塔爾油對富營養(yǎng)化水體混合藻的抑制效果研究

祁浩成，王燕燕，田勝艷

(1.天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津市制漿造紙重點實驗室，天津300457；2.天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津300457)

塔爾油是工藝制漿或硫酸鹽制漿過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，產(chǎn)自高樹脂針葉樹種，是制漿造紙行業(yè)中僅次于木質(zhì)素和半纖維素的第三大化學(xué)副產(chǎn)品[1]。塔爾油具有復(fù)雜的皂化成分脂肪酸（30%~60%）、樹脂酸（40%~60%）和不皂化物（5%~10%）[2]，也含有少量硫醇、硫化物和氧化物樹脂等40多種化合物[3]，這些物質(zhì)組成與化感物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有相似之處。化感物質(zhì)的分子量較小，結(jié)構(gòu)簡單，常見的多是小分子量的有機酸、酚類和萜類化合物[4]。植物化感作用是指植物（含微生物）通過釋放化學(xué)物質(zhì)到環(huán)境中而產(chǎn)生的對其他植物(含微生物)直接或間接的有害作用[5-6]。

隨著社會生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴重，我國湖泊的富營養(yǎng)化是其中的典型問題之一[7]。水體富營養(yǎng)化后，浮游生物大量繁殖，水體呈現(xiàn)藍色、棕色、紅色、乳白色等，在河流湖泊中的這種現(xiàn)象被稱為水華[8]。水華會嚴重破壞水生生態(tài)系統(tǒng)，破壞水域生態(tài)景觀[9]，甚至威脅人體健康，影響人類生產(chǎn)生活[10]。目前，國內(nèi)外對水華藍藻的控制技術(shù)主要包括物理方法、化學(xué)方法及生物方法，各種方法根據(jù)除藻機理的不同又可分為多種方式[11－14]。采用水生植物治理主要是運用植物之間的化感拮抗作用來抑制藻類的生長，因其具有經(jīng)濟、高效和生態(tài)安全性好等優(yōu)點，從水生植物及陸生植物中提取化感物質(zhì)抑制水華發(fā)生成為近年的研究熱點[15]。

塔爾油是一種重要的化工粗原料，在對其進一步蒸餾加工后才能利用，且加工過程復(fù)雜，需要消耗較大的人力和物力。若將塔爾油直接作為化感物質(zhì)用于抑藻有一定優(yōu)勢：一方面，其本身來源于木材原料，生態(tài)安全性較好；另一方面，其作為制漿副產(chǎn)物，提取過程不產(chǎn)生副產(chǎn)物，且產(chǎn)量大，來源穩(wěn)定，將其作為化感物質(zhì)應(yīng)用，既可節(jié)約資源、保護環(huán)境，也能提高企業(yè)經(jīng)濟效益，符合綠色化學(xué)品的發(fā)展理念。

1 實驗

1.1 原料與試劑

塔爾油，美國勞特公司；無水乙醇，分析純，天津市江天化工技術(shù)股份有限公司；酵母浸膏，生物試劑，北京市海淀區(qū)微生物培養(yǎng)基制品廠；檸檬酸，分析純，北京華威銳科化工有限公司。

1.2 水生混合藻的培養(yǎng)

藻液取自魚缸富營養(yǎng)水體，為混合藻液，在光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，待藻細胞密度達到1.5×106~2.0×106個/mL，取適量藻液，稀釋至5×105個/mL后使用?；旌显宓呐囵B(yǎng)在250 mL錐形瓶中進行，加入150 mL BG11(Ble-Green Medim)培養(yǎng)基，于120℃滅菌30 min，待冷卻后在無菌條件下按10%接種量接入混合藻液，在光照強度為4 000 lx、溫度為25℃、光暗比為12 h∶12 h條件下培養(yǎng)，每隔12 h搖晃錐形瓶一次。

1.3 抑藻實驗

用二甲基亞砜（DMSO）助溶塔爾油，分別向混合藻培養(yǎng)液中加入0.03 mg和0.045 mg的塔爾油，使得藻液中塔爾油的質(zhì)量濃度分別為0.12 mg/L和0.18 mg/L，同時設(shè)立加入同等計量二甲基亞砜的對照組，培養(yǎng)7 d，每個濃度設(shè)立3組平行實驗組。期間每天定時取樣，進行抑制率的測定和濁度的測定；通過預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)第5天抑制率最高，在第5天時進行藻粒徑的測定。

1.4 抑制率測定

采用血球計數(shù)板顯微計數(shù)法對水生混合藻細胞進行計數(shù)，每次進行3次計數(shù)，取平均值作為密度值。根據(jù)藻細胞密度繪制藻液生長曲線，根據(jù)式（1）計算塔爾油對藻液生長的抑制率。

