銅綠微囊藻殺藻劑的現狀綜述：性能及機理

金吉媛，黃馨雯，曹 杰，吳兵黨，3

（1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 611130；2.蘇州科技大學環境科學與工程學院，江蘇蘇州 215009；3.蘇州市海綿城市技術重點研究實驗室，江蘇蘇州 215002）

近年來由富營養化引起的藍藻水華的暴發帶來了諸多問題〔1〕。藍藻水華暴發時將導致水環境惡化，引起其他水生生物死亡并進一步惡化環境。此外，當水源地暴發藍藻水華時會給水處理帶來很大困難，可能引發供水安全問題〔2〕。除藍藻本身外，藍藻還會產生對環境有害的嗅味物質和藻毒素，其中嗅味物質通常引起感官不適，而藻毒素則可能危害生物健康，因此藻毒素是藍藻分泌物質中最受關注的物質之一〔3〕。

銅綠微囊藻是藍藻水華暴發時常見的優勢種〔1〕，如我國太湖、巢湖和滇池的水華主要物種就是銅綠微囊藻。銅綠微囊藻作為優勢藻種具備很多特點〔4〕：銅綠微囊藻細胞中的氣泡可以調節藻細胞在水柱中的垂直位置，以適應環境變化獲得適當的光和營養；銅綠微囊藻可在磷過剩水體中吸收過量磷，從而為其在缺磷時期提供磷；銅綠微囊藻外部有多層黏液鞘，可削弱外界環境壓力；銅綠微囊藻分泌的微囊藻毒素（MC）對其他生物的化感作用也有助于銅綠微囊藻成為優勢物種。

控制藍藻水華的最有效安全的方法之一是減少水中營養物質的含量。然而，目前直接減少水中營養物質的方法有限，且費力耗時。對于已暴發的藍藻迫切需要一些措施來快速、有效地控制藻類的進一步生長。近年來，殺藻劑作為一種快速高效殺藻的方式得到了廣泛的關注〔3-5〕。

筆者選取了近年來備受關注的幾種殺藻劑，綜述了這些物質對銅綠微囊藻的殺藻效果及其作用機理，為選擇合適的殺藻劑提供參考，對殺藻劑作用機理的全面描述也有助于推斷殺藻劑對其他生物的潛在影響。還特別關注了這些殺藻劑對MC的影響，以便能夠綜合考慮殺藻劑對銅綠微囊藻的殺藻效果和對生態環境的影響。最后，討論了殺藻劑研究和應用的局限性，并提出了可能的解決方案。

1 有機類

1.1 酚類物質

酚是多種植物化感物質的主要成分之一，一些酚已被發現是良好的殺藻劑〔6〕，如氫醌（BQH2）、焦性沒食子酸（PA）、沒食子酸（GA）和兒茶酚。

1.1.1 氫醌（BQH2）

醌是天然有機質或腐殖質中的主要活性物質，常被作為二者的代表性物質，其中BQH2就是典型的代表物質之一〔7〕。此外，BQH2也是一種廣泛存在于茶葉和小麥中的化感物質〔8〕。

BQH2對銅綠微囊藻有較好的殺藻效果，其EC50為0.3 mg/L〔8〕。BQH2在pH較低的環境中殺藻效果更優，因為堿性環境導致BQH2聚合從而降低了BQH2對銅綠微囊藻的殺藻效果〔7〕。BQH2作為一種光敏性物質可能對MC有降解作用（圖1），但是殺藻過程中隨著藻細胞破裂MC會大量釋放到水環境中〔9〕。綜合來看，BQH2是一種優良的殺藻劑，但其可導致MC釋放，而目前對于BQH2殺藻機理以及BQH2對MC的降解性能認識有限，從而限制了BQH2作為殺藻劑的應用。

