CN115448392A

CN115448392A - 一种焦性没食子酸缓释材料的制备方法及其抑藻应用

Info

Publication number: CN115448392A
Application number: CN202211155889.1A
Authority: CN
Inventors: 洪喻; 马明君
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2022-09-22
Filing date: 2022-09-22
Publication date: 2022-12-09

Abstract

本发明公开了一种焦性没食子酸缓释材料的制备方法及其抑藻应用，属于水体污染控制技术领域。本发明投加焦性没食子酸缓释材料于有毒和无毒铜绿微囊藻藻液中，所述材料具有高效抑藻及缓慢释放性能。本发明投加缓释材料于藻液中抑藻时，在材料浓度为0.03～0.04g/L，体系温度为25±1℃，光暗比为12h:12h，抑制时长为1～3d时可实现95％及以上的去除效率，且材料能够释放化感物质长达40d及以上。本发明价格低廉，操作简单，可以实现快速、安全、高效、长期的控制有毒和无毒铜绿微囊藻，具备良好的应用潜力。

Description

一种焦性没食子酸缓释材料的制备方法及其抑藻应用

技术领域

本发明属于水体污染控制技术领域，特别涉及一种焦性没食子酸缓释材料的制备方法及其抑藻应用。

背景技术

处于中营养状态的湖泊(水库)，大量的藻类在水体中疯长，会导致水体水质恶化，进而危害其他水生生物，影响饮用水安全。引起水华的主要优势藻种包括微囊藻、鱼腥藻、束丝藻等。目前，常用解决水华问题的方法主要包括：物理法、化学法和生物法，包括直接过滤、机械清除、投加CuSO₄或生石灰、投放微生物制剂等，同时也存在人工成本较高、易造成二次污染、水华再次复发等问题。

化感物质是植物次生代谢化合物，作为植物分泌的天然物质具有较好的生物降解性，近年来备受学者们关注。利用化感物质抑制蓝藻生长，既能发挥高效抑藻性能，还具有比较高的生态安全性，但化感物质在水中又易被分解掉，作用周期不长。因此将化感物质负载到材料中制备复合材料，不仅可以显著增加化感物质作用时长，还可以使化感物质可控的分布于水中各个位置。在水华控制领域，化感物质缓释复合材料抑藻技术将具有很大的发展前景。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可高效抑制无毒和有毒铜绿微囊藻并增加化感物质释放周期的化感物质复合材料的技术方法。通过投加微量的化感物质复合材料，实现高效的抑制无毒和有毒铜绿微囊藻生长，从而达到成本低廉、简单高效、环境友好的抑制铜绿微囊藻爆发的目的。

为了实现上述发明目的，本发明选取玉米芯生物炭作为基底材料，选择焦性没食子酸作为化感物质。

本发明中所述焦性没食子酸玉米芯生物炭的制备条件如下：

首先利用质量分数浓度为50％的硫酸溶液对玉米芯生物炭进行纯化，去除其表面的杂质，玉米芯生物炭与硫酸的用量比为3～5g:200mL，采用磁力搅拌充分反应，设置转速500r/min，搅拌时间5h对材料进行纯化，反应溶液抽滤后用蒸馏水将材料调至中性，将酸释放出来。焦性没食子酸玉米芯生物炭采用水浴加热法制备：提纯的生物炭材料与焦性没食子酸分析纯的质量比为1～5g:30mL，利用水浴恒温震荡器进行震荡反应，制备温度为50～70℃，制备转速为120～180 转/分，制备时间2～8小时。经过抽滤、干燥，即得到焦性没食子酸/玉米芯生物炭复合材料。

本发明提供了上述高效焦性没食子酸玉米芯生物炭用于抑制水华藻细胞的应用方法。称取上述制备的焦性没食子酸玉米芯生物炭5～70mg/L于藻液中，置于25±1℃、光照强度2000～4000lux、光暗比12h:12h的光照培养箱中培养，每天测定藻密度，计算抑藻率。

所述的微藻种类包括无毒铜绿微囊藻(FACHB-526)和有毒铜绿微囊藻 (FACHB-905)。

所述的焦性没食子酸玉米芯生物炭置于干燥、通风的玻璃培养皿中保存。

所述藻液中藻细胞浓度为1×10⁵～5×10⁶个/mL，焦性没食子酸玉米芯生物炭的投加量为5～70mg/L。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明选择廉价易获取的玉米芯生物炭作为基底材料，环境友好的焦性没食子酸作为化感物质，采用简单快速的制备方法制备的焦性没食子酸玉米芯生物炭(30～40mg/L)可在短时间内(3d)高效抑制无毒铜绿微囊藻和有毒铜绿微囊藻，同时保持藻液中的焦性没食子酸释放量为0.4～0.65mg/L，释放周期长达 40天及以上，进而达到持续抑制的效果。实现降低抑制成本且满足生态环境安全性的目的。该化感物质复合材料所需的制备条件易于实现和控制，抑藻效果高效且稳定，是一条经济、高效地控制水华爆发的新途径，具备良好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1中制备的焦性没食子酸玉米芯生物炭外观图。

