课程论文—有机改性粘土对赤潮藻生长的抑制研究

有机改性粘土对赤潮藻生长的抑制研究2012级生物技术xxxxxx引言赤潮（redtide）也称为红潮，通常是指一些海洋微藻、原生动物或细菌在水体中过度繁殖或聚集而令海水变色的显现【1】。有害赤潮的主要危害形式有三种：（1）有些赤潮藻能产生毒素，毒素在贝类和鱼类体内积累，人食用时就会中毒，危害人的身体健康，严重的能导致死亡；（2）有些赤潮藻对人类生命不构成威胁，但是能产生毒素危害鱼类等海洋生物，给人类的生产带来巨大的损失；（3）另外一些赤潮藻虽然无毒，但能堵塞鱼鳃或造成机械损伤，还有可能由于死亡时大量耗氧而使海洋微生物窒息死亡。而且，赤潮发生时，这些危害往往可能同时发生，也就是说，多种海洋微生物造成赤潮，而其中不同的种类则会带来不同的危害：赤潮在发生和消亡的过程中，水体中溶氧、pH值、水质都会有显著地变化。现如今，随着人类的生产活动的扩大，环境不断受到破坏，近年来赤潮频发，规模不断扩大，各种海洋生物的生存环境遭到破坏，海洋生态系统失衡恶化，渔业资源和海产养殖业受损，同时赤潮藻毒素严重危害海洋生物和人类的生命安全。因此，采用新型的治理方法来治理赤潮就显得格外重要。目前，赤潮的应对策略主要分为预防和治理两个方面。对于赤潮的预防主要从以下几个方面进行：（1）加强赤潮的监测，开展赤潮的预报服务；（2）加强养殖区管理，控制海域富营养化；（3）控制赤潮生物外来种的入侵。对于赤潮的治理主要则分为物理法、化学法和生物法三类。总而言之，防治赤潮的途径有两大类：一种是与赤潮的发生原因相关联的，以改善环境为目的的间接对策，例如控制污染物排放，防止水体富营养化等方法消除引发赤潮的诱因，以达到防止赤潮发生的目的；第二种是去除赤潮生物的直接对策，即赤潮发生后立即采取有效措施，去除或杀灭赤潮生物，降低赤潮的严重程度，减少赤潮导致的损失。1研究进展1.1赤潮治理的研究进展赤潮带来的灾害是巨大的，国际上对赤潮治理的研究从很久之前就已经开始，但是我国关于赤潮的治理研究还处于起步阶段，迄今为止已经报道了很多的方法和技术，但是由于赤潮本身的发生和发展等机制比较复杂，而且在治理的同时还需要考虑到自然环境的影响，因此真正能治理赤潮的方法和技术还是比较少的。赤潮的治理方法必须符合即要杀死赤潮生物，又要对其他生物无害，并且不能造成二次污染，同时也要求治理方法价格低廉，使用简便。目前，国内外治理赤潮的方法主要分为三类：物理、生物和化学法。物理法又分为隔离回收法【2】、超声波法、光控制法和紫外线照射法。按照作用机理的不同，化学法又可以分为化学药物直接灭杀法、絮凝剂沉淀法和天然矿物絮凝法，其中利用化学药物——杀藻剂来治疗赤潮是最常用的方法之一【3】。生物方法治理赤潮主要是利用生物物种之间的相互生存竞争，通过有目的地培养一些与赤潮生物存在营养竞争或者能够相生相克的生物来调节海水中的富营养化环境。目前生物法尚且未用于实际治理中，但是在实验室的研究中则证明了这一方法的可行性与广阔的应用前景【4】。1.2改性粘土在治理赤潮中的研究进展粘土矿物是土壤的重要成分，广泛存在于各种各样的土壤中。粘土矿物是有一些直径在百分之几微米到几微米的小片状颗粒物组成，其中以硅、铝和氧为主要元素。粘土矿物特殊的结构赋予其许多特性，例如吸水性、膨胀性、可塑性、吸附性等。同时，粘土矿物也具有高的比表面积，而它所具有的高比表面积使其具有强的活性【5】。通过对粘土矿物进行改性，可以大大提高其使用价值，扩大其使用范围。对粘土矿物进行改性，根据离子基团的不同可以分为有机改性和无机改性。所谓粘土矿物的有机改性就是利用有机物质，主要是表面活性改性剂，通过一定的化学反应，使有机基团以离子键、化学键等形式与粘土矿物结合，形成一种新型的复合物。它的性质和改性剂的种类、碳链长度、浓度、有机物本身性质及其两者之间的作用方式有关。从某个方面来说，有机改性粘土是矿物学、有机化学和胶体化学结合的产物。表面活性分子由极性亲水基和非极性亲油基两部分组成。