圖1 微囊藻毒素在殺藻劑作用下的變化Fig.1 The evolution of MC in the presence of algaecides

1.1.2 焦性沒食子酸（PA）

PA是一種從大型植物Myriophyllum spicatum中分泌出來的化感物質，對銅綠微囊藻有較強的殺藻作用，其EC50為0.7 mg/L〔6，8〕。

PA是一種強效還原劑，可以迅速自氧化生成相應的半醌自由基和鄰苯二酚，因此氧化應激可能是PA抑制藻類生長的重要原因〔8〕（圖2）。PA作用過程中涉及膜脂質過氧化基因的上調〔10〕，胞內抗氧化的超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶以及膜脂質過氧化的最終產物丙二醛和胞內活性氧含量也增加〔10-11〕，證實了PA對藻類的氧化應激是藻類死亡的重要原因。

圖2 殺藻劑的作用機制概述Fig.2 The working mechanisms of algaecides

PA對銅綠微囊藻的光合系統和DNA鏈也有影響（圖2）。PA使得藻胞內色素（葉綠素a和類胡蘿卜素）含量〔12〕和堿性磷酸酶活性〔9〕降低，與光合作用相關的部分蛋白調控基因上調〔10，12〕，光合系統Ⅱ電子傳遞活性被抑制〔13〕。此外，PA使得兩個DNA修復基因的表達上調〔11〕，DNA鏈斷裂〔14〕。

PA對MC濃度的影響與其添加量有關。當PA質量濃度大于10 mg/L時，與MC合成相關基因的表達上調，導致MC濃度增加〔10-11〕（圖1）。雖然PA是一種對銅綠微囊藻抑制效果顯著的化感物質，但應該考慮PA的劑量（4.5～10 mg/L），以確保有效控制有害藻類生長的同時降低MC的釋放〔11〕。

1.1.3 沒食子酸（GA）

GA是Myriophyllu spicatum分泌的另一種化感物質，也可以有效抑制銅綠微囊藻生長〔6，8〕，EC50為1.0～1.73 mg/L〔8，15〕。與PA相同，GA自氧化生成的自由基被認為是抑制藻類生長的來源之一〔8〕，GA引起藻胞內超氧化物歧化酶活性的變化也說明了GA的氧化性作用〔16〕。葉綠素a的濃度和葉綠素熒光參數（非光化學猝滅和有效量子效率）的強度隨著GA的加入而降低，以及GA對光合系統Ⅱ活性的抑制說明GA也使得藍藻光合系統受損〔13〕（圖2）。然而目前關于GA存在下MC變化的研究有限，故而GA作為一種殺藻劑的生態安全性還有待商榷。

1.1.4 兒茶酚

兒茶酚也是一種常見的酚類高效殺藻劑，L.X.NI等〔17-18〕發現它甚至比PA和GA更有效，EC50為0.3 mg/L。兒茶酚處理的藻類在生長過程中超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和可溶性糖的增加表明兒茶酚通過氧化脅迫抑制了藻類的生長〔17〕，非酶類抗氧化劑以及藻細胞膜表面破壞進一步證實了兒茶酚對銅綠假微囊藻的氧化作用〔19〕（圖2）。雖然兒茶酚是一種很好的殺藻劑，但其對環境的影響還有待進一步研究，以便為其實際應用提供參考。

1.2 其他有機物

1.2.1 2-甲基乙酰乙酸乙酯（EMA）

EMA可從蘆葦中分離得到，對銅綠微囊藻有很好的殺藻效果，EC50為0.68 mg/L〔18〕。

氧化應激是EMA抑制銅綠微囊藻生長的主要原因〔18，20-21〕（圖2）。在一定濃度的EMA中暴露后，藍藻胞內超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性均增加，但隨著EMA濃度的增加和暴露時間的增長，藻細胞死亡破裂而導致各種酶活均降低〔18，20〕。EMA作用下藻胞內非酶類抗氧化劑的變化趨勢與各抗氧化酶相似〔20〕，且EMA引起了胞內活性氧的累積和丙二醛的顯著增加〔21〕，表明了EMA誘導銅綠微囊藻胞內活性氧累積，從而引起胞內抗氧化性物質變化，當抗氧化性物質不足以抵抗胞內活性氧帶來的氧化損傷時引起膜損傷等，而膜損傷破裂也伴隨著胞內物質如MC的釋放〔3〕。