图2为实施例2中不同剂量的焦性没食子酸玉米芯生物炭对无毒铜绿微囊藻的抑制效果图。

图3为实施例2中不同剂量的焦性没食子酸玉米芯生物炭对无毒铜绿微囊藻的抑制率图。

图4为实施例2中焦性没食子酸玉米芯生物炭抑制无毒铜绿微囊藻效果直观图。

图5实施例3中不同剂量的焦性没食子酸玉米芯生物炭对有毒铜绿微囊藻的抑制效果图。

图6为实施例3中不同剂量的焦性没食子酸玉米芯生物炭对有毒铜绿微囊藻的抑制率图。

图7为实施例3中焦性没食子酸玉米芯生物炭抑制有毒铜绿微囊藻效果直观图。

图8为实施例4中焦性没食子酸复合材料释放焦性没食子酸情况图。

具体实施方式

本发明提供了上述高效抑藻化感物质复合材料应用于抑制无毒铜绿微囊藻和有毒铜绿微囊藻的方法，包括以下步骤：

(1)按照BG11培养基配方准确称取药品，将药品溶于去离子水后，取100 mL分装到250mL锥形瓶中，用封口膜封紧后放到高压蒸汽灭菌锅内与121℃下灭菌30min。将灭菌处理后的培养基放置在无菌操作台上冷却至室温，然后在酒精灯旁接种适量的种子藻液于培养基中，混匀。将锥形瓶放置于光照培养箱内用于微藻培养，温度控制在25±1℃、光照强度2000～4000lux、光暗比12h:12 h，每天摇瓶2～3次。

(2)先把配置好的BG11培养基放入蒸汽灭菌锅中进行灭菌处理，放入超净台中进行后续实验。然后往250mL的锥形瓶中倒入100mL培养基，设置铜绿微囊藻初始藻细胞浓度为5×10⁵个/mL。实验中设置空白对照，每组实验设置三组平行。

(3)在上述实验预处理后的锥形瓶中，分别加入0,5,20,40,70mg/L浓度的焦性没食子酸玉米芯生物炭，为化感物质复合材料抑藻剂量实验组，每组实验设置三组平行，上述实验皆在超净台中完成。计算出复合材料对铜绿微囊藻的EC_50(7d)。

(4)将0.02g的焦性没食子酸玉米芯生物炭置于10mLBG11培养基中，利用福林酚分光光度法每天测定焦性没食子酸在溶液中的含量，判断焦性没食子酸在复合材料中的释放情况。

在本发明中，所述的改良BG-11培养基的成分为：1.500g/LNaNO₃、0.04g/LK₂HPO₄·3H₂O、0.075g/LMgSO₄·7H₂O、0.036g/L CaCl₂·2H₂O、0.006g/L柠檬酸、 0.006g/L柠檬酸铁铵、0.02g/LNa₂CO₃、0.001g/LNa₂EDTA、0.00286g/L H₃BO₃、 0.00181g/LMnCl₂·4H₂O、0.00022g/LZnSO₄·7H₂O、0.000079g/L CuSO₄·5H₂O、 0.00039g/LNa₂MoO₄·2H₂O、0.000049g/L Co(NO₃)₂·6H₂O、10g/L葡萄糖。

在本发明中，所述的福林酚分光光度法具体操作如下：将0.02g的焦性没食子酸玉米芯生物炭至于10mLBG11培养基中，取0.1mL上清液样品，加入5mL 蒸馏水稀释，再加入1.0mL Folin-Ciocalteu显色剂，静置1～2min后，加入2.0mL 的10％(w/v)的Na₂CO₃溶液，最后用蒸馏水定容到10mL，并置于恒温水浴 55℃下反应40min后，显色完毕后，测定其在波长770nm处的吸光度值A_770nm。样品多酚含量的计算公式如下所示：

x-焦性没食子酸浓度，单位(μg/mL)；y-样品在770nm波长下的吸光度， A_770nm。

本发明的焦性没食子酸玉米芯生物炭对无毒铜绿微囊藻和有毒铜绿微囊藻均具有比较强的抑制作用，抑制率高达95％以上。且负载到玉米芯生物炭中的焦性没食子酸可以缓慢的释放出来，溶液中释放的焦性没食子酸浓度达到 0.4～0.65mg/L，相比于单独投加化感物质焦性没食子酸与水体中，该材料具有可控位、成本低、效率高等优势，在工业化应用和生产加工具有明显优势。

下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

称取5g纯化玉米芯生物炭于50mL锥形瓶中，与焦性没食子酸分析纯30mL 混匀，利用水浴恒温震荡器进行震荡反应，温度50℃，转速为120r/min，震荡 2小时后抽滤干燥，得到焦性没食子酸/玉米芯生物炭复合材料。

