研究混合抗生素對(duì)微囊藻的效果及作用機(jī)理,取得了良好的效果。因此,該領(lǐng)域今后的研究可通過(guò)篩選并組合復(fù)合菌群,制備具有特異性的復(fù)合溶藻菌劑。

2.5 微生物與功能材料間的復(fù)合聯(lián)用

為了提升抑藻性能,有研究人員嘗試將溶藻菌固定到功能材料上。如毛林強(qiáng)等[90]使用蔗糖作為溶藻菌的保護(hù)劑,以小麥粉為載體,有效提升了溶藻菌的存活率和溶藻率。栗暢等[91]研究證實(shí),從富營(yíng)養(yǎng)湖泊底泥分離純化出的溶藻菌,其直接抑藻效果遠(yuǎn)不及溶藻菌與聚合氯化鋁為載體制備的溶藻菌菌劑。唐晨等[92]將放線菌ANO2菌液和高嶺土混合后制成一種新的溶藻菌劑,有效提升了菌劑的抑藻性能和作用時(shí)長(zhǎng)。SUN等[93]將溶藻細(xì)菌水生產(chǎn)堿桿菌F8固定在添加有小麥麩的海藻酸鈉微球中作用于銅綠微囊藻,結(jié)果表明固定化菌劑的溶藻率明顯提升。

3 展 望

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有復(fù)合抑藻技術(shù)的分析和評(píng)述,可以得出化感物質(zhì)間的復(fù)配可有效提升化感物質(zhì)的抑藻性能,復(fù)合聯(lián)用是化感抑藻技術(shù)不斷進(jìn)步和實(shí)現(xiàn)革命性躍遷的重要突破口之一。復(fù)合抑藻技術(shù)面臨著良好的發(fā)展機(jī)遇,但同時(shí)也存在著許多具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題。未來(lái)可以從以下幾方面開(kāi)展進(jìn)一步研究:

(1) 現(xiàn)有研究多聚焦于同類(lèi)單體化感物質(zhì)間的復(fù)配,對(duì)于不同類(lèi)型化感物質(zhì)間的復(fù)合聯(lián)用研究較少。因此,未來(lái)可以更多地探索不同類(lèi)型化感物質(zhì)間的復(fù)合抑藻效果。

(2) 多種化感物質(zhì)復(fù)合聯(lián)用作用于藻類(lèi)時(shí),其作用機(jī)制比單一種類(lèi)化感物質(zhì)更為復(fù)雜,化感物質(zhì)的組分、不同組分間的配比等均會(huì)影響聯(lián)合作用效果。因此,可以考慮使用數(shù)學(xué)建模思維來(lái)更精準(zhǔn)地確定投放化感物質(zhì)的組分及投加量,不僅可以提高效率,還可以節(jié)約成本。

(3) 為解決天然源化感物質(zhì)易氧化分解、有效作用時(shí)間短、局部水域濃度高以及水體非靶向生物受影響等問(wèn)題,可以考慮制備具有緩釋功能的化感物質(zhì)緩釋球來(lái)持續(xù)地維持化感物質(zhì)的釋放,以期用更加高效、綠色、環(huán)保的方式抑制藻華。

(4) 為研制穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好型復(fù)合抑制劑,要綜合考慮抑藻劑的成本及投加方式等。

(5) 在向水體中投加抑藻劑時(shí),化感物質(zhì)是否會(huì)對(duì)非靶向生物或施用水域產(chǎn)生不利影響是新型抑藻劑能否推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。因此,實(shí)際應(yīng)用前需對(duì)復(fù)合抑藻劑進(jìn)行系統(tǒng)的生態(tài)安全性實(shí)驗(yàn)。

(6) 今后復(fù)合抑藻劑的復(fù)配思路可以從不同作用靶位化感物質(zhì)間的復(fù)合聯(lián)用、不同起效時(shí)間化感物質(zhì)間的復(fù)合聯(lián)用、不同成本間化感物質(zhì)的復(fù)合聯(lián)用等方面入手。