EMA對藍藻的光合作用亦有影響。藍藻暴露于EMA后細胞內葉綠素a、胡蘿卜素和藻膽蛋白均減少，細胞內可見藍藻素顆粒聚集，光合系統的有效量子效率、光合作用效率和最大電子傳遞速率均顯著下降〔3〕。

1.2.2L-賴氨酸

一些微生物的分泌物可以有效抑制銅綠微囊藻的生長，分析發現主要活性成分是L-賴氨酸，L-賴氨酸作用于銅綠微囊藻的最低有效質量濃度為6～10.5 mg/L〔22〕。盡管L-賴氨酸的最低有效濃度較高，但由于它是哺乳動物必需氨基酸之一，相對安全且無毒，且MC濃度在殺藻過程中逐漸減少〔23〕

L-賴氨酸主要造成藍藻光合系統受損，改變了藻膽蛋白的組成，降低了藻胞內葉綠素a含量〔24-25〕，且對葉綠素熒光參數有一定的影響〔26〕，而胞內超氧化物歧化酶活性和丙二醛含量經L-賴氨酸處理后與對照組沒有顯著差異（圖2）。但是也有研究發現L-賴氨酸使超氧化物歧化酶活性、丙二醛和超氧陰離子含量增加〔27〕，這可能與不同研究中L-賴氨酸的用量有關，當L-賴氨酸濃度足夠高時可能會對細胞產生氧化壓力。此外，基于L-賴氨酸的結構和細胞的運作機制，推測L-賴氨酸的殺藻作用可能與細胞的氮吸收或氮代謝系統有關〔28〕，也可能是L-賴氨酸取代細胞中中位二氨基甲酸殘基從而導致細胞運作異常而死亡〔29〕。

需要注意的是L-賴氨酸是一種有機氮源，使用L-賴氨酸作為殺藻劑無疑會將氮源引入水中〔26，29〕。L-賴氨酸控制藍藻的有效質量濃度（相當于1.4 mg/L氮）高于水中平均氮質量濃度（0.7 mg/L）〔29〕。雖然L-賴氨酸不能被藍藻直接吸收利用，但是其可被其他微生物轉化為氨氮，而氨氮可被藍藻吸收利用〔23〕。因此，L-賴氨酸能否應用于藍藻水華的控制還需要更深入的研究，特別是由于L-賴氨酸是一種有機氮源，需要考慮其對水體的長期影響，以及在不同水體中L-賴氨酸可能產生的不同效果。

1.2.3 血根堿

血根堿是罌粟科植物的提取成分之一，是對銅綠微囊藻毒性最大的提取生物堿，EC50為0.29 mg/L〔30〕，被證實比傳統殺藻劑CuSO4殺藻作用更強〔31〕。

血根堿攻擊藍藻的多個位點（圖2）。血根堿作用后銅綠微囊藻的色素含量和葉綠素熒光參數發生變化，且編碼光合系統Ⅱ蛋白的相關基因表達被抑制，由此可見血根堿對光合系統Ⅱ有影響〔31〕。胞內活性氧增多且編碼重要抗氧化蛋白的相關基因上調表明血根堿誘導了銅綠微囊藻的氧化應激，另外還發現血根堿使得部分DNA損傷且抑制了細胞分裂〔31〕。

與其他殺藻劑相同，血根堿會導致細胞破裂釋放MC〔1〕，但在長時間作用過程中，血根堿降低了MC的濃度〔1，4〕，這可能源于血根堿對相關基因的調控〔31〕（圖1）。實際水體中的實驗結果表明，其他水生生物也受到血根堿的影響，原核藻類對血根堿的敏感性高于真核生物〔1〕。此外，長時間使用后銅綠微囊藻將對血根堿產生抗藥性〔1，4〕。

總體而言，血根堿雖然是一種優良的殺藻劑，也可以控制MC的含量，但銅綠假微囊藻的再生長以及血根堿對某些水生生物的不利影響可能限制其作為殺藻劑的應用。

2 無機類

2.1 過氧化氫（H2O2）

H2O2由于降解產物是H2O和O2而被認為是一種相對環境友好的殺藻劑。H2O2殺藻性能受光照強度影響，在0～500 μmol/（m2·s）范圍內，隨著光照強度的增加，反應3 h時，H2O2對銅綠微囊藻的EC50從6.63 mg/L降至0.27 mg/L〔32〕。