实施例2

使用电子天平称取0.0005、0.002、0.004、0.007g(5、20、40、70mg/L) 的焦性没食子酸玉米芯生物炭于称量纸中备用。在无菌工作台取样计数后取定量无毒铜绿微囊藻藻液转移至含100mL改良BG-11的锥形瓶中，使得藻液浓度为5×10⁵个/mL。将称量纸中的焦性没食子酸玉米芯生物炭转移至含有固定密度藻液的锥形瓶中，在25±1℃、光照强度2000～4000lux、光暗比12h:12h的光照培养箱中进行抑藻试验，并每隔24h取样，使用血球计数板数藻密度，计算抑藻效率。

实施例3

使用电子天平称取0.0005、0.002、0.004、0.007g(5、20、40、70mg/L) 的焦性没食子酸玉米芯生物炭于称量纸中备用。在无菌工作台取样计数后取定量有毒铜绿微囊藻藻液转移至含100mL改良BG-11的锥形瓶中，使得藻液浓度为5×10⁵个/mL。将称量纸中的焦性没食子酸玉米芯生物炭转移至含有固定密度藻液的锥形瓶中，在25±1℃、光照强度2000～4000lux、光暗比12h:12h的光照培养箱中进行抑藻试验，并每隔24h取样，使用血球计数板数藻密度，计算抑藻效率。

实施例4

使用电子天平称取0.02g焦性没食子酸玉米芯生物炭置于10mLBG11培养基中，每天在同一时刻取0.1mL上清液样品，加入5mL蒸馏水稀释，再加入1.0 mLFolin-Ciocalteu显色剂，静置1～2min后，加入2.0mL的10％(w/v)的Na₂CO₃溶液，最后用蒸馏水定容到10mL，并置于恒温水浴55℃下反应40min后，显色完毕后，测定其在波长770nm处的吸光度值A_770nm。根据计算公式计算样品中多酚含量，表示焦性没食子酸从材料中释放情况。

结果如图2、图3所示，在实施例2中，抑制无毒铜绿微囊藻时，焦性没食子酸玉米芯生物炭的投加量达到40mg/L以上时，在第4d就可达到99％的抑制效率，相比于对照组，无毒铜绿微囊藻被显著抑制。如图4所示，与对照组相比，投加复合材料组藻液变清澈。

如图5、图6所示，在实施例3中，抑制有毒铜绿微囊藻时，焦性没食子酸玉米芯生物炭的投加量达到40mg/L以上时，在第4d就可达到88％的抑制效率，相比于对照组，有毒铜绿微囊藻也被显著抑制。如图7所示，与对照组相比，投加复合材料组藻液变清澈。

在实施例4中，如图8所示，焦性没食子酸从材料中缓慢释放到水体中，第1天溶液中焦性没食子酸浓度达到0.45mg/L，后面随着时间的增加，焦性没食子酸释放逐步增多，但可以看出其释放速度是缓慢的，进而表明本发明焦性没食子酸玉米芯生物炭可以达到缓慢释放化感物质控藻的目的。

综上所述，本发明的焦性没食子酸玉米芯生物炭对无毒铜绿微囊藻和有毒铜绿微囊藻均具有很强的抑制效果，且可以达到缓释化感物质的目的，具有高效、操作简单、作用周期长、可控位、环境友好等优势。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种焦性没食子酸缓释材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将玉米芯生物炭纯化处理，得到纯化玉米芯生物炭。

2)所述纯化玉米芯生物炭与化感物质焦性没食子酸分析纯共浸渍后烘干，得到化感物质缓释复合生物炭。

2.根据权利要求1所述的一种焦性没食子酸缓释材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的纯化处理采用下述方法：利用质量分数浓度为50％的硫酸溶液进行纯化，玉米芯生物炭与硫酸的用量比为3～5g:200mL混合，以500r/min的搅拌转速搅拌反应5h，反应溶液抽滤后用蒸馏水洗涤材料至中性，即得到纯化玉米芯生物炭。

3.根据权利要求1所述的一种焦性没食子酸缓释材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的共浸渍处理采用下述方法：采用水热合成法将化感物质负载到玉米芯生物炭材料中，纯化的玉米芯生物炭材料与焦性没食子酸分析纯的质量比为1～5g:30mL。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在震荡的条件下进行水热合成，制备温度为50～70℃，制备转速为120～180转/分，制备时间2～8小时。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，浸渍液经过抽滤、烘干，即得到焦性没食子酸玉米芯生物炭缓释材料。

6.根据权利要求1～5任一项所述制备方法制得的化感物质缓释复合材料，所述缓释复合材料可以释放到水体中的焦性没食子酸浓度为0.4～0.65mg/L，其释放化感物质的周期长达40天及以上。

7.权利要求7所述化感物质缓释复合材料作为同时高效抑制无毒和有毒铜绿微囊藻的应用，所述铜绿微囊藻初始藻密度为1×10⁵～5×10⁶个/mL。