基于化感原理的復合抑藻劑研究進展*

焦崗偉 趙倩名 何培民,2 何文輝,2 邵 留,2#

(1.上海海洋大學海洋生態與環境學院,上海 201306;2.上海海洋大學水域環境生態上海高校工程研究中心,上海 201306)

人類活動的影響致使水體富營養化程度不斷加劇,世界范圍內的藍藻水華事件頻發。藍藻水華不僅影響水域生態景觀,還會產生藻毒素,導致更嚴重的生態環境和健康問題[1-3]。當前,已發展了多種基于物理、化學及生物原理的藍藻水華防治技術,并取得了良好的效果[4]。然而化學除藻技術不可避免地會使用一些化學藥劑,從而引發二次環境污染問題,而物理技術和傳統的生物技術或是成本較高,或是見效時間長、難度大,阻礙了技術的進一步推廣應用[5-6]。

目前,有效且安全的控藻抑藻技術研發是藍藻水華防治的熱點及前沿問題,環境友好型的防治新技術日益引起關注。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,被認為是一種有很好發展前景的新型抑藻技術[7-8]。為進一步提升化感物質的抑藻效應,不少研究者開始探究復合化感抑藻技術的研發[9-10]。復合化感抑藻技術是以化感物質為基礎,將抑藻化感物質與其他化感物質、抑藻菌或化學試劑等以不同方式組合后進行復合聯用的新型防治技術。復合化感抑藻技術可以協同發揮不同組分的優點,通過對不同物質間的合理搭配使之更高效、安全、經濟地用于藍藻水華的控制。

在總結當前研究的基礎上,從復合抑藻劑活性物質的來源、復合抑藻劑的組成類型及復合抑藻劑的效應等角度對當前的復合抑藻劑研究進展進行了梳理總結,并對其今后的發展方向及應用前景進行展望,以期為復合抑藻劑的推廣和應用提供參考。

1 復合抑藻劑化感物質的來源

抑藻化感物質廣泛分布于植物、藻類及細菌中。復合抑藻劑中化感物質的來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

抑藻化感物質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主要有酚酸類、脂肪酸類及生物堿等。如HE等[11]研究了穗花狐尾藻對銅綠微囊藻生長的影響,發現酚酸類化合物在其釋放的化感物質中含量最高,此外還有多種脂肪酸類化感物質。最近的研究表明,生物堿類物質對藻生長的抑制效果、作用時效、最大抑制率等方面均優于酚酸類、脂肪酸和酯類化感物質[12]。浮水植物如荇菜[13]、睡蓮[14]、水罌粟[15]和大薸[16]等同樣可以通過釋放脂肪酸、萜類等化感物質抑制藻類的生長。在挺水植物中,富含抑藻活性物質的植物也有很多,如菖蒲、蘆葦、蘆竹、梭魚草等。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銅綠微囊藻有較強抑制作用的2-甲基乙酰乙酸乙酯。表1總結了近年報道的對藻類生長有明顯抑制作用的水生植物源化感物質。

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

1.2 陸生植物源化感物質

有專家提出,相比水生植物源化感物質,陸生植物源化感物質對藻的抑制效果可能更好[28]。因此,生物量更大的、次生代謝產物更為豐富的陸生植物近些年來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主要集中在草本植物。草本植物中,多數的禾本科、菊科、百合科植物提取物對藻類均表現出抑制效果[29]。如鄧繼選等[30]從大麥秸稈提取物中分離出對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銅綠微囊藻有顯著抑制效果的化感物質。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]研究發現,銀杏葉提取物中的槲皮素、山奈酚、木犀草素和兒茶素對藻細胞的生長和光合活性均有明顯的抑制作用。表2總結了近年報道的對藻類生長有明顯抑制作用的陸生植物源化感物質。

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

1.3 藻源化感物質

藻間化感作用這一概念最早在1994年被INDERJIT等[48]提出,指的是某一種藻類分泌的生化物質能影響(促進或抑制)其他藻類的生長。研究者發現甲藻、硅藻均能產生多種化感物質抑制其他藻類的生長,綠藻和藍藻也不例外[49-52]。如宋昊[53]、QIAN等[54]及WANG等[55]得出類似結論,即銅綠微囊藻能釋放亞油酸來抑制普通小球藻、蛋白核小球藻及小環藻的生長。SUKENIK等[56]證實多甲藻的生長也會受到微囊藻所分泌的化感物質的抑制。LEO等[57]研究發現,顫藻可釋放抑制小球藻的環肽。SHAO等[58]實驗證實銅綠微囊藻的生長能被布氏常絲藻產生的酮類化感物質所抑制。從已報道的研究成果來看,藻類所產生的化感物質具有生態友好性、易氧化降解和低劑量等特點,這為利用藻類分泌的化感物質進行抑藻提供了新的思路和實際應用的可能性。

1.4 微生物源化感物質

微生物抑藻同樣是控制藻類暴發的重要方法之一。溶藻微生物主要通過兩種方式進行溶藻:一是直接溶藻,即通過藻菌直接接觸或進一步侵入藻細胞內進行溶藻;二是間接溶藻,即通過分泌多肽、酶、蛋白質、抗生素、氨基酸等胞外活性物質來溶解藻體細胞[59-60]。目前國內外針對溶藻微生物已經有眾多研究,一些溶藻細菌及其分泌的溶藻物質和溶藻方式被陸續報道。如KO等[61]研究發現,假單胞菌能分泌二酮哌嗪和環(甘氨酰-L-丙氨酰)兩種抑藻活性物質,其中后者在短時間內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Ⅱ最大光化學量子產量(Fv/Fm),導致其膜解體;ZHANG等[62]研究證實霍氏腸桿菌F2通過分泌靈菌紅素抑制銅綠微囊藻的生長。遺憾的是大多數溶藻微生物研究仍處于初級實驗室探索階段,今后可從溶藻菌的制備成本、保存條件及生態安全等方面進一步開展研究。部分溶藻細菌及其分泌的溶藻活性物質和溶藻方式見表3。

