資源化利用牡蠣殼粉去除銅綠微囊藻*

錢凱榮 張欣怡 陳斌斌 王 敏 賈 陽(yáng) 張 和 肖 鵬 李仁輝 馬增嶺 秦文莉

(溫州大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 溫州 325035)

水體富營(yíng)養(yǎng)化造成的藍(lán)藻水華問(wèn)題是世界環(huán)境工作者所面臨的共同難題。我國(guó)太湖、巢湖、滇池等大型湖泊每年都會(huì)發(fā)生藍(lán)藻水華。因此,藍(lán)藻水華成為了水網(wǎng)密集地區(qū)制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題[1-2]。

治理藍(lán)藻水華的方法有化學(xué)除藻法[3-4]、物理除藻法[5]和生物除藻法[6]412。化學(xué)除藻法主要依靠化學(xué)除藻劑[7],但過(guò)量的化學(xué)除藻劑進(jìn)入水中又會(huì)對(duì)水生生物造成風(fēng)險(xiǎn)[8]。物理除藻法通過(guò)人工或機(jī)械打撈將藻細(xì)胞與水體分離,對(duì)于大范圍的藍(lán)藻水華,治理成本過(guò)高[9]。植物的化感作用除藻是近些年的生物除藻研究熱點(diǎn),主要是通過(guò)植物釋放的分泌物阻止藻細(xì)胞生長(zhǎng)[6]413,但外源性化感物質(zhì)是否會(huì)對(duì)水生動(dòng)植物產(chǎn)生危害尚不確定。因此,探尋一種低成本且生態(tài)友好的藍(lán)藻水華治理方法仍是當(dāng)前需要研究的一個(gè)重要課題。

牡蠣屬于軟體動(dòng)物門、雙殼綱、珍珠貝目,是世界性分布物種[10],對(duì)海洋凈化起著至關(guān)重要的作用。牡蠣在世界海水養(yǎng)殖業(yè)中占有重要地位,目前產(chǎn)量最大的是中國(guó)。《2021中國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示,中國(guó)的牡蠣海水養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)到了523萬(wàn)t,其中占牡蠣總質(zhì)量2/3的牡蠣殼堆積成了新的污染源,所以如何將牡蠣殼資源化利用十分必要。牡蠣殼的物理結(jié)構(gòu)包括角質(zhì)層、棱柱層、珍珠層,主要的是棱柱層,呈葉片狀,含有大量2～10 μm的微孔[11],經(jīng)過(guò)煅燒后的牡蠣殼可以形成多孔結(jié)構(gòu),具有很好的吸附性能[12]。氮磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要驅(qū)動(dòng)因子。HUH等[13]發(fā)現(xiàn)有氧煅燒后的牡蠣殼可使水體總磷(TP)與總氮(TN)下降90%以上,并且含藻水體透明度得到提升。XING等[14]87發(fā)現(xiàn),Ca2+影響牡蠣殼細(xì)胞膜通透性,從而影響其對(duì)輪紋病菌和立枯絲核菌的抗菌性。牡蠣殼中除了含鈣物質(zhì)外,甲殼素也是牡蠣殼資源化利用的重要物質(zhì),因?yàn)榧讱に貙?duì)多種菌具有抑制作用[15]。甲殼素的衍生產(chǎn)物殼聚糖又常被用作絮凝材料的改性劑或輔助劑,可提升對(duì)藻類的去除效率[16]。ZOU等[17]將殼聚糖與粉煤灰制作成一種復(fù)合材料,對(duì)銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)的去除率達(dá)到98.5%。因此,含鈣和甲殼素的牡蠣殼可能是控藻的理想材料。

本研究首先對(duì)牡蠣殼粉進(jìn)行預(yù)處理,然后研究其控藻效果,并且探討牡蠣殼粉對(duì)銅綠微囊藻的控藻機(jī)制,旨在資源化利用牡蠣殼粉去除銅綠微囊藻,為水生態(tài)治理提供新的技術(shù)。

1 方 法

1.1 牡蠣殼粉的制備

收集浙江省寧波市象山港畔的牡蠣殼,用蒸餾水清洗3次,121 ℃滅菌30 min,60 ℃烘干至恒重,用微型粉碎機(jī)(FW100,功率460 W)研磨成粒徑60～300目的牡蠣殼粉。

1.2 銅綠微囊藻培養(yǎng)

