CN106614556A

CN106614556A - 一种缓释型杀藻剂的制备方法和应用

Info

Publication number: CN106614556A
Application number: CN201611181479.9A
Authority: CN
Inventors: 吴振斌; 郑东凤; 刘碧云; 徐栋; 贺锋; 周巧红; 程龙; 张璐
Original assignee: Institute of Hydrobiology of CAS
Current assignee: Institute of Hydrobiology of CAS
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2017-05-10

Abstract

本发明公开了一种缓释型杀藻剂的制备方法和应用，步骤是：A、取海藻酸钠粉末溶解于去离子水中配制成海藻酸钠胶状溶液，并调节其pH；B、配置一定浓度的酚酸类化感物质的溶液作为核心物质；C、配制含氯化钙粉末的壳聚糖稀醋酸的混合溶液得固定液；D、将酚酸类化感物质的溶液与海藻酸钠溶液按照芯壁溶液体积比混合；E、将酚酸类化感物质溶液与包埋材料海藻酸钠溶液的混合液吸取至注射器中，逐滴滴入到固定液中固定；F、将所得缓释型杀藻剂从固定液中过滤，洗涤，装袋；G、冷藏，冷冻干燥机中冷冻干燥，得到一种缓释型杀藻剂。该杀藻剂在水华优势藻种中的应用，避免了有毒有害物质的使用，包埋结果稳定，最高抑制率达60%~75%。

Description

一种缓释型杀藻剂的制备方法和应用

技术领域

本发明属于水污染控制领域，具体涉及了一种缓释型杀藻剂的制备方法，同时还涉及一种缓释型杀藻剂的用途。

背景技术

水体的富营养化导致的蓝藻水华问题一直是人类关注的环境问题之一，其造成的影响已不仅仅涉及到自然环境的污染以及各种水体的恶化，还波及到了人类的正常生活以及社会经济的持续发展问题。面对如此恶劣的水体污染处境，寻求一条行之有效的处理方向成为当今社会的热点问题。

针对水体的富营养化问题使用较为普遍的三大方法中：物理法处理成本高且治标不治本，无法作为控制水体污染的长久之计。化学法直接使用化学试剂作为杀藻剂，实际应用时常因投入过量的杀藻剂从而导致水体二次污染的问题，仍有待改进。生物法操作时间长，不可抗影响因素比较多，操作难度也限制其推广使用。“化感作用”的发现为水华控藻问题提供了一个新方向。目前利用沉水植被进行水体生态修复的技术成熟，该技术也作为一个新型的高效抑藻方式被广范应用，并且直接利用水生植被的化感作用治理水华的控藻效果十分明显。但是该方法操作周期较长，实际效果不可控，同时不可控的环境因素会影响其作用效果而使其实际操作难度系数不稳定，因此还需要更进一步的改进。

目前关于水生植物释放化感物质对于藻类的抑藻作用模式的研究发现，化感物质对藻类的抑制常常表现出低剂量多次添加的抑藻效果高于高剂量单次添加的抑藻效果。而化感物质作为水生植物或藻类的次生代谢产物，具有低毒、可生物降解的特点，同时对藻类的过度生长方面也有明显抑制作用。结合以上两点理论，直接利用化感物质进行抑藻的研究可以有效避免利用水生植物化感作用抑藻所受环境因子的不可抗因素的影响。但直接使用化感物质抑藻会造成使用区域局部浓度过高的现象，不适合直接单独使用化感物质抑藻，还需要结合现有研究技术改变化感物质的释放模式才可有效达到高效抑藻的效果。