式中：IR為藻細胞抑制率，%；N為實驗組藻細胞密度，個/mL；N0為對照組藻細胞密度，個/mL。

1.5 濁度測定

混合藻濁度采用濁度儀(LP2000-11型，意大利Hanna Instrument公司)進行測定，每個樣品測定3次，取其平均值繪制藻液濁度變化曲線。

1.6 藻粒徑分布測定

采用微米級激光粒度儀（LS13 320型，美國Beck-man Coulter公司）對藻液中的藻細胞粒徑進行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 塔爾油對混合藻生長的影響

混合藻的生長曲線如圖1所示。由圖1可見：加入塔爾油的實驗組藻液中藻細胞密度遠遠低于對照組，塔爾油對混合藻產(chǎn)生顯著的抑制效果，高濃度塔爾油組的抑制作用更明顯。當實驗進行到第7天時，高濃度塔爾油組的藻細胞密度略高于低濃度塔爾油組，可能是因為此時藻液中出現(xiàn)大量的藻細胞碎片影響了血球計數(shù)板的觀察計數(shù)。

圖1 混合藻液的生長曲線

根據(jù)不同組中藻細胞密度計算不同時間塔爾油對混合藻生長的抑制率，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見：實驗第5天的抑制率最高，高濃度塔爾油組抑制率高達75%，低濃度塔爾油組抑制率也達到55%，說明塔爾油對混合藻具有良好抑制效果。而高濃度組第7天時的抑制率反而低于低濃度組，分析原因是因為塔爾油實驗組中藻類碎片的增多，影響了血球計數(shù)板的計數(shù)結(jié)果所致。

圖2 不同濃度的塔爾油對藻液的抑制率

2.2 混合藻濁度的變化

藻液的濁度主要受藻細胞密度及其粒徑、形狀、顆粒表面對光散射特性等因素的影響。藻液培養(yǎng)期間藻液的濁度變化如圖3所示。對照組藻液的濁度是隨著培養(yǎng)時間逐漸增加的，因為隨著培養(yǎng)時間增加，藻細胞密度增加，濁度也隨之增加。實驗組則完全不同，培養(yǎng)初始階段實驗組藻液的濁度高于對照組藻液的濁度，隨后又逐漸降低，但始終顯著高于對照組。初始階段實驗組濁度驟然升高是因為塔爾油會促使藻細胞裂解死亡，藻細胞胞內(nèi)物質(zhì)進入培養(yǎng)液中，并伴隨大量的藻細胞碎片懸浮于培養(yǎng)液中；隨后藻細胞碎片發(fā)生絮聚，因而沉降下來，而且藻細胞色素物質(zhì)的分解也導(dǎo)致濁度逐漸降低。

圖3 塔爾油對藻液濁度的影響

2.3 混合藻粒徑的變化

圖4 為培養(yǎng)至第5天時各組藻液粒徑的分布圖。其中，對照組藻液粒徑分布呈現(xiàn)雙峰形，分別為1~8 μm和60~300 μm。加入塔爾油組藻液粒徑分布表現(xiàn)為三峰形，加入塔爾油后的藻液粒徑在0.4~1 μm也有少量分布，主要原因是加入塔爾油后使混合藻細胞分解破碎，從而使藻液顆粒粒徑變小，而且更加連續(xù)?；旌显逡侯w粒出現(xiàn)的最大粒徑分布由400 μm擴大到800 μm，平均粒徑增加了2倍以上，這因為藻細胞遭到破壞之后大量有機物釋放到藻液之中，這些有機物使破碎的細胞碎片絮聚在一起。根據(jù)水生混合藻濁度變化和水生混合藻的粒徑分析，可以看出塔爾油對于混合藻細胞有很強的破壞作用。由圖4還可以看出，高濃度組的峰值面積要高于低濃度組，說明高濃度組對藻細胞的破壞程度更高。

圖4 塔爾油對水生混合藻液顆粒粒徑的影響

3 結(jié)束語

本文探索了塔爾油抑藻的實際應(yīng)用效果。研究發(fā)現(xiàn)，加入兩種不同濃度的塔爾油后，混合藻的密度都明顯下降，且高濃度塔爾油的抑制效果要高于低濃度塔爾油?；旌纤柙逡旱臐岫扔忻黠@上升，可能因為塔爾油使水生混合藻裂解死亡。通過對藻細胞粒徑分析驗證了塔爾油會使混合藻細胞裂解死亡的現(xiàn)象。實驗說明塔爾油在實際應(yīng)用中可以發(fā)揮出較好的抑藻作用。