可見光下亞微米Cu2O微球光催化去除銅綠微囊藻*

趙 遠 谷 娜# 李 恒 謝倩婷 吳云霞 秦會會

(1.河北科技大學理學院，河北 石家莊 050018；2.河北省藥用分子化學重點實驗室，河北 石家莊 050018；3.河北省藥物化工工程技術研究中心，河北 石家莊 050018)

從20世紀80年代以來，全國各地的湖泊出現了不同程度的水質富營養化問題[1]。湖泊富營養化的直接后果就是導致藍藻暴發，引發水華[2]，降低水資源利用效能，引起嚴重的生態破壞及巨大的經濟損失[3]。水華發生時，藻類物質浮在水體表面，形成浮渣，水體透明度下降，溶解氧降低，使整個水體生態平衡發生改變，對水生生物、人類健康、旅游業、沿岸的景觀產生威脅[4]。

近些年，光催化技術開始用于藍藻治理[5]1934，[6]，[7]457。光催化半導體金屬氧化物產生的·OH可以氧化藻細胞中的蛋白質、脂質和核酸，破壞藻細胞的胞囊，引起藻細胞解體[5]1937。Cu2O是一種重要的p型半導體材料，禁帶寬度約為2.0 eV，在可見光區的吸收系數較高[8]，能在可見光激發下催化降解有機物[9]，而目前使用Cu2O光催化降解藻類物質的研究還鮮有報道。

銅綠微囊藻在我國富營養化水體中占據一定優勢，是引起藍藻水華的特征藻種[10]。本研究以銅綠微囊藻為研究對象，采用溶劑熱法制備亞微米Cu2O微球，并研究該微球在可見光作用下去除銅綠微囊藻的性能，考察了其在可見光作用下去除藻細胞和藻細胞內含物的效果以及對藻類生長和藻細胞活性的影響。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

材料：銅綠微囊藻，購自中科院水生生物研究所，編號為FACHB-942；乙酸銅、乙二醇、無水乙醇、葡萄糖、氫氧化鈉、Cu2O、NaNO2、考馬斯亮藍、牛血清白蛋白、三氯乙酸、硫代巴比妥酸、抗壞血酸。實驗中使用的化學試劑均為分析純。

儀器：人工氣候箱(MGC-300H)、生物顯微鏡(DMS600)、紫外—可見分光光度計(TU-1810PC)、低速臺式離心機(TDZ5-WS)、高速冷凍離心機(GL-21M)、超凈工作臺(SW-CJ)、高壓滅菌鍋(YX-280A)、光化學反應儀、超聲波細胞粉碎機(Scientz-Ⅱ)、溶解氧檢測儀(美國HACH)、透射電子顯微鏡(TEM)(JEM-2100，日本JEOL)、X射線衍射(XRD)儀(SmartLab系列，日本Rigaku)、原子吸收光譜儀(AAS-100，美國Perkin Elmer)。

1.2 藻的培養及預處理

用BG-11培養基，在人工氣候箱中進行培養，溫度控制在(24±1) ℃，光照強度為2 000 lx，光暗比12 h∶12 h。實驗所用儀器和配制的液體培養基均經過120 ℃的高溫高壓滅菌。在超凈工作臺中接種銅綠微囊藻，然后置于人工氣候箱中培養。當銅綠微囊藻生長到對數期時，離心收取藻細胞，棄去上清液，再用去離子水配制成一定濃度的藻懸液(2.81×107個/mL)，此濃度高于水華發生時水體中的藻細胞濃度(4.78×106個/mL)[11-12]。

1.3 Cu2O的制備

Cu2O的制備參考ZHANG等[13]337的方法，并進行了改進，具體操作如下：取1.0 g乙酸銅，溶解于10 mL去離子水、20 mL乙二醇、50 mL無水乙醇的混合溶液中，水浴加熱至80 ℃，加入1.4 g氫氧化鈉繼續攪拌30 min，加入1.2 g葡萄糖反應3～4 min，冷卻至室溫，離心過濾，固體在70 ℃真空干燥5 h即得Cu2O。

1.4 除藻實驗

在50 mL藻懸液中加入不同量的Cu2O，在光化學反應儀(300 W，氙燈)中模擬可見光下的除藻實驗。放置燈管的冷阱外夾層填充2 mol/L的NaNO2溶液，以濾去波長<400 nm的紫外光，同時以未投加Cu2O的藻液作為空白對照。反應結束后，取樣進行藻生理指標的測定。在黑暗條件下，采用相同用量的藻液和Cu2O進行除藻實驗。每個處理設置3個平行。將反應后的藻液靜置30 min，于液面下3 cm取樣，測定葉綠素a濃度(采用乙醇萃取法[14])。

1.5 藻類的去除率計算方法

藻類的去除率以葉綠素a的去除率表征，計算如下[15]：

η=(1-c/c0)×100%

(1)