包埋缓释技术既可以达到保护核心物质高包埋效率的同时又能达到缓慢释放核心药物的效果，契合了目前关于利用化感物质低剂量缓慢释放抑藻的设计思路。

酚酸类物质是目前已被证实的活性较强的化感物质，也是一种重要的次生代谢产物，其数量远远超过其他类化感类物质的数量。酚类物质的主要代表有苯酚类化感物质、羟基苯甲酸和肉桂酸衍生物类化感物质、黄酮类化感物质、醌类和单宁五大类等化感物质。这种代表物质对于造成水华的优势种—铜绿微囊藻具有较强的抑制作用，根据已有研究表明在该化感物质的存在下铜绿微囊藻的生物量会有明显的下降趋势。结合目前包埋研究中类似物质的包埋技术，将酚酸类物质与包埋技术结合，研发一种具有全新特色的抑藻方式。这一做法有效的利用了化感物质和包埋材料的生物相容性良好和可生物降解的特点，制备成的缓释抑藻剂，可以通过缓慢释放化感物质来抑制水体中的微藻，因此该方法无疑是一条高效、生态安全的水体富营养化处理方法。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种缓释型杀藻剂的制备方法，该方法选用环保可降解材料，避免了有毒有害物质的使用，并调节所需材料的pH值进行包埋，在保持核心被包埋物质的化感活性的同时保证较高的包埋效率，操作简单易行，包埋结果稳定。

本发明另一个目的是在于提供了一种缓释型杀藻剂在水华微藻优势藻种中的应用，不但可以有效模拟自然条件下化感物质低剂量多次释放的作用模式，还可以维持较为稳定的控藻效果，最高抑制率可达60％～75％，添加杀藻剂3～4天时间后再次添加该杀藻剂能保持较为明显的杀藻效果。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

本发明的技术构思是：所提供的缓释型杀藻剂选用抑藻活性较强的酚酸类化感物质为核心物质，结合包埋技术通过调节包埋材料的pH值保证被包埋物质的化感活性，固定液利用调节好pH的壳聚糖稀酸溶液配制相应浓度的氯化钙的壳聚糖混合溶液，可以有效提高固定化效果，制备出一种新型缓释杀藻剂。

一种缓释型杀藻剂的制备方法，其步骤如下：

(1)取0.2～1.4g海藻酸钠粉末溶解于去离子水中配制成固定体积为20mL的海藻酸钠胶状溶液，其中海藻酸钠溶液的浓度设置为1％、2％、3％、4％、5％、6％以及7％的不同浓度范围，该混合液可于50～60℃恒温水浴锅内溶解，且需不断搅拌至均匀，待气泡完全消失后，使用0.1～1.0mol/L的盐酸溶液调节海藻酸钠溶液的pH值在3.0～6.5范围内，其中pH值设置为3.0或3.5或4.0或4.5或5.0或5.5或6.0或6.5，最终获得质量百分浓度为1％～7％浓度不等、pH值分别为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5的海藻酸钠溶液备用；

(2)称取0.1g酚酸类化感物质粉末溶解于去离子水中并稀释至100mL，充分混合后配制浓度为1mg/mL的酚酸类化感物质的溶液作为杀藻剂的核心物质，本发明使用浓度约为1mg/mL的核心化感物质溶液浓度(具体核心酚酸类物质的添加量要根据所需制备的杀藻剂的量并根据包埋率去控制酚酸类化感物质的添加量)避光，-24～-20℃下冷藏，待需要混合包埋材料时取用；

其中这种酚酸类化感物质可以是邻苯二酚或没食子酸或焦性没食子酸或肉桂酸或阿魏酸其中的任意一种；

(3)称取0.2～0.8g的氯化钙粉末，配制一定质量百分浓度(1～4％)的含氯化钙粉末和壳聚糖(0.4～1.2％)的稀醋酸混合溶液20mL，其中壳聚糖是溶解于浓度为1％左右的稀醋酸溶液中，并且使用0.1～1.0mol/L氢氧化钠控制该壳聚糖溶液的pH值在4.0～6.5左右，最后得到的固定液备用；

(4)将配制好的酚酸类化感物质的溶液作为芯材溶液与海藻酸钠溶液(1％～7％)作为壁材溶液，并按照芯壁溶液体积比例(1:4～3:1)均质混合，混合5～10min，混合液备用；

(5)将混合好的酚酸类化感物质的溶液与包埋材料海藻酸钠溶液的混合液吸取至注射器中，通过一定孔径(7～16mm)的针头，将其注射到氯化钙的壳聚糖稀酸溶液内，固定10～60min，温度控制在20～30℃左右，等待固定；

