铜绿微囊藻杀藻剂的现状综述：性能及机理

金吉媛，黄馨雯，曹 杰，吴兵党，3

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 611130；2.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州 215009；3.苏州市海绵城市技术重点研究实验室，江苏苏州 215002）

近年来由富营养化引起的蓝藻水华的暴发带来了诸多问题〔1〕。蓝藻水华暴发时将导致水环境恶化，引起其他水生生物死亡并进一步恶化环境。此外，当水源地暴发蓝藻水华时会给水处理带来很大困难，可能引发供水安全问题〔2〕。除蓝藻本身外，蓝藻还会产生对环境有害的嗅味物质和藻毒素，其中嗅味物质通常引起感官不适，而藻毒素则可能危害生物健康，因此藻毒素是蓝藻分泌物质中最受关注的物质之一〔3〕。

铜绿微囊藻是蓝藻水华暴发时常见的优势种〔1〕，如我国太湖、巢湖和滇池的水华主要物种就是铜绿微囊藻。铜绿微囊藻作为优势藻种具备很多特点〔4〕：铜绿微囊藻细胞中的气泡可以调节藻细胞在水柱中的垂直位置，以适应环境变化获得适当的光和营养；铜绿微囊藻可在磷过剩水体中吸收过量磷，从而为其在缺磷时期提供磷；铜绿微囊藻外部有多层黏液鞘，可削弱外界环境压力；铜绿微囊藻分泌的微囊藻毒素（MC）对其他生物的化感作用也有助于铜绿微囊藻成为优势物种。

控制蓝藻水华的最有效安全的方法之一是减少水中营养物质的含量。然而，目前直接减少水中营养物质的方法有限，且费力耗时。对于已暴发的蓝藻迫切需要一些措施来快速、有效地控制藻类的进一步生长。近年来，杀藻剂作为一种快速高效杀藻的方式得到了广泛的关注〔3-5〕。

笔者选取了近年来备受关注的几种杀藻剂，综述了这些物质对铜绿微囊藻的杀藻效果及其作用机理，为选择合适的杀藻剂提供参考，对杀藻剂作用机理的全面描述也有助于推断杀藻剂对其他生物的潜在影响。还特别关注了这些杀藻剂对MC的影响，以便能够综合考虑杀藻剂对铜绿微囊藻的杀藻效果和对生态环境的影响。最后，讨论了杀藻剂研究和应用的局限性，并提出了可能的解决方案。

1 有机类

1.1 酚类物质

酚是多种植物化感物质的主要成分之一，一些酚已被发现是良好的杀藻剂〔6〕，如氢醌（BQH2）、焦性没食子酸（PA）、没食子酸（GA）和儿茶酚。

1.1.1 氢醌（BQH2）

醌是天然有机质或腐殖质中的主要活性物质，常被作为二者的代表性物质，其中BQH2就是典型的代表物质之一〔7〕。此外，BQH2也是一种广泛存在于茶叶和小麦中的化感物质〔8〕。

BQH2对铜绿微囊藻有较好的杀藻效果，其EC50为0.3 mg/L〔8〕。BQH2在pH较低的环境中杀藻效果更优，因为碱性环境导致BQH2聚合从而降低了BQH2对铜绿微囊藻的杀藻效果〔7〕。BQH2作为一种光敏性物质可能对MC有降解作用（图1），但是杀藻过程中随着藻细胞破裂MC会大量释放到水环境中〔9〕。综合来看，BQH2是一种优良的杀藻剂，但其可导致MC释放，而目前对于BQH2杀藻机理以及BQH2对MC的降解性能认识有限，从而限制了BQH2作为杀藻剂的应用。

图1 微囊藻毒素在杀藻剂作用下的变化Fig.1 The evolution of MC in the presence of algaecides

1.1.2 焦性没食子酸（PA）

PA是一种从大型植物Myriophyllum spicatum中分泌出来的化感物质，对铜绿微囊藻有较强的杀藻作用，其EC50为0.7 mg/L〔6，8〕。

PA是一种强效还原剂，可以迅速自氧化生成相应的半醌自由基和邻苯二酚，因此氧化应激可能是PA抑制藻类生长的重要原因〔8〕（图2）。PA作用过程中涉及膜脂质过氧化基因的上调〔10〕，胞内抗氧化的超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶以及膜脂质过氧化的最终产物丙二醛和胞内活性氧含量也增加〔10-11〕，证实了PA对藻类的氧化应激是藻类死亡的重要原因。