分子中的亲油基团一般是烃基，而亲水基团则是带正电、负电或两性的基团。各类表面活性剂性质上的差别除了和亲油的烃基大小、链的形状有关之外，更主要的是取决于亲水基团。根据亲水基团结构的不同，表面活性剂通常可分为阴离子、非离子和阳离子型三大类。近年来，由于表面活性剂具有广谱的的抗菌活性、易生物降解、生态可利用性等优良性能，而被广泛应用于海洋赤潮的治理中。同时，在使用表面活性剂对赤潮进行防治时还应该考虑到表面活性剂对整个生态系统的影响。曹西华等人的研究【6】就发现十六烷基三甲基溴化铵（HDTMA）在治理赤潮所用量范围内会对日本对虾仔虾产生毒性作用。有学者针对表面活性剂的毒性问题，对这些可用于治理赤潮的表面活性剂进行化学修饰【6、7、8】，研究结果也表明经过特定的修饰后的表面活性剂毒性大大降低。对表面活性剂的修饰方法中就由利用粘土矿物（如高岭土、蒙脱土等）进行结合形成新型复合物。粘土是一种治理赤潮的天然絮凝剂，在治理赤潮中有其自身的优点，目前已证实的有：对生物和环境无害，有促进生态系统的物质循环和净化作用；粘土资源丰富，而且是底栖生物和鱼贝类幼仔的饵料，操作简单，可以大范围使用。另外，李赟辉等人【9】的研究则表明了天然表面活性剂对海洋卡盾藻（Chattonellamarina）、塔玛亚历山大藻（Alexandriumtamarense）和米氏凯伦藻（Kareniamikimotoi）等三种赤潮藻生长的抑制作用不同，存在一定的选择性。赤潮在爆发的时候，往往是多种赤潮藻共同造成的，也就是说单一的表面活性物质并不能有效的治理赤潮。为了寻求一种快速有效、安全性高、环境友好的赤潮应急治理方法，本研究将以海洋卡盾藻（Chattonellamarina）、塔玛亚历山大藻（Alexandriumtamarense）和米氏凯伦藻（Kareniamikimotoi）等三种赤潮藻共同培养形成的实验藻液为材料，对比甜菜碱、小聚碱在单独作用和混合作用时对赤潮藻生长的抑制作用并得出最佳的混合比例，对比两种表面活性剂在最佳的混合比例条件下有无粘土修饰时对赤潮藻的抑制作用。研究结果可以为高效、快速、安全性高、环境友好的除藻剂的研发提供参考和依据。2研究内容赤潮在爆发的时候，往往是多种赤潮藻共同造成的，也就是说单一的右击该型粘土并不能有效的治理赤潮。为了寻求一种快速有效、安全性高、环境友好的赤潮应急治理方法，本研究将以海洋卡盾藻（Chattonellamarina）、塔玛亚历山大藻（Alexandriumtamarense）和米氏凯伦藻（Kareniamikimotoi）等三种赤潮藻共同培养形成的实验藻液为材料，对比甜菜碱、小聚碱在单独作用和混合作用时对赤潮藻生长的抑制作用并得出最佳的混合比例，对比两种有机化学物质在最佳的混合比例条件下对粘土进行修饰后对赤潮藻的抑制作用。研究结果可以为高效、快速、安全性高、环境友好的除藻剂的研发提供参考和依据。3研究方法3.1实验用品甜菜碱、小聚碱、粘土（蒙脱土）、海洋卡盾藻（Chattonellamarina）、塔玛亚历山大藻（Alexandriumtamarense）、米氏凯伦藻（Kareniamikimotoi）、微藻培养海水、营养盐等。显微镜、锥形瓶、移液器、高温灭菌锅、光照培养箱、各种规格的烧杯、分光光度计等。3.2研究方法1.在光照培养箱中培养实验藻液，培养条件为：光照强度约为3000lx，光暗周期12h；12h，温度为22±1℃。定期取样，用光度法测量藻细胞密度，至细胞密度达到相同且合适时，进行试验。2.查阅文献后选择甜菜碱、小聚碱除藻的最适浓度，并用NaCl溶液配制成相应的溶液，取相同、适量加入实验藻液中，分别标记A、B，测定不同活性物质去除赤潮生物的效果。3.甜菜碱、小聚碱按1:1、1:2、1:3、1:4、2:1、3:1、4:1混合后加入到实验藻液中，分类别标记a-g，测定不同组别去除赤潮生物的效果，选择出最佳的混合比例。如果条件允许，可进一步优化得出效果更佳的混合比例。4.