銅綠微囊藻FACHB-905購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所,用BG11培養(yǎng)基在智能光照培養(yǎng)箱(PGX-600B)中以光暗比12 h∶12 h、溫度25 ℃、光量子通量密度40 μmol/(m2·s)培養(yǎng)。采用繼代培養(yǎng)的方式保持指數(shù)階段生長(zhǎng)。

1.3 牡蠣殼粉的預(yù)處理

將牡蠣殼粉在馬弗爐(YFX12/10Q-GC)中分別從室溫以2 ℃/min升溫至200、400、600、800、1 000 ℃進(jìn)行3 h的有氧煅燒與無(wú)氧煅燒后,冷卻,不同溫度下有氧煅燒組分別標(biāo)記為CO200、CO400、CO600、CO800、CO1000,無(wú)氧煅燒組分別標(biāo)記為CN200、CN400、CN600、CN800、CN1000。另外,將牡蠣殼粉放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的鹽酸中浸泡24 h,再進(jìn)行無(wú)氧煅燒,得到酸處理無(wú)氧煅燒組,分別標(biāo)記為CAN200、CAN400、CAN600、CAN800、CAN1000;將100 g牡蠣殼粉放于500 mL錐形瓶中,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的氫氧化鈉溶液250 mL,25 ℃恒溫水浴攪拌(250 r/min)12 h,過(guò)濾干燥,再加入到300 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的鹽酸中攪拌(250 r/min)6 h,抽濾干燥,加入至150 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的氫氧化鈉溶液中,并加入50 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%的乙醇,25 ℃水浴攪拌(250 r/min)2 h,冷卻離心洗滌干燥,無(wú)氧煅燒,得到脫乙酰處理無(wú)氧煅燒組,分別標(biāo)記為CHN200、CHN400、CHN600、CHN800、CHN1000。未經(jīng)任何預(yù)處理的牡蠣殼粉標(biāo)記為C0。所有牡蠣殼粉放置于干燥環(huán)境中密封保存。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在經(jīng)過(guò)高壓滅菌鍋滅菌的1 L錐形瓶中加入500 mL銅綠微囊藻藻液,初始藻密度為1×106個(gè)/mL,分別加入0、0.25、0.50、1.00、2.00 g/L不同預(yù)處理的牡蠣殼粉,每組均做3個(gè)重復(fù),每天用血球計(jì)數(shù)板在顯微鏡(DS-Ri2,Nikon)下觀測(cè)藻密度,并計(jì)算抑制率[18]。取1 d內(nèi)可達(dá)100.00%抑制率的牡蠣殼粉進(jìn)行抑藻速率測(cè)定。

選擇控藻效果較好的牡蠣殼粉,將其通過(guò)300、160、100目的不銹鋼篩后,用量定為0.25 g/L再進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn),同時(shí)每日測(cè)量藻液pH,考察不同粒徑牡蠣殼粉對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同預(yù)處理的牡蠣殼粉對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響

未經(jīng)任何預(yù)處理的牡蠣殼粉對(duì)銅綠微囊藻的抑制效果較差。有氧煅燒的牡蠣殼粉隨著煅燒溫度升高,對(duì)銅綠微囊藻的抑制效果增強(qiáng),800 ℃為有氧煅燒牡蠣殼粉的控藻效果轉(zhuǎn)折點(diǎn),用量只要0.25 g/L第1天的抑制率即可達(dá)到91.11%,第7天升至99.46%。而1 000 ℃煅燒后用量0.25 g/L的條件下第3天抑制率就可達(dá)到100.00%。

與有氧煅燒的牡蠣殼粉類似,800 ℃也是無(wú)氧煅燒牡蠣殼粉的控藻效果轉(zhuǎn)折點(diǎn),但與有氧煅燒的牡蠣殼粉相比,無(wú)氧煅燒的牡蠣殼粉對(duì)銅綠微囊藻的抑制能力有所下降,相同煅燒溫度下,無(wú)氧煅燒的牡蠣殼粉需要更大的用量才能達(dá)到與有氧煅燒的牡蠣殼粉相近的抑制率。YONG等[19]發(fā)現(xiàn),牡蠣殼粉在約800 ℃煅燒條件下,活性較低的CaCO3會(huì)轉(zhuǎn)化為活性較高的CaO。CaO溶于水產(chǎn)生Ca2+,Ca2+通過(guò)靜電作用吸附于藻細(xì)胞表面,改變?cè)寮?xì)胞膜內(nèi)外滲透壓,從而抑制細(xì)胞生長(zhǎng)[14]89。這可能就是800 ℃為有效抑藻的煅燒溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)的原因。