图2 杀藻剂的作用机制概述Fig.2 The working mechanisms of algaecides

PA对铜绿微囊藻的光合系统和DNA链也有影响（图2）。PA使得藻胞内色素（叶绿素a和类胡萝卜素）含量〔12〕和碱性磷酸酶活性〔9〕降低，与光合作用相关的部分蛋白调控基因上调〔10，12〕，光合系统Ⅱ电子传递活性被抑制〔13〕。此外，PA使得两个DNA修复基因的表达上调〔11〕，DNA链断裂〔14〕。

PA对MC浓度的影响与其添加量有关。当PA质量浓度大于10 mg/L时，与MC合成相关基因的表达上调，导致MC浓度增加〔10-11〕（图1）。虽然PA是一种对铜绿微囊藻抑制效果显著的化感物质，但应该考虑PA的剂量（4.5～10 mg/L），以确保有效控制有害藻类生长的同时降低MC的释放〔11〕。

1.1.3 没食子酸（GA）

GA是Myriophyllu spicatum分泌的另一种化感物质，也可以有效抑制铜绿微囊藻生长〔6，8〕，EC50为1.0～1.73 mg/L〔8，15〕。与PA相同，GA自氧化生成的自由基被认为是抑制藻类生长的来源之一〔8〕，GA引起藻胞内超氧化物歧化酶活性的变化也说明了GA的氧化性作用〔16〕。叶绿素a的浓度和叶绿素荧光参数（非光化学猝灭和有效量子效率）的强度随着GA的加入而降低，以及GA对光合系统Ⅱ活性的抑制说明GA也使得蓝藻光合系统受损〔13〕（图2）。然而目前关于GA存在下MC变化的研究有限，故而GA作为一种杀藻剂的生态安全性还有待商榷。

1.1.4 儿茶酚

儿茶酚也是一种常见的酚类高效杀藻剂，L.X.NI等〔17-18〕发现它甚至比PA和GA更有效，EC50为0.3 mg/L。儿茶酚处理的藻类在生长过程中超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和可溶性糖的增加表明儿茶酚通过氧化胁迫抑制了藻类的生长〔17〕，非酶类抗氧化剂以及藻细胞膜表面破坏进一步证实了儿茶酚对铜绿假微囊藻的氧化作用〔19〕（图2）。虽然儿茶酚是一种很好的杀藻剂，但其对环境的影响还有待进一步研究，以便为其实际应用提供参考。

1.2 其他有机物

1.2.1 2-甲基乙酰乙酸乙酯（EMA）

EMA可从芦苇中分离得到，对铜绿微囊藻有很好的杀藻效果，EC50为0.68 mg/L〔18〕。

氧化应激是EMA抑制铜绿微囊藻生长的主要原因〔18，20-21〕（图2）。在一定浓度的EMA中暴露后，蓝藻胞内超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性均增加，但随着EMA浓度的增加和暴露时间的增长，藻细胞死亡破裂而导致各种酶活均降低〔18，20〕。EMA作用下藻胞内非酶类抗氧化剂的变化趋势与各抗氧化酶相似〔20〕，且EMA引起了胞内活性氧的累积和丙二醛的显著增加〔21〕，表明了EMA诱导铜绿微囊藻胞内活性氧累积，从而引起胞内抗氧化性物质变化，当抗氧化性物质不足以抵抗胞内活性氧带来的氧化损伤时引起膜损伤等，而膜损伤破裂也伴随着胞内物质如MC的释放〔3〕。

EMA对蓝藻的光合作用亦有影响。蓝藻暴露于EMA后细胞内叶绿素a、胡萝卜素和藻胆蛋白均减少，细胞内可见蓝藻素颗粒聚集，光合系统的有效量子效率、光合作用效率和最大电子传递速率均显著下降〔3〕。

1.2.2L-赖氨酸

一些微生物的分泌物可以有效抑制铜绿微囊藻的生长，分析发现主要活性成分是L-赖氨酸，L-赖氨酸作用于铜绿微囊藻的最低有效质量浓度为6～10.5 mg/L〔22〕。尽管L-赖氨酸的最低有效浓度较高，但由于它是哺乳动物必需氨基酸之一，相对安全且无毒，且MC浓度在杀藻过程中逐渐减少〔23〕

L-赖氨酸主要造成蓝藻光合系统受损，改变了藻胆蛋白的组成，降低了藻胞内叶绿素a含量〔24-25〕，且对叶绿素荧光参数有一定的影响〔26〕，而胞内超氧化物歧化酶活性和丙二醛含量经L-赖氨酸处理后与对照组没有显著差异（图2）。但是也有研究发现L-赖氨酸使超氧化物歧化酶活性、丙二醛和超氧阴离子含量增加〔27〕，这可能与不同研究中L-赖氨酸的用量有关，当L-赖氨酸浓度足够高时可能会对细胞产生氧化压力。此外，基于L-赖氨酸的结构和细胞的运作机制，推测L-赖氨酸的杀藻作用可能与细胞的氮吸收或氮代谢系统有关〔28〕，也可能是L-赖氨酸取代细胞中中位二氨基甲酸残基从而导致细胞运作异常而死亡〔29〕。

