基于藻细胞生理特征分析的超声预防性抑藻机理及调控研究

Algae bloom of cyanobacteria due to eutrophication has become one of current outstanding environmental issues. For the short time of algae bloom outbreak and with extremely harmful, difficult and higher cost of emergency treatment, we proposed an ultrasonic preventive measurement to inhibit cyanobacteria growth, which holds an important academic significance and practical engineering value. With the typical cyanobacteria Microcystis aeruginosa as the object to be studied appearing in China commonly, the effect of ultrasound on the physiological characteristics of algal cell such as cellular morphology, physiological activity, antioxidant enzyme system and photosynthesis of Microcystis aeruginosa will be firstly investigated to reveal the inhibition mechanisms in the level of the cell, molecule and gene through environmental scanning electron microscope, flow cytometry, real-time fluorescence quantitative PCR technology. Secondly, to obtain the preventive inhibition dynamic law of Microcystis aeruginosaby ultrasound, the parameter range of the ultrasound to inhibit algal growth will be optimized with less damage to cell membrane and cellular content into water body through the control of the ultrasound parameters for inhibition of Microcystis aeruginosa growth and the investigation of the growth kinetics. Finally, an available method used for the preventive inhibition of cyanobacteria by mobile ultrasound irradiation will be given, which could provide a theoretical and technical support for large-scale application of the ultrasound technologies for inhibition of algae growth in surface water.

水体富营养化引起的蓝藻水华频发是当前突出的环境问题之一，本项目针对蓝藻水华暴发时间短、危害极大、应急处理难度大和费用高等问题，提出应用超声预防性抑制蓝藻生长这一措施，具有重要的学术意义和实用工程价值。本研究以中国典型水华蓝藻铜绿微囊藻为研究对象，从超声对藻细胞生理特征影响着手，通过环境扫描电镜、流式细胞术、实时荧光定量PCR技术等技术与方法对超声辐照后铜绿微囊藻细胞形态、生理活性、抗氧化酶系统及光合作用系统等方面变化深入研究，在细胞、分子、基因等多重水平上的揭示超声抑藻机理；再通过对超声抑藻的超声参数调控和超声抑制铜绿微囊藻生长的动力学研究，确定超声抑制藻细胞生长但膜损伤影响小、细胞内容物不释放到水体中的最优的超声组合参数的范围，获得超声预防性抑制铜绿微囊藻生长的动力学规律；最后提出移动式超声辐照预防性抑制水华蓝藻的应用思路，为超声在水体中预防性技术的大规模推广应用提供理论依据。

富营养化水体的蓝藻水华问题是当前突出的环境问题之一，针对蓝藻水华暴发时间短、危害极大、应急处理难度大和费用高等问题，本项目提出了应用超声预防性抑制蓝藻生长，以铜绿微囊藻为测试藻种，从超声对藻细胞生理特征影响方面着手，对超声辐照对铜绿微囊藻细胞形态、生理活性、抗氧化酶系统及光合作用系统的影响、超声对藻细胞生长的抑制机理和预防性抑藻超声参数的优化调控等开展了系统研究：.（1）探明了超声辐照对铜绿微囊藻细胞形态与生理活性的影响，发现对于高频超声（>100 kHz），频率为580 kHz、作用时间为5 min、超声功率密度为0.089 W/mL时对铜绿微囊藻细胞形态的影响最大，细胞表面变粗糙，细胞间碎片增多，细胞内部变黑，气泡与类囊体出现断裂、破碎溶解和消失；超声辐照会损伤微囊藻的细胞结构；微囊藻细胞内外物质的三维荧光光谱分析发现超声辐照使叶绿素a、藻蓝蛋白、色氨酸及络氨酸荧光强度均降低；藻细胞活性研究发现超声辐照使微囊藻细胞活性降低，细胞受损并进入程序性死亡。对于低频超声（20 ~ 100 kHz），40 kHz超声处理后抑制率和沉降指数最大，抑藻效果较好。超声功率密度越大，作用后的藻密度越小，沉降细胞数量越多。.（2）初步探明了超声对藻细胞生长的抑制机理，超声辐照后铜绿微囊藻细胞体内会产生SOD、CAT等抗氧化酶清除超声产生的ROS对自身产生的损伤，但当超声对微囊藻的损伤超过细胞耐受极限时其抗氧化酶系统作用机制失效，藻细胞酶系统与光合系统将受损；分子水平研究发现低频超声对微囊藻RUBISCO蛋白损伤效果随超声功率密度的增大而增大，基因水平研究发现低频超声抑制RUBISCO、藻蓝蛋白编码基因的转录，影响藻细胞蛋白合成和机能修复。.（3）优选了的超声预防性抑藻的参数，对于高频超声，频率为580 kHz、作用时间为5 min、超声功率密度为0.089 W/mL时对铜绿微囊藻细胞的影响最大，藻细胞容易破裂，但作用范围小，较适用于特定范围内的藻渣处理；对于低频超声，频率40 kHz、功率0.0245 W/mL时可有 效地抑制铜绿微囊藻生长，同时可降低细胞内容物释放风险，较适用于实际水体中预防性抑藻，由此提出了浮游式太阳能超声波除藻装置，获得专利授权，实际水体初步应用研究表明，超声辐照能够改善实际水体水质，降低水体中藻密度，对实际水体的藻类具有一定的去除效果。