水體凈化可用甲殼素復(fù)合泡騰片

黃新階 "正高級教師，特級教師，全國優(yōu)秀教師，中國化學(xué)會2017年度基礎(chǔ)化學(xué)獎獲得者，湖北省首批十大名師，教育部第三批國培計劃專家?guī)鞂＜遥啾谑小笆虚L杯”青少年科技創(chuàng)新大賽評審專家。

我喜歡在家飼養(yǎng)觀賞魚，可即便經(jīng)常換水，也會遇到魚被養(yǎng)死的情況。原因是，觀賞魚產(chǎn)生的糞便、多投喂的餌料等容易滋生細菌，隨著水體自然蒸發(fā)，鈣、鎂離子濃度也會升高，不利于觀賞魚的生存。

現(xiàn)有的水體殺菌方法對觀賞魚有一定的毒性，錯誤投放殺菌劑甚至?xí)?dǎo)致觀賞魚死亡；現(xiàn)有的水體去離子方法又不能長期有效地去除水體離子。

甲殼素是一種從海洋甲殼類動物的殼中提取出來的多糖物質(zhì)，化學(xué)式為（C8H13O5N）n，甲殼素及其衍生物具有吸附離子、抗菌等功效。能否用甲殼素及其衍生物凈化觀賞魚飼養(yǎng)水體呢？如果可以，應(yīng)該如何分配甲殼素及其衍生物的比例？我通過實驗進行探究。

甲殼素吸附鈣鎂離子實驗

我對初始水樣進行測定，用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）測得鈣離子、鎂離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22.68 mg/mL、9.83 mg/mL。

然后，我在循環(huán)了14天的水體中分別投放不同濃度（0μg/mL、10μg/mL、20μg/mL、30μg/mL）的甲殼素，攪拌20～30分鐘后用電感耦合等離子體質(zhì)譜測定不同水體中鈣、鎂離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，數(shù)據(jù)見表1。

水體中鈣、鎂離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨甲殼素濃度的升高而顯著下降。

考慮到往水體中持續(xù)增加甲殼素去除離子的效果會進入一個平臺期，水體中需保持一定的離子濃度，以維持滲透壓平衡，再結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，我覺得水體中甲殼素的濃度為20μg/mL比較合適。這樣，處理后的水體鈣、鎂離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近初始水樣中鈣、鎂離子的水平。

殼聚糖季銨鹽抗菌實驗

我在常規(guī)的胰酪大豆胨液體細菌培養(yǎng)基（下稱“TBS培養(yǎng)基”）中加入不同梯度的殼聚糖季銨鹽（HACC）、金黃色葡萄球菌（下稱“金葡菌”）和大腸桿菌，搖床培養(yǎng)24小時，肉眼觀察培養(yǎng)基的渾濁程度。

我發(fā)現(xiàn)在20μg/mL殼聚糖季銨鹽的環(huán)境下，TBS培養(yǎng)基已經(jīng)非常清澈，這說明細菌基本沒有生長，已經(jīng)具備良好的抗菌效果。

為了進一步驗證殼聚糖季銨鹽的抗菌活性，我用移液槍抽取500μL培養(yǎng)好的細菌分別加入0μg/mL、20μg/mL的殼聚糖季銨鹽中，進行平板涂布、固體培養(yǎng)基培養(yǎng)。

我觀察固體培養(yǎng)基上的細菌，用Image J軟件計算菌落數(shù)（1個菌落代表原始TBS培養(yǎng)基中1個細菌）。我發(fā)現(xiàn)20μg/mL的殼聚糖季銨鹽環(huán)境下平板的菌落數(shù)明顯少于沒有添加殼聚糖季銨鹽的平板菌落數(shù)。

制備甲殼素復(fù)合泡騰片

養(yǎng)殖觀賞魚的水量為1 L，按照一次投放1小片泡騰片，最終分散到水體中的甲殼素和殼聚糖季銨鹽的濃度均為20μg/mL，換算每片泡騰片的主要成分含量為20 mg甲殼素和20 mg殼聚糖季銨鹽。