(6)将步骤(5)完成后所得的缓释型杀藻剂从固定液中过滤，去离子水洗涤3～4次，装袋；

(7)所制成成品先在-20～-4℃下冷藏2－3小时，再置于-80～-60℃下冷藏至少10～14小时，然后置于冷冻干燥机中冷冻干燥10～14小时，即可得到一种缓释型杀藻剂。

本发明特征是利用酚酸类化感物质结合包埋缓释技术达到化感物质缓慢释放的效果，不但杀藻效果良好，投药周期缩短，人力与药物的使用量也大大减少。相比传统技术来说该方法使用的化感物质以及包埋材料的生物降解性能好，具有生态安全性，可以在有效处理水污染状况的同时大大降低水体环境二次污染的可能性。

一种缓释型杀藻剂在水华优势藻种中的杀藻药物中的应用，其步骤是：

A、按照化感物质持续释放的作用模式向50～300mL藻细胞密度约为1×10⁶～1×10⁸cells/L的藻液中添加0.01～1.5g的包埋的总化感物质量在2.0～3.0mg/L的该缓释型杀藻剂(具体缓释型杀藻剂的添加量要控制包埋核心化感物质的总量在2.0～3.0mg/L)；

B、设置时间段分别为1d、2d、3d、4d、5d、6d和7d的时间点提取实验组藻液1ml，稀释到可操作浓度后，按照血球计数板计算各个时间段藻种液中藻细胞密度的变化，与同组设置的空白藻种液进行对照，得出每个时间段的藻细胞抑制率；

C、加入杀藻剂的藻种密度随时间的变化规律，得到其抑制作用曲线，分析解决该缓释型杀藻剂持续抑制藻细胞生长的再次添加杀藻剂的时间点。

所述的水华优势藻种具体为铜绿微囊藻。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

(1)本发明与现有技术相比，利用的沉水植物的次生代谢产物，该物质的化感抑制作用明显同时又具有良好的生物相容性，可生物降解，对环境不易造成二次污染，生态安全性好；

(2)本发明操作简单，可控性强，核心酚酸类化感物质可以有效抑制水华优势种群微藻；

(3)本发明采用的壁材材料在核心包埋物之释放完毕后可以生物降解，且不会对水体环境造成自净负担，不存在二次污染的风险；

(4)本发明可以有效解决高剂量单次添加化感物质的抑藻效果相对较弱的现象，令其处理效果达到类似于多次添加化感物质抑制藻类生长的模拟自然状况下的情形；

(5)本发明所制备所得的缓释型杀藻剂可有效包埋住核心物质的有效作用量。利用该杀藻剂进行抑藻实验，抑藻效果可维持三天左右的释放效果，其中以第三天或第四天的抑藻效果最佳，抑藻率在60％～75％之间。

附图说明

图1为一种缓释型杀藻剂的制备方法流程图。

图2为一种缓释型杀藻剂的应用效果图。

图1所示的为一种缓释型杀藻剂的制备流程图，其中包括包埋材料的预处理以及混合包埋操作过程的详细介绍，最后通过过滤、洗涤、冷冻干燥即可得所制备的缓释型杀藻剂。

图2所示的为一种缓释型杀藻剂的应用效果图，图中表明该缓释型杀藻剂可以有效控制水华优势种藻的生长，可控范围在60％～75％左右，并且如图所示，在该缓释型杀藻剂添加藻种液3～4天后抑藻效果减弱，此时应再次添加杀藻剂，仍可得到稳定明显的杀藻效果。

具体实施方式

以下结合附图对发明的具体实施例进行解释和进一步说明。

本发明选用的水华优势种——铜绿微囊藻购于中国科学院武汉水生生物研究所，使用BG-11培养基培养。培养条件是：温度20～30℃，光照强度1000～3000lux左右，光暗周期为12h：12h，扩大培养一周后，使铜绿微囊藻达到对数生长期，再使用BG-11培养基稀释成初始藻密度为1×10⁶～1×10⁸cells/L左右备用。

实施例1：

根据图1可知，一种缓释型杀藻剂的制备方法，其步骤是：

(1)称取一定量的海藻酸钠粉末①溶解于去离子水中，于50或52或54或56或58或60℃恒温水浴溶解，制得质量百分浓度为1％、2％、3％、4％、5％、6％以及7％的20ml的不同浓度的海藻酸钠胶状溶液，然后使用0.1～1mol/L的盐酸溶液调节该海藻酸钠溶液②的pH值到5.5左右，待该海藻酸钠溶液冷却到20℃左右，气泡消失后，备用；