式中：η為葉綠素a的去除率，%；c0、c分別為實驗前和實驗后樣品的葉綠素a質量濃度，μg/L。

1.6 藻類生理指標測定方法

可溶性蛋白含量的測定采用考馬斯亮藍法，參考BRADFORD[16]采用的方法進行；丙二醛(MDA)的含量采用硫代巴比妥酸法，參考UCHIYAMA等[17]采用的方法進行；藻細胞的生長代謝活性以藻細胞的光合放氧速率和呼吸耗氧速率表示，采用改良后的黑白瓶法[7]458，[18]測定。

1.7 Cu2+濃度的測定

采用原子吸收法測定體系中Cu2+濃度。

2 結果與討論

2.1 亞微米Cu2O微球的微觀表征

圖1(a)為制備的亞微米Cu2O微球的XRD圖，其在29.7°、36.7°、42.7°、61.6°和73.9°出現5個衍射峰，分別歸屬于立方相Cu2O的(110)、(111)、(200)、(220)和(311)晶面衍射[13]338。該XRD圖中未出現Cu、CuO等的XRD特征峰，說明合成的Cu2O晶體很純[19]。采用Debye-Scherrer方程，根據(111)晶面衍射峰計算Cu2O納米粒子的平均粒徑為10 nm。

圖1(b)、圖1(c)、圖1(d)為制備的Cu2O的TEM圖及電子衍射圖。由圖1(b)可以看出，制備的亞微米Cu2O微球具有較均一的形態，尺寸分布在400～500 nm；由圖1(c)可以觀察到Cu2O的晶格條紋，晶格間距為0.26 nm，對應Cu2O(111)晶面[20]；圖1(c)還可看出，單個Cu2O納米粒子的粒徑為10 nm左右，說明亞微米Cu2O微球是由粒徑10 nm左右的Cu2O納米粒子聚集而成；圖1(d)可以看到，Cu2O有明顯的(110)、(111)、(200)、(220)和(311)晶面衍射條紋。

2.2 Cu2O去除銅綠微囊藻的性能

2.2.1 藻類的去除率

葉綠素a的變化是表征除藻效果的重要參數。圖2為在可見光及黑暗條件下加入不同量的Cu2O作用3 h后銅綠微囊藻的葉綠素a去除率。由圖2可以看出，未添加Cu2O時，可見光照射3 h和黑暗條件下放置3 h，銅綠微囊藻的葉綠素a去除率為5.2%和1.3%，說明短時間可見光照射或黑暗條件下放置對銅綠微囊藻的影響較小。當銅綠微囊藻中加入Cu2O時，在黑暗條件下，葉綠素a去除率隨Cu2O加入量的增加而增加，當Cu2O加入量達到0.5 g/L時，葉綠素a去除率為49.3%。在黑暗條件下，加入Cu2O后，銅綠微囊藻葉綠素a的降低可能是由于亞微米Cu2O微球對銅綠微囊藻細胞的吸附絮凝作用產生的，也可能是由于Cu2O溶解釋放Cu2+[21]對藻細胞生長活性產生影響[22]。在可見光下，葉綠素a去除率隨Cu2O加入量的增加而增加，高于黑暗條件下的去除率，當Cu2O加入量達到0.4 g/L時，葉綠素a去除率為80.4%，說明在可見光作用下，Cu2O受到激發，產生光催化降解藻細胞的作用；當Cu2O加入量達到0.5 g/L時，葉綠素a去除率反而有所下降，這可能是由于催化劑用量過大會影響光催化反應時催化劑吸收光的能力，進而影響光催化反應的效率。

圖1 Cu2O的XRD圖和TEM圖Fig.1 XRD pattern and TEM images of Cu2O

圖2 銅綠微囊藻的葉綠素a去除率Fig.2 Chlorophyll a removal rate of Microcystis aeruginosa

2.2.2 可溶性蛋白

圖3為在可見光及黑暗條件下加入不同量的Cu2O作用3 h后銅綠微囊藻藻液的可溶性蛋白含量的變化。在可見光和黑暗條件下，與初始藻液的可溶性蛋白(120.2 mg/L)相比，不添加Cu2O時，可溶性蛋白含量變化不大，說明短時間可見光照射或黑暗放置對銅綠微囊藻影響不大。在黑暗條件下，加入不同量的Cu2O時，銅綠微囊藻的可溶性蛋白含量緩慢下降，說明在黑暗條件下，Cu2O對藻細胞的活性有一定影響，這可能是由于Cu2O溶解產生的少量Cu2+具有殺藻作用造成的。在可見光下，加入Cu2O后，銅綠微囊藻藻液的可溶性蛋白含量大幅下降，說明Cu2O的光催化作用可以降解藻細胞內含物。并且可見光下加入Cu2O后的可溶性蛋白含量低于黑暗條件下加入等量Cu2O時的可溶性蛋白含量，說明Cu2O的光催化產生了更強的抑藻作用。另外，由圖3還可以看出，隨Cu2O加入量的增加，可溶性蛋白含量減少，加入量為0.4 g/L時，可溶性蛋白含量最低，這種變化與葉綠素a去除率變化規律一致。因此，后續實驗研究銅綠微囊藻的其他生長指標時，Cu2O加入量均為0.4 g/L。

