氯离子浓度与电流密度对电解抑制铜绿微囊藻生长的影响

冯 璁，林 莉，李青云

(长江科学院a.流域水环境研究所;b.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

湖泊作为地球表层系统的重要地理单元，是水、土、气各自然要素和人类活动相互作用的交汇区，具有很高的生态系统服务价值［1］。然而近年来，工农业的发展和人口增长的压力使自然湖泊生源要素的循环规律遭到了极大的改变，生态系统的结构和功能退化，水华频繁爆发，水质性缺水日趋严重［2］。保护湖泊、治理水华藻类已经成为全球关注的重点。

电化学法能够通过电解产生活性物质达到持续抑藻的效果［3］，并且对水体中的其它组分和水生生物影响不大，不会造成二次污染［4－5］，是一种清洁高效的藻类治理手段。笔者在试验中采用耐腐蚀并有利于析氯［6－7］的钌钛电极做阳极对铜绿微囊藻进行电解，发现微电流电解对铜绿微囊藻具有良好的杀灭和持续抑制效果［8］。研究发现，电解主要是通过电极的直接氧化作用［9－10］和电解产生活性物质的间接氧化作用［11］来杀灭藻细胞的。然而，目前电解除藻机理方面的研究还不够深入，电解产生活性物质的产量及其灭藻效能研究不足，导致微电流电解治理藻类的实际应用受到阻碍。

微电流电解产生的活性物质主要包括活性氧(过氧化物、含氧自由基)、活性氯［12］(氯气、次氯酸、次氯酸根)。其中活性氧的来源复杂、存在时间短且难以测定，不宜通过改变试验条件来控制其生成量［10，13］;而活性氯的存在时间较长并且与 Cl－浓度和电流密度的大小有着极为密切的关系［14－16］，电解产量相对来说较好控制。

本文拟在前人研究的基础上，以电解产生的活性氯为主要研究对象，探究Cl－浓度及电流密度对微电流电解抑制铜绿微囊藻生长的影响，为深入研究微电流电解的持续抑藻机理提供基础。

2 材料与方法

2.1 试验装置

试验装置为体积100 mL的烧杯，采用板状电极，以钌钛和不锈钢分别作为阳极和阴极材料，电极有效工作尺寸为2.5 cm×5.5 cm，极板间距4 cm。所采用的极水比(即阳极工作面积与藻液体积之比)约为0.14。电解过程中采用磁力搅拌器对藻液进行匀速搅拌;采用直流稳压电源(30V/5A)供电;通过调节直流稳压电源使电化学反应在一定电流密度下进行;室温控制在25℃左右;试验所用的玻璃容器使用前均经过高压灭菌处理。所有试验重复3次。

2.2 试验材料

试验所用的铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)购自中国科学院水生生物研究所，编号为FACHB－905。藻液采用BG－11培养基［17］，在光照培养箱中培养，培养条件:25℃，光照强度2 000 lx，光暗比14 h∶10 h。将铜绿微囊藻培养至对数生长期后开始试验。BG－11培养基的成分见表1。

表1 BG－11培养基配方Table 1 Ingredients of BG－11 medium

2.3 试验方法

2.3.1 Cl－浓度对微电流电解抑藻的影响

对照组1:采用BG－11培养基(Cl－浓度为18 mg/L)配制藻细胞密度为5×105个/mL的铜绿微囊藻藻液。

对照组2:采用无氯培养基(使用等摩尔量的Ca(NO3)2·4H2O代替原BG－11培养基中的CaCl2·2H2O)配制藻细胞密度为5×105个/mL的铜绿微囊藻藻液。

电解组:配置 4 种不同 Cl－浓度(0，6，12，18 mg/L)的铜绿微囊藻藻液，藻液的初始细胞密度均为5×105个/mL。每种Cl－浓度的藻液各取100 mL于烧杯中进行电解，电流密度为10 mA/cm2，电解时间为15 min，将电解后的藻样依次标记为Cl－-0 mg/L电解组、Cl－-6 mg/L电解组、Cl－-12 mg/L电解组、Cl－-18 mg/L 电解组。

2.3.2 电流密度对微电流电解抑藻的影响

对照组:取BG－11培养基(Cl－浓度18 mg/L)90 mL，直接加入10 mL细胞密度为5×106个/mL的铜绿微囊藻液配置得到藻细胞密度为5×105个/mL的藻样。

10 mA/cm2电解组:取BG－11培养基(Cl－浓度为18 mg/L)90 mL进行电解，电流密度10 mA/cm2，电解时间15 min，电解结束后迅速加入10 mL细胞密度为5×106个/mL的铜绿微囊藻液进行混合。