甜菜碱、小聚碱先按最佳的混合比例混合后再与粘土混合，在振荡器中恒温振荡所需时间达到平衡后，离心收集沉淀，即有机改性粘土矿物。初步验证有机物质在粘土上的性质未发生明显的变化。5.将有机改性粘土加入到实验藻液中，测定杀死赤潮生物的效果。初步评价有机改性粘土的赤潮治理效果。4创新性和可行性分析利用化学物质治理赤潮是赤潮治理中最为常用的方法。而采用改性粘土杀死赤潮生物达到治理赤潮的目的，这种方法是近些年才兴起的一种新方法。目前，国内外对有机改性粘土的研究很多，但是对不同赤潮藻杀伤作用的研究比较少，但是有研究报道有机改性粘土对不同藻类的杀伤存在一定的选择性，因此对这方面的研究不可或缺。另一方面，目前对粘土进行有机修饰时通常只采用的一种修饰剂进行修饰，多种修饰剂进行化学修饰的研究还没开始或研究较少，所以本研究在多种修饰剂对粘土进行化学修饰方面的研究上有一定的创新性和先进性。本研究前期查阅了大量的文献，掌握了一定的理论基础之后才开展实验。有大量的研究支持证明了本次研究的可行性。同时，本次研究在实验过程中会采用多种方法多次验证，设置重复实验，保证实验数据的科学性。5展望1.分析活性物质抑制赤潮藻生长的作用机制，为研发高效、快速、安全性高、环境有好的赤潮治理药剂奠定基础。2.利用有机改性粘土治理赤潮有诸如成本很低、对环境和非赤潮生物影响小等的优点，但其溶胶性差、凝聚太迅速、沉淀赤潮生物的能力有限，量少时难以完全去除赤潮生物，所以在实际应用中用量较大，给大面积赤潮治理带来原料量和聚渣量过大的问题【10】。针对这些问题，在用粘土对表面活性物质进行修饰前可对粘土进行适当的改造。3.目前，生物表面活性剂也是研究的热点。所以，利用基因工程对某种无害的海洋微生物进行改造，导入外源基因，让其能在赤潮爆发的区域生长，分泌出特定的物质，如鼠李糖脂【11】、槐糖脂【12】等，作为生物表面活性剂，达到环境友好，安全的治理赤潮的目的。有害赤潮的产生和爆发都会给我国的环境和经济带来严重的损失，我们要以积极的态度应对赤潮，在从预防和治理两方面对赤潮进行控制，做到平时加强监测和预报工作，一旦有赤潮发生要尽量在其爆发之间进行治理，若赤潮爆发则要采用多种应对策略，将赤潮的危害降到最小。我相信，在未来，随着对生物表面活性剂和化学表面活性剂研究的深入，会有更加快速有效、安全性高、环境友好的除藻剂被研制出来，更有效的治理赤潮。参考文献【1】周明江.中国赤潮的发生趋势和研究进展[J].生命科学,2001,13(2):54-60.【2】梁松，钱宏林等.赤潮研究的现状和有关问题.生态科学，1992(1)：120-126.【3】俞志明，邹景钟，马锡年.治理赤潮的化学方法.海洋与湖沼，1993,24(3):314-318.【4】SagehashiM,SakodaA,SuzukiM.Predictivemodeloflong-termstabilityafterbiomanipulationofshallowlakes.WaterResearch,2000,34(16):4014-4028.【5】张惠芬，郭九皋，冯磺，王辅亚，王德强.粘土矿物改性在岩土工程中的应用.矿物岩石地球化学通报，1993,18(4)：238-240.【6】曹西华、俞志明.季铵盐类化合物灭杀赤潮藻的实验研究.海洋与湖沼,2003,34(2):201-207.【7】曹西华.有机改性粘土去除赤潮生物的机制与方法研究.2004，中国科学院研究生院博士学位论文.【8】曹西华、宋秀贤、俞志明.改性粘土去除赤潮生物及其对养殖生物的影响.环境科学，2004,25（5）：148-152.【9】李赟辉、吴婷.多种天然活性物质对赤潮藻生长的抑制作用.2011，中国藻类学会第八次会员代表大会暨第十六次学术讨论会论文摘要集.【10】李春梅.三种表面活性剂生物毒性及对典型甲藻赤潮生物生长抑制作用的研究[D].中国海洋大学:李春梅,2007.【11】Lang,S.,E.Katsiwela,andF.Wagner.1989.An