H2O2主要通過兩個方面抑制藻類的生長：一是削弱藻類的解毒作用，即作用于抗氧化系統，二是攻擊光合系統〔5〕（圖2）。H2O2進入含藍藻水體后首先攻擊細胞膜〔33〕，使細胞中的活性氧增加，刺激相應的抗氧化酶活性和丙二醛含量增加〔34〕，最終H2O2進入藻胞內攻擊光合系統〔33〕。藍藻光合系統受損的具體表現如下：色素含量減少，捕光色素從光合系統Ⅱ中分離，光合作用相關基因表達下調，光合作用量子效率下降，D1蛋白被破壞〔3，33-35〕。

氧化性的H2O2可有效降解MC，其中H2O2分解生成的·OH是降解MC的主要物種〔33〕。此外，H2O2也可通過下調MC合成相關基因的表達來控制MC含量〔34〕（圖1）。但需要注意的是H2O2對降解MC的細菌有毒害作用〔36〕，因此使用時需注意控制其濃度。H2O2對水環境中的真核藻類相對友好〔5，32，35，37〕，然而高濃度的H2O2會降低浮游細菌的豐度，且對部分浮游動物有害〔37〕。

2.2 硫酸銅（CuSO4）

CuSO4是最早使用的殺藻劑之一，其殺藻性能強于H2O2，96 h的EC50為9～112 mg/L（以Cu計）〔38-39〕。

CuSO4可從多個方面影響藍藻的生長（圖2）。CuSO4增加了細胞內活性氧含量和抗氧化酶超氧化物歧化酶活性，最終導致丙二醛含量增加〔34〕，此外CuSO4使得藍藻光 合 作 用 相 關 基因表達下 調〔3，34〕。代謝組學分析結果也表明CuSO4對藻類有氧化作用，且破壞了光合系統〔38〕。

CuSO4雖然不能降解MC，且對一些環境中可降解MC的細菌有毒害作用〔36〕，但是一些與MC合成相關基因的表達隨著CuSO4的加入而下調〔34〕（圖1）。CuSO4在實際水體中的殺藻性能已被廣泛證實〔40〕，但是藍藻在CuSO4作用一段時間后會再次生長〔40〕，且水中殘留銅離子會進入到沉積物中，對水環境長期產生不利影響〔41〕。此外CuSO4用于處理水源地中的藍藻水華時可能存在增加水中消毒副產物的風險〔2〕。

3 結語與展望

盡管殺藻劑具有潛在危害，但由于殺藻劑在緊急控制藍藻水華方面的重要性，科學家們并沒有放棄對其的開發和探索。建議基于不同類型殺藻劑的特點針對性地開展相關研究。多數有機類殺藻劑是化感物質，盡管化感物質來自大自然，但當用作殺藻劑時它們的濃度往往超過了在水中的本底水平。因此，化感物質對非目標生物的影響仍需加強評估。而H2O2和CuSO4作為非化感類物質，是水中的外來物質，其環境危害需要比化感物質更慎重考慮，特別是長期使用后的危害。一般來說，生態友好的殺藻劑應具備以下特點：對形成水華的藍藻可選擇性抑制；有效控制MC；對其他水生生物友好；是可回收或可生物降解的物質（避免在環境中富集）。

就目前殺藻劑的研究進展而言，將殺藻劑直接應用于天然水中仍存在一些問題：MC的大量釋放、對非目標生物的影響、難降解物質在水中的富集等。以緩釋的方式使用殺藻劑可能是一種解決思路：通過減緩殺藻劑的釋放速度從而降低藻類破裂的速度，進而減緩MC的釋放速度，保留充足時間降解MC，同時這也可以減弱殺藻劑對其他生物的危害。還可以考慮將殺藻劑與其他技術相結合，以在保證快速有效殺藻的同時減少殺藻劑用量，最大限度地減少對其他水生生物的影響，并減少MC釋放的風險。如果能同時實現對藍藻生長的抑制和對營養物質的減量，藍藻水華問題的解決將指日可待。