圖3 銅綠微囊藻的可溶性蛋白變化Fig.3 Concentration variation of total soluble protein in Microcystis aeruginosa

2.2.3 細胞膜脂質過氧化

MDA是不飽和脂肪酸過氧化產物之一，其濃度可用作藻細胞膜脂質過氧化指標，體系中MDA濃度增加，說明藻細胞膜受到破壞。圖4為可見光和黑暗條件下添加0.4 g/LCu2O不同時間后藻液中MDA濃度變化。由圖4可以看出，在可見光下，隨光催化反應時間的增加，MDA濃度不斷增加；當反應進行到2 h時，MDA濃度達到最大值；當反應時間超過2 h以后，銅綠微囊藻MDA濃度下降。這主要是因為隨反應時間的延長，藻細胞膜破壞釋放出來的MDA繼續被Cu2O光催化作用產生的活性自由基氧化，導致MDA濃度減少。在黑暗條件下，隨著反應時間延長，MDA濃度逐漸增加，說明Cu2O本身對銅綠微囊藻細胞的細胞膜有一定破壞作用，但MDA濃度低于可見光下的MDA濃度，說明在光輔助下Cu2O對藻細胞膜的破壞作用較強，Cu2O的光催化作用促進了藻細胞的深度降解。

圖4 銅綠微囊藻MDA變化Fig.4 MDA variation of Microcystis aeruginosa

2.2.4 藻細胞的光合放氧速率和呼吸耗氧速率

表1為實驗中銅綠微囊藻的光合放氧速率和呼吸耗氧速率。由表1可知，經過0.4 g/L Cu2O光催化處理3 h后，銅綠微囊藻的光合放氧速率和呼吸耗氧速率遠低于未加入光催化劑時的對照組，說明Cu2O光催化處理后，銅綠微囊藻光合作用能力和代謝活性降低，銅綠微囊藻的生長受到抑制。

表1 光合放氧速率和呼吸耗氧速率

2.2.5 藻細胞形態

圖5為處理前后銅綠微囊藻的細胞形態。由圖5(a)可以看出，銅綠微囊藻細胞呈現球形；由圖5(b)可以看出，部分藻體細胞發生變形，不再是球形，說明Cu2O的光催化作用破壞了藻細胞的形態。

2.2.6 Cu2+濃度

上述分析表明，Cu2O在黑暗條件下具有一定去除銅綠微囊藻的作用，這可能是Cu2O部分溶解產生Cu2+，因此本研究測定了在黑暗條件下銅綠微囊藻藻液中剛加入Cu2O后及作用3 h后體系中Cu2+濃度，如圖6(a)所示。由圖6(a)可知，在黑暗條件下加入Cu2O后，體系中Cu2+濃度隨Cu2O加入量增加而增加，當Cu2O質量濃度為0.5 g/L時，Cu2+質量濃度為0.373 mg/L，說明確實有少量的Cu2O溶解產生Cu2+，因此在黑暗條件下，Cu2O也會產生一定抑藻作用。體系中加入Cu2O 3 h后，Cu2O的質量濃度為0.5 g/L時，體系中殘留Cu2+質量濃度為0.092 mg/L，低于《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)總銅限值(0.5 mg/L)，因此使用Cu2O除藻相對安全。圖6(b)為0.5 g/LCu2O水溶液中24 h內Cu2+濃度隨時間的變化。由圖6(b)可以看出，加入0.5 g/LCu2O的水體中Cu2+質量濃度在0.4 mg/L以下，低于GB 8978—1996中總銅限值，因此使用Cu2O去除水體中藻類不會引起Cu2+的殘留問題。

圖5 銅綠微囊藻細胞形態Fig.5 Morphology of Microcystis aeruginosa

圖6 加入Cu2O后Cu2+質量濃度Fig.6 Concentration of Cu2+ after adding Cu2O

圖7 Cu2O的循環使用Fig.7 Recycle of Cu2O

2.2.7 Cu2O的穩定性

將Cu2O從藻液中分離出來，用去離子水洗滌干燥后，再次進行可見光下的去除銅綠微囊藻的實驗，葉綠素a去除率如圖7(a)所示。由圖7(a)可以看出，經過3次循環使用，銅綠微囊藻的葉綠素a去除率僅有少量降低。圖7(b)為經過3次循環使用后Cu2O的XRD圖，圖中Cu2O的(110)、(111)、(200)、(220)和(311)衍射峰仍然存在，說明亞微米Cu2O微球具有很好的穩定性。

3 結 論

(1) 采用溶劑熱法制備了由10 nm左右的納米Cu2O顆粒聚集成的直徑在400～500 nm的亞微米Cu2O微球。

(2) 亞微米Cu2O微球在可見光下具有較好的光催化降解銅綠微囊藻的效果，當Cu2O加入量為0.4 g/L時，3 h后葉綠素a去除率可達80.4%。

(3) 亞微米Cu2O微球的光催化作用可以破壞藻細胞膜，深度降解藻細胞內含物，降低藻細胞的代謝活性，阻止銅綠微囊藻的生長。

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