相同溫度煅燒后,之所以無(wú)氧煅燒的牡蠣殼粉所需用量比有氧煅燒多,一方面是因?yàn)闊o(wú)氧煅燒還留有牡蠣殼粉中的有機(jī)質(zhì)成分,降低了CaO含量[20];另一方面是因?yàn)槟迪牃し壑械挠袡C(jī)質(zhì)成分含有丙氨酸、精氨酸和亮氨酸[21],而這些氨基酸是銅綠微囊藻生長(zhǎng)能夠吸收的氮源[22],因此反而起到促進(jìn)了銅綠微囊藻生長(zhǎng)的作用。

綜上,煅燒可以提高牡蠣殼粉的抑藻效果,煅燒產(chǎn)生CaO是抑制銅綠微囊藻生長(zhǎng)的主要因素,有氧煅燒的效果更好,溫度1 000 ℃、用量0.25 g/L處理3 d銅綠微囊藻抑制率可以達(dá)到100.00%。

脫乙酰處理無(wú)氧煅燒的牡蠣殼粉對(duì)銅綠微囊藻的抑制率整體表現(xiàn)出隨著煅燒溫度升高,抑制率下降的趨勢(shì),而且CHN1000放入水中,會(huì)使水體嚴(yán)重著色,無(wú)法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。酸處理無(wú)氧煅燒的牡蠣殼粉與脫乙酰處理無(wú)氧煅燒的牡蠣殼粉類似,也表現(xiàn)出隨煅燒溫度升高,對(duì)銅綠微囊藻的抑制率呈下降趨勢(shì)。不過(guò),整體上脫乙酰處理無(wú)氧煅燒的牡蠣殼粉的抑藻效果略優(yōu)于酸處理無(wú)氧煅燒的牡蠣殼粉,這可能與甲殼素是否脫乙酰有關(guān)。殼聚糖是甲殼素的脫乙酰產(chǎn)物,而殼聚糖的高抑藻率早已得到證實(shí)[23],原因是殼聚糖分子中含有大量氨基,所以具有很好的溶解性和化學(xué)活性[24]。LIU等[25]研究證實(shí),殼聚糖的氨基通過(guò)與細(xì)菌表面結(jié)合而抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。吳小勇等[26]解釋,殼聚糖堆積在細(xì)菌細(xì)胞表面,影響其代謝。TANG等[27]將殼聚糖和甲殼素進(jìn)行無(wú)氧煅燒,發(fā)現(xiàn)溫度過(guò)高,甲殼素解聚,殼聚糖氨基大分子被破壞,這也就導(dǎo)致了脫乙酰處理無(wú)氧煅燒的牡蠣殼粉和酸處理無(wú)氧煅燒的牡蠣殼粉隨著煅燒溫度提升,抑藻效果下降的原因。

綜上,酸處理無(wú)氧煅燒的牡蠣殼粉和脫乙酰處理無(wú)氧煅燒的牡蠣殼粉的抑藻因素以殼聚糖和甲殼素為主,特別是殼聚糖,但其抑藻效果不如CaO。

表1總結(jié)了不同預(yù)處理的牡蠣殼粉對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)的最高抑制率及其所對(duì)應(yīng)的最低用量和時(shí)間。可以發(fā)現(xiàn),1 000 ℃有氧煅燒的牡蠣殼粉用量(0.25 g/L)最少,只要3 d就可以達(dá)到100.00%的抑制率,可以說(shuō)是效果最好的牡蠣殼粉。

表1 牡蠣殼粉對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)的最高抑制率及其所對(duì)應(yīng)的最低用量和時(shí)間Table 1 The maximum inhibition rate of oyster shell powder on the growth of Microcystis aeruginosa and the corresponding minimum dosage and time