20 mA/cm2电解组:取BG－11培养基(Cl－浓度为18 mg/L)90 mL进行电解，电流密度20 mA/cm2，电解时间15 min，电解结束后迅速加入10 mL细胞密度为5×106个/mL的铜绿微囊藻液进行混合。

2.4 取样和分析方法

处理完毕后，将藻样放置30 min使之恢复室温再进行取样分析，以排除藻液受到温度胁迫导致参数值发生变化的可能性，并让电解产生的活性物质与藻充分作用，将测定结果标记为第0天的结果。再将电解组和对照组的藻液转入已灭菌的100 mL三角瓶中，放入光照培养箱中培养，分别对培养至第0，2，4，6，8 天的藻液进行取样，取样后测定藻液的光密度值OD680和叶绿素荧光动力学参数(Fv/Fm，Y(Ⅱ)，Y(NO))。

对于活性铜绿微囊藻而言，光密度值OD680与细胞密度有良好的线性关系，可以间接表示水中藻细胞的生物量［8，18］。而叶绿素荧光动力学技术则是藻液光合作用的有效探针［19］:Fv/Fm反映了藻细胞潜在的最大光合能力;Y(Ⅱ)是光适应下的光系统Ⅱ的实际量子产量，反映光系统Ⅱ线性电子传递效率;Y(NO)是光系统Ⅱ非调节性能量耗散的量子产量，同时也是光损伤的重要指标［20］。以上4个参数能比较完整地揭示藻细胞的生长状况和光合活性，在藻细胞遭遇外界胁迫而受到损伤时会剧烈变化:OD680的增长速率受到限制;Fv/Fm与Y(Ⅱ)的值会迅速降低;Y(NO)则与前三者相反，它的升高表明藻类受到了损伤。而当藻细胞彻底死亡后，OD680的数值会逐渐下降;Fv/Fm与Y(Ⅱ)则会直接降至0;Y(NO)会升高至1。

藻样的光密度值OD680采用紫外可见分光光度计(Lambda 25型)进行测定，叶绿素荧光动力学参数采用Multi-Color-PAM多激发波长调制叶绿素荧光仪进行测定。

3 结果与讨论

3.1 Cl－浓度对微电流电解抑藻效果的影响

本试验通过比较不同Cl－浓度下微电流电解抑藻效果的差异，考察活性氯对微电流电解抑藻的贡献，分析Cl－浓度对微电流电解抑制铜绿微囊藻生长的影响。不同Cl－浓度下电解抑藻的效果见图1。

如图1所示，对照组1和对照组2的叶绿素荧光值与OD680在培养过程中变化趋势一致，藻细胞均生长良好，说明在不电解的情况下藻液中Cl－浓度在0～18 mg/L范围内变化不会对铜绿微囊藻的生长造成影响。

从图1中可以看出:Cl－-18 mg/L电解组在第0天时，Fv/Fm与Y(Ⅱ)较对照组1分别下降约42.8%和70.5%，Y(NO)升高约22.9%;从培养的第 2 天开始，Fv/Fm 与 Y(Ⅱ)均降低至 0，Y(NO)则升高至 1，OD680的数值也逐渐下降，表明Cl－-18 mg/L电解组的藻液的生长受到完全抑制，藻细胞从第2天起彻底死亡。而 Cl－-0 mg/L 电解组的Fv/Fm，Y(Ⅱ)，Y(NO)仅在第0天(即电解刚结束)时与对照组1存在一定差距，但均在后期的培养中恢复至与对照组1基本相同，说明Cl－-0mg/L电解组藻细胞所受损伤在培养中被修复，藻液的生长未受太大影响。相关文献［14－16］也显示，当溶液中存在Cl－时，电解水溶液会有活性氯产生，所以2组藻样的主要差别在于Cl－-18 mg/L电解组有活性氯参与抑藻，而Cl－-0 mg/L电解组的抑藻过程则没有活性氯的参与。由此得知:含氯藻液电解生成的活性氯具有持续抑藻的能力，Cl－-18 mg/L电解组中活性氯的间接氧化和直接氧化的综合作用可以完全抑制藻细胞的生长;而除活性氯外的其它活性物质(活性氧)以及直接氧化作用对抑藻的贡献比较有限，单靠这些作用无法完全抑制藻细胞生长。可见，电解产生的活性氯对电解抑藻有着很大的贡献［21－22］，在整个电化学氧化灭藻过程中都起着重要的作用。