(2)称取0.1g酚酸类化感物质粉末③溶解于去离子水中并稀释至100mL，充分混合后配制浓度为1.0mg/mL的酚酸类化感物质的溶液作为该杀藻剂的核心物质(具体核心酚酸类物质的添加量要根据所需制备的杀藻剂的量并根据包埋率去控制酚酸类化感物质的添加量)，其中这种酚酸类化感物质可以是邻苯二酚或没食子酸或焦性没食子酸或肉桂酸或阿魏酸其中的任意一种，避光，-24或-22或-20℃下冷藏，备用，待需要混合时取用；

(3)称取0.2或0.4或0.6或0.8g氯化钙粉末④添加到质量百分浓度为1％的已经使用0.1或0.2或0.4或0.6或0.8或1.0mol/L氢氧化钠调节好pH值⑥在5.5左右的壳聚糖的稀醋酸溶液⑤中，最后令得到的氯化钙的混合溶液中氯化钙的百分质量浓度为2％，体积为20mL或30mL，此为固定液，备用；

(4)按照芯壁溶液体积比例为1:2将步骤(2)配置好的酚酸类物质的溶液混合加入到步骤(1)的海藻酸钠溶液中，其中芯材溶液是酚酸类化感物质溶液，壁材溶液是海藻酸钠胶状溶液。混合后将混合均质的核壁材料⑦的溶液逐滴滴加到pH值为5.5的2％的20mL或30mL的氯化钙的壳聚糖稀醋酸溶液⑧中固定20或25或30或35或40min，最后将得到的包埋缓释型杀藻剂⑨过滤、洗涤、干燥⑩，以包埋率作为选择指标，选取海藻酸钠最适宜的浓度范围在2或3或4％左右。

筛选出以上较适宜的制备条件后，制备出最优条件下的含酚酸类物质的包埋缓释型杀藻剂。

表1为缓释型杀藻剂制备方法的优化条件范围设置

实施例2：

根据已筛选后的制备最优条件，分别按照包埋方式的顺序不同制备三种不同的缓释型抑藻剂：

(1)第一种是将酚酸类代表物质——焦性没食子酸溶液加入到海藻酸钠溶液后直接将以上混合均质的溶液逐滴滴入到氯化钙溶液中固定20或25或30或35或40min，过滤，洗涤，干燥；

(2)第二种是将酚酸类代表物质——焦性没食子酸溶液与海藻酸钠溶液的均匀混合液预先逐滴滴加到氯化钙溶液中固定，然后过滤，洗涤，再将以上洗涤过后的包埋物投入到壳聚糖的稀醋酸溶液中固定20或24或28或32或36或40min，过滤，洗涤，干燥；

(3)最后一种是将酚酸类代表物质——焦性没食子酸溶液与海藻酸钠溶液的均匀混合溶液逐滴滴入到氯化钙的壳聚糖的稀醋酸混合溶液中固定20或26或33或40min，过滤，洗涤，干燥。

其它具体实施步骤与实施例1相同。

三种样品制备完成后，利用测总酚的方法破碎包埋剂测量其各自的包埋率，其中以第三种制作方式的抑藻剂的包埋率达在40或50或60或70％之间，而三种中最低的是第一种方式，且仅有10％左右的包埋效果。

表2为三种不同制作工序所得到的缓释型杀藻剂的包埋结果

实施例3：

一种缓释型杀藻剂在水华优势种—铜绿微囊藻中的杀藻药物中的应用，其步骤是：

A、根据化感物质的多次添加与一次性添加的比例(约每g杀藻剂加入到250～350mL的藻液中)作为参考，将0.2g制备好的缓释型杀藻剂加入到50mL的初始密度为1×10⁶cells/L的铜绿微囊藻液中，合计酚类化感物质的总添加量约为17mg/L，明显低于目前研究的单次暴露酚酸类化感物质——焦性没食子酸的一次性添加量，由此进行抑藻实验。