對(duì)于部分1 d內(nèi)可以達(dá)到對(duì)銅綠微囊藻抑制率100.00%的牡蠣殼粉進(jìn)行了抑藻速率測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)圖1。CO800與CO1000在1.00 g/L的用量下能夠在40 min內(nèi)達(dá)到100.00%的抑制率,而用量提升到2.00 g/L,15 min內(nèi)即可達(dá)到100.00%的抑制率。對(duì)比CO800與CO1000在同等用量下的抑藻速率發(fā)現(xiàn),煅燒溫度對(duì)抑制趨勢(shì)的影響不大,表明在800℃下有氧煅燒即有大量CaO生成。CN800在2.00 g/L的用量下能夠在240 min內(nèi)達(dá)到100.00%的抑制率,CN1000在0.50 g/L的用量下也是在240 min內(nèi)達(dá)到100.00%的抑制率,表明煅燒溫度升高,對(duì)于無(wú)氧煅燒可以增加CaO含量。而CN1000的用量增加至1.00、2.00 g/L,分別可在40、15 min內(nèi)達(dá)到100.00%的抑制率。CAN200與CAN400在2.00 g/L的用量下分別需要480、120 min才能達(dá)到100.00%的抑制率。CHN200與CHN400在2.00 g/L用量下均在120 min達(dá)到100.00%的抑制率,而CHN200在1.00 g/L的用量下則需要1 440 min才能達(dá)到100.00%的抑制率。總之,提升牡蠣殼粉用量能夠顯著提升抑藻速率,在同等煅燒溫度及用量下,有氧煅燒的牡蠣殼粉抑藻效果最佳。

圖1 1 d內(nèi)達(dá)100.00%抑制率的牡蠣殼粉抑藻速率Fig.1 The inhibition velocity of oyster shell powder reached 100.00% inhibition rate within 1 d

綜上所述,無(wú)氧煅燒與有氧煅燒的牡蠣殼粉抑藻效果差異主要?dú)w因于CaO含量的多少。酸處理與脫乙酰處理無(wú)氧煅燒的牡蠣殼粉主要抑藻因素為甲殼素和殼聚糖,殼聚糖因具有更好的溶解性與化學(xué)活性,控藻效果更優(yōu)于甲殼素。無(wú)氧煅燒與有氧煅燒的牡蠣殼粉最快能在15 min內(nèi)去除100.00%的銅綠微囊藻,而酸處理與脫乙酰處理無(wú)氧煅燒的牡蠣殼粉則至少需要120 min才能達(dá)到100.00%的抑制率。

2.2 不同粒徑牡蠣殼粉對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響

由圖2可知,160～300目、300目以上的CO800與CO1000都呈現(xiàn)出高抑制率,7 d的抑制率都達(dá)到98%以上,且都是在300目以上時(shí)抑制率最高,分別為99.95%、99.87%,而100～160目時(shí)抑制率均不到40%,表明CO800和CO1000的有效控藻粒徑在160目以上。160～300目、300目以上的牡蠣殼粉表現(xiàn)出更高的抑制率,這是因?yàn)槟迪牃し鄣腃aCO3粒徑主要分布在1～100 μm[28]。

圖2 不同粒徑牡蠣殼粉對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響Fig.2 Effects of oyster shell powder with different particle sizes on growth of Microcystis aeruginosa

綜上所述,粒徑會(huì)影響牡蠣殼粉對(duì)銅綠微囊藻的抑制效果,CO800和CO1000有效控藻成分粒徑應(yīng)該大于160目。牡蠣殼粉還會(huì)提升藻液pH,并且粒徑與藻液pH表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)性。

注:空白組指不加入牡蠣殼粉的純?cè)逡骸?/p>

3 結(jié) 論

(1) 牡蠣殼粉是有效的抑藻材料,有氧煅燒預(yù)處理可以提高牡蠣殼粉的抑藻效果,而且效果優(yōu)于無(wú)氧煅燒、酸處理無(wú)氧煅燒和脫乙酰處理無(wú)氧煅燒。1 000 ℃有氧煅燒的牡蠣殼粉抑制率達(dá)到100.00%的最少用量只要0.25 g/L。800 ℃有氧煅燒的牡蠣殼粉2.00 g/L的用量下抑藻率達(dá)到100.00%最快只要15 min。

(2) 無(wú)氧煅燒與有氧煅燒的牡蠣殼粉主要抑藻因素是CaO。酸處理與脫乙酰處理無(wú)氧煅燒的牡蠣殼粉主要抑藻因素是甲殼素和殼聚糖,殼聚糖因具有更好的溶解性與化學(xué)活性,控藻效果更優(yōu)于甲殼素。

(3) 牡蠣殼粉粒徑越小,抑藻效果越好,CO800和CO1000的有效控藻粒徑應(yīng)在160目以上。