表3 溶藻細菌源化感物質和溶藻方式Table 3 Allelochemicals from algicidal bacteria and algicidal mode

2 復合抑藻劑的組成類型

復合抑藻劑的組成類型主要包括植物源化感物質間的復合聯用、植物源化感物質與化學試劑間的復合聯用、植物源化感物質與抑藻微生物間的復合聯用、抑藻微生物間的復合聯用及抑藻微生物與功能材料間的復合聯用。

2.1 植物源化感物質間的復合聯用

大量研究結果表明,不同植物源化感物質間的聯用可有效提升抑藻效果,且其抑藻效應隨著混合維數增強而增強[68]765。值得注意的是,并不是所有的化感物質復合聯用都會使抑藻效果更好。如張楠等[69]研究了棕橺酸、琥珀酸、乙酸丁酯對蛋白核小球藻的復合聯用效應,結果表明乙酸丁酯分別與棕橺酸、琥珀酸混合聯用,均表現出拮抗效應。高云霓等[68]765研究得出,咖啡酸與原兒茶酸聯用也會產生拮抗效應。胡陽[70]41指出,沒食子酸與對羥基苯甲酸聯合抑藻也會產生拮抗效應。因此,在進行化感物質復合聯用時,還需要在組分篩選上進行優化和進一步的實驗探究。表4總結了部分植物源化感物質復合聯用抑藻相關研究。

表4 植物源化感物質復合聯用抑藻Table 4 Combined algal inhibition effects of allelochemicals from plants

2.2 植物源化感物質與化學藥劑間的復合聯用

化學藥劑存在一些固有缺點,導致關于植物化感物質與化學藥劑進行聯合抑藻的報道偏少。胡陽[70]35使用殼聚糖季銨鹽復合河沙先將有害藻類絮凝沉降,然后再在懸濁液中加入化感物質來抑制新藻的生長,取得了較好效果。王紅強等[83]將化感物質 (N-苯基-1-萘胺和N-苯基-2-萘胺) 與殼聚糖及粉煤灰混合,制備的復合除藻劑除藻率可達99%。這類復合除藻技術由于化感物質濃度、使用過程技術處理、外界條件都會在一定程度上影響作用效果,還需要在此方法的機制上以及生態安全性上進一步開展研究。

2.3 植物源化感物質與抑藻微生物間的復合聯用

有關植物化感物質與抑藻微生物聯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相互促進分泌化感物質實現抑藻。潘耀茹[84]使用4種常見農作物秸稈(青稞秸稈、小麥秸稈、油菜秸稈和玉米秸稈)與具有強大木質素降解能力的白腐真菌進行復合使用來抑制東海原甲藻,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用時對銅綠微囊藻的抑制作用強于單獨使用輪葉狐尾藻和微生物,并推測輪葉狐尾藻與微生物相互作用后釋放的化感物質能夠更持久、高效地抑制銅綠微囊藻的生長。該研究可為生物防治藍藻水華提供新的思路與策略。

2.4 微生物間的復合聯用

有學者指出不同微生物聯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合聯用對小球藻、柵藻、惠氏微囊藻的溶藻效果更佳。此外,也有報道使用微生物分泌的化感物質進行復合聯用來抑藻。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,研究混合抗生素對微囊藻的效果及作用機理,取得了良好的效果。因此,該領域今后的研究可通過篩選并組合復合菌群,制備具有特異性的復合溶藻菌劑。

2.5 微生物與功能材料間的復合聯用

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。如毛林強等[90]使用蔗糖作為溶藻菌的保護劑,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,從富營養湖泊底泥分離純化出的溶藻菌,其直接抑藻效果遠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長。SUN等[93]將溶藻細菌水生產堿桿菌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,結果表明固定化菌劑的溶藻率明顯提升。

3 展 望

通過對現有復合抑藻技術的分析和評述,可以得出化感物質間的復配可有效提升化感物質的抑藻性能,復合聯用是化感抑藻技術不斷進步和實現革命性躍遷的重要突破口之一。復合抑藻技術面臨著良好的發展機遇,但同時也存在著許多具有挑戰性的科學與技術問題。未來可以從以下幾方面開展進一步研究:

(1) 現有研究多聚焦于同類單體化感物質間的復配,對于不同類型化感物質間的復合聯用研究較少。因此,未來可以更多地探索不同類型化感物質間的復合抑藻效果。

(2) 多種化感物質復合聯用作用于藻類時,其作用機制比單一種類化感物質更為復雜,化感物質的組分、不同組分間的配比等均會影響聯合作用效果。因此,可以考慮使用數學建模思維來更精準地確定投放化感物質的組分及投加量,不僅可以提高效率,還可以節約成本。

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

(4) 為研制穩定、高效、經濟、環境友好型復合抑制劑,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,化感物質是否會對非靶向生物或施用水域產生不利影響是新型抑藻劑能否推廣應用的關鍵。因此,實際應用前需對復合抑藻劑進行系統的生態安全性實驗。

(6) 今后復合抑藻劑的復配思路可以從不同作用靶位化感物質間的復合聯用、不同起效時間化感物質間的復合聯用、不同成本間化感物質的復合聯用等方面入手。