稱取一定量的黏合劑（聚乙二醇）、堿源（碳酸氫鈉）、酸源（檸檬酸）、三氯蔗糖等輔料，在研缽里充分研磨混合均勻后，將它們與甲殼素、殼聚糖季銨鹽置入壓片機中一定壓力下進行片劑制備。

驗證泡騰片效果

我將兩條約3厘米長的金魚分別置入1 L提前在陽光下曝曬24小時以上的自來水中，一個僅采用循環(huán)水，另一個在第7天、第14天分別投擲一片甲殼素復(fù)合泡騰片。

我在養(yǎng)殖當(dāng)天、養(yǎng)殖第7天和養(yǎng)殖第14天各取1 mL水樣進行平板涂布，培養(yǎng)箱培養(yǎng)24小時，觀察抑菌效果，利用Image J軟件對平板菌落計數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表2。

甲殼素復(fù)合泡騰片處理后的循環(huán)水中的細菌數(shù)量明顯少于未經(jīng)甲殼素復(fù)合泡騰片處理的循環(huán)水，說明甲殼素復(fù)合泡騰片具有良好的抑菌效果。

另外，我在養(yǎng)殖當(dāng)天、養(yǎng)殖第7天和養(yǎng)殖第14天各取5 mL水樣進行鈣、鎂離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定，結(jié)果顯示，經(jīng)過甲殼素復(fù)合泡騰片處理后，循環(huán)水內(nèi)的鈣、鎂離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于未經(jīng)甲殼素復(fù)合泡騰片處理的循環(huán)水中鈣、鎂離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與循環(huán)水初始狀態(tài)基本接近。這說明甲殼素復(fù)合泡騰片具有良好的去離子效果。

結(jié)論

甲殼素及其衍生物殼聚糖季銨鹽具有吸附離子、抗菌等功效，將甲殼素和殼聚糖季銨鹽作為吸附劑、抗菌劑，開發(fā)使用方便、便宜、安全的甲殼素復(fù)合泡騰片，通過實驗驗證其可有效抑制水體的細菌生長以及通過反復(fù)補水后鈣、鎂離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升。將甲殼素復(fù)合泡騰片應(yīng)用于觀賞魚家庭飼養(yǎng)水體凈化，可有效延長換水的周期，達到改善飼養(yǎng)環(huán)境、節(jié)約水資源的目的。

專家點評

吳金軒同學(xué)遭遇“養(yǎng)觀賞魚魚被養(yǎng)死的情況”，分析原因后提出猜想“可否用甲殼素及其衍生物凈化觀賞魚飼養(yǎng)水體？各種成分比例多少最好？”，通過定量實驗，得出“甲殼素及其衍生物殼聚糖季銨鹽具有吸附離子、抗菌等功效”“甲殼素復(fù)合泡騰片可以凈化水體”等結(jié)論，方法科學(xué)，過程翔實，實證研究數(shù)據(jù)齊全，具有環(huán)保和經(jīng)濟價值，難能可貴。

本作品有三個創(chuàng)新點：一是發(fā)現(xiàn)水體中鈣、鎂離子隨甲殼素濃度的升高而顯著下降（需要指出的是，根據(jù)張宗恩的研究，甲殼素不能吸附水中的鉀、鈉、鈣、鎂離子），這是由于甲殼素分子中羥基氨基等基團對許多金屬離子具有螯合作用；二是創(chuàng)新泡騰片的制作方法，制作泡騰片的方法有濕法制粒、直接壓片等，而研磨壓片法簡單易行；三是利用Image J軟件對平板菌落計數(shù)，證實甲殼素復(fù)合泡騰片具有良好的抑菌效果，體現(xiàn)了用數(shù)字技術(shù)賦能科學(xué)實驗的理念。