由图 1还可得知:Cl－-6 mg/L电解组与Cl－-0 mg/L电解组相比，第0天的各项参数与对照组1的差异更大，后期的恢复速率也稍慢，但总体变化趋势相似，即说明Cl－-6 mg/L电解组中的藻细胞比后者所受损伤更大，但此2电解组藻细胞所受损伤均能在培养中被修复，藻液的生长都未受明显影响;Cl－-12 mg/L电解组与 Cl－-18 mg/L电解组相比，电解刚结束后各项参数变化的剧烈程度稍弱，在后期培养中Fv/Fm与Y(Ⅱ)降至0和Y(NO)升高至1所需的时间也更长，但总体趋势相似，表明Cl－-12 mg/L电解组的藻细胞相对Cl－-18 mg/L电解组所受损伤稍小，但这2个电解组藻液的生长都受到了完全的抑制。据相关文献［14－16］报道，适当增加Cl－浓度有利于提高活性氯的电解产量，由此得知:在电流密度10 mA/cm2、电解时间15 min的条件下，Cl－浓度≤6 mg/L时生成的活性物质与直接氧化的综合作用尚不足以抑藻;但当Cl－浓度≥12 mg/L时，活性物质的间接氧化作用加上直接氧化作用即可实现对藻细胞生长的持续抑制。

此结果证明，当电流密度为10 mA/cm2、电解时间为15 min，而藻液Cl－浓度在0～18 mg/L范围内升高时，电解抑藻效率也随之提高。

图1 不同Cl－浓度下电解抑藻的效果Fig.1 Electrolytic inhibition of algae at different concentration of Cl－

3.2 电流密度对微电流电解抑藻的影响

改变电流密度会影响直接氧化作用的大小，本试验采用将培养基电解后再立即与藻液混合的方法排除掉直接氧化作用的干扰，并在此基础上考察了电流密度对微电流电解抑制铜绿微囊藻生长的影响。不同电流密度下间接氧化抑藻的效果如图2所示。

图2 不同电流密度下间接氧化抑藻的效果Fig.2 Inhibition of algae by indirect oxidation at different current density

从图2可以看出，20 mA/cm2电解组在第0天时，藻细胞的 Y(NO)较对照组升高了约17.7%，Fv/Fm与 Y(Ⅱ)较对照组分别下降了约90.9%和66.8%，变化幅度较大;从培养的第2天开始，藻细胞的Y(NO)就迅速升高至趋于1，而Fv/Fm与Y(Ⅱ)则降低至0，OD680的数值也呈逐渐下降的趋势，表明20 mA/cm2电解组藻细胞的生长受到完全的抑制，藻细胞从第2天起就彻底死亡，并且在后期培养中也没有恢复活性。而10 mA/cm2电解组在第0天时，藻细胞的Fv/Fm较对照组下降了约8.4%，Y(Ⅱ)下降约11.2%，Y(NO)上升约14.3%，变化幅度并不大，并且均在后期的培养中恢复到与对照组相同的水平，OD680的变化趋势也与对照组大致相同，在第8天时仅比对照组低了约2.5%，说明间接氧化的确对10 mA/cm2电解组的藻细胞造成了损伤，但该损伤可在后期培养中被修复，藻液的生长未受太大波及。

据文献报道［14－15］，其他条件一定时，适当增加电流密度有利于提高电解析氯量，从而增大溶液中活性氯的浓度。由此得知，当电流密度为10 mA/cm2时，微电流电解生成活性物质的间接氧化作用尚无法达到持续抑藻的目的，但当电流密度增加到20 mA/cm2时，由于析氯量的提高以及活性物质转化速率的加快，此时的间接氧化作用已能够完全抑制铜绿微囊藻细胞的生长。

上述结果证明:当电解时间为15 min、藻液中初始Cl－浓度为18 mg/L时，在0～20 mA/cm2范围内提高电流密度，微电流电解抑藻效率也会随之提高。

4 结论

本文通过分析电解前后铜绿微囊藻液的光密度与叶绿素荧光动力学参数变化，探究了Cl－浓度及电流密度对微电流电解抑制铜绿微囊藻生长的影响，为深入研究微电流电解持续抑藻的机理提供基础，主要结论如下。

(1)电解产生的活性氯对电解抑藻有很大的贡献:对初始细胞密度5×105个/mL、体积100 mL的铜绿微囊藻液而言，当藻液初始Cl－浓度为18 mg/L时，电解后藻细胞生长受到了完全的抑制;而对于无氯的藻液，电解后藻细胞生长未受明显影响。

(2)Cl－浓度对微电流电解抑藻有较大影响:当电流密度为10 mA/cm2，电解时间为15 min，而Cl－浓度在0～18 mg/L范围内时，随着Cl－浓度的增加微电流电解抑藻效率逐渐提高。并且当Cl－浓度≥12 mg/L时，微电流电解即可完全持续的抑制藻细胞的生长。

(3)电流密度对微电流电解抑藻有较大影响:当电解时间为15 min、藻液中初始 Cl－浓度为18 mg/L，而电流密度在0～20 mA/cm2范围内时，随着电流密度的增加电解抑藻效率提高。

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