B、设置计数时间段分别为1d、2d、3d、4d、5d、6d、7d等时间点，然后利用血球计数板计算各个时段的藻细胞数量，观察该杀藻剂的杀藻效果，通过计算藻细胞数量变化可知该缓释型杀藻剂的最高杀藻率可达73％左右，由图2一种缓释型杀藻剂的应用效果图可知在缓释型杀藻剂作用3～4天之后再次加入该缓释型杀藻剂会得到明显的杀藻效果。

酚酸类化感物质作为化感物质的重要组成对水华优势种群具有强烈的抑制作用，目前研究发现的酚酸类化感物质类型中主要包括：苯酚类化感物质、羟基苯甲酸和肉桂酸衍生物类化感物质、黄酮类化感物质、醌类和单宁五大类。

焦性没食子酸作为酚酸类化感物质的代表性物质，活性强对铜绿微囊藻的抑制作用也是目前已报道的酚酸类化感物质中抑藻效果最强的一种，酚酸类化感物质对铜绿微囊藻(藻密度为1×10⁵cells/mL左右)抑制作用的EC₅₀大致在10或30或50或70或90或100mg/L。所制备的缓释杀藻剂单次添加总酚酸量明显在其EC₅₀范围内，模拟了自然条件下化感物质的作用模式。

Claims

1.一种缓释型杀藻剂的制备方法，其步骤是：

(1)取0.2～1.4g的海藻酸钠粉末溶解于去离子水中配制成20mL的海藻酸钠胶状溶液，海藻酸钠溶液浓度分别为1％、2％、3％、4％、5％、6％及7％，该混合液于50～60℃恒温水浴锅内溶解，不断搅拌至均匀，待气泡消失后使用0.1～1.0mol/L的盐酸溶液调节海藻酸钠溶液的pH值在3.0～6.5，获得质量百分浓度为1～7％，pH值分别为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5的海藻酸钠溶液备用；

(2)称取0.1g酚酸类化感物质的粉末溶解于去离子水中并稀释至100mL，按体积配置浓度为1mg/mL的酚酸类化感物质的溶液作为核心包埋物质，避光，-24～-20℃下冷藏，混合包埋材料时取用；

所述的酚酸类物质为邻苯二酚或没食子酸或焦性没食子酸或肉桂酸或阿魏酸其中的任意一种；

(3)称取0.2～0.8g的氯化钙粉末，配制质量百分浓度为1～4％的含氯化钙粉末的壳聚糖的稀醋酸的混合溶液20mL，其中壳聚糖的质量百分浓度为0.4～1.2％是溶解于1％的稀醋酸溶液中，控制壳聚糖溶液pH值在4.0～6.5，得到的固定液备用；

(4)将配制酚酸类化感物质的溶液与海藻酸钠溶液1～7％按照芯壁溶液体积比例为1:4～3:1均质混合，混合5～10min，混合液备用；

(5)将混合的酚酸类化感物质的溶液与包埋材料海藻酸钠溶液的混合液吸取至注射器中，通过孔径7～16mm的针头，将其逐滴滴到氯化钙的壳聚糖稀酸溶液内，固定10～60min，温度控制在20～30℃，等待固定；

(7)所制成成品先在-20～-4℃下冷藏2～3小时，再置于-80～-60℃下冷藏至少10～14小时，然后置于冷冻干燥机中冷冻干燥10～14小时，得到一种缓释型杀藻剂。

2.权利要求1所述的一种缓释型杀藻剂在水华优势藻中的杀藻药物中的应用，其步骤是：

A、按照化感物质持续释放的作用模式向50～300mL的藻细胞密度为1×10⁶～1×10⁸cells/L的藻液中添加0.01～1.5g的缓释型杀藻剂；

B、设置不同时间段分别为1d、2d、3d、4d、5d、6d和7d的时间点，按照血球计数板计算各个时间段藻种液中藻细胞密度的变化，与同组设置的空白藻种液进行对照，得出每个时间段的藻细胞抑制率；

C、加入杀藻剂的藻种密度随时间的变化规律，得到其抑制作用曲线，解决该缓释型杀藻剂持续抑制藻细胞生长的再次添加杀藻剂的时间点；

所述的水华优势藻种为铜绿微囊藻。