需要注意的是L-赖氨酸是一种有机氮源，使用L-赖氨酸作为杀藻剂无疑会将氮源引入水中〔26，29〕。L-赖氨酸控制蓝藻的有效质量浓度（相当于1.4 mg/L氮）高于水中平均氮质量浓度（0.7 mg/L）〔29〕。虽然L-赖氨酸不能被蓝藻直接吸收利用，但是其可被其他微生物转化为氨氮，而氨氮可被蓝藻吸收利用〔23〕。因此，L-赖氨酸能否应用于蓝藻水华的控制还需要更深入的研究，特别是由于L-赖氨酸是一种有机氮源，需要考虑其对水体的长期影响，以及在不同水体中L-赖氨酸可能产生的不同效果。

1.2.3 血根碱

血根碱是罂粟科植物的提取成分之一，是对铜绿微囊藻毒性最大的提取生物碱，EC50为0.29 mg/L〔30〕，被证实比传统杀藻剂CuSO4杀藻作用更强〔31〕。

血根碱攻击蓝藻的多个位点（图2）。血根碱作用后铜绿微囊藻的色素含量和叶绿素荧光参数发生变化，且编码光合系统Ⅱ蛋白的相关基因表达被抑制，由此可见血根碱对光合系统Ⅱ有影响〔31〕。胞内活性氧增多且编码重要抗氧化蛋白的相关基因上调表明血根碱诱导了铜绿微囊藻的氧化应激，另外还发现血根碱使得部分DNA损伤且抑制了细胞分裂〔31〕。

与其他杀藻剂相同，血根碱会导致细胞破裂释放MC〔1〕，但在长时间作用过程中，血根碱降低了MC的浓度〔1，4〕，这可能源于血根碱对相关基因的调控〔31〕（图1）。实际水体中的实验结果表明，其他水生生物也受到血根碱的影响，原核藻类对血根碱的敏感性高于真核生物〔1〕。此外，长时间使用后铜绿微囊藻将对血根碱产生抗药性〔1，4〕。

总体而言，血根碱虽然是一种优良的杀藻剂，也可以控制MC的含量，但铜绿假微囊藻的再生长以及血根碱对某些水生生物的不利影响可能限制其作为杀藻剂的应用。

2 无机类

2.1 过氧化氢（H2O2）

H2O2由于降解产物是H2O和O2而被认为是一种相对环境友好的杀藻剂。H2O2杀藻性能受光照强度影响，在0～500 μmol/（m2·s）范围内，随着光照强度的增加，反应3 h时，H2O2对铜绿微囊藻的EC50从6.63 mg/L降至0.27 mg/L〔32〕。

H2O2主要通过两个方面抑制藻类的生长：一是削弱藻类的解毒作用，即作用于抗氧化系统，二是攻击光合系统〔5〕（图2）。H2O2进入含蓝藻水体后首先攻击细胞膜〔33〕，使细胞中的活性氧增加，刺激相应的抗氧化酶活性和丙二醛含量增加〔34〕，最终H2O2进入藻胞内攻击光合系统〔33〕。蓝藻光合系统受损的具体表现如下：色素含量减少，捕光色素从光合系统Ⅱ中分离，光合作用相关基因表达下调，光合作用量子效率下降，D1蛋白被破坏〔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的主要物种〔33〕。此外，H2O2也可通过下调MC合成相关基因的表达来控制MC含量〔34〕（图1）。但需要注意的是H2O2对降解MC的细菌有毒害作用〔36〕，因此使用时需注意控制其浓度。H2O2对水环境中的真核藻类相对友好〔5，32，35，37〕，然而高浓度的H2O2会降低浮游细菌的丰度，且对部分浮游动物有害〔37〕。

2.2 硫酸铜（CuSO4）

CuSO4是最早使用的杀藻剂之一，其杀藻性能强于H2O2，96 h的EC50为9～112 mg/L（以Cu计）〔38-39〕。

CuSO4可从多个方面影响蓝藻的生长（图2）。CuSO4增加了细胞内活性氧含量和抗氧化酶超氧化物歧化酶活性，最终导致丙二醛含量增加〔34〕，此外CuSO4使得蓝藻光 合 作 用 相 关 基因表达下 调〔3，34〕。代谢组学分析结果也表明CuSO4对藻类有氧化作用，且破坏了光合系统〔38〕。

CuSO4虽然不能降解MC，且对一些环境中可降解MC的细菌有毒害作用〔36〕，但是一些与MC合成相关基因的表达随着CuSO4的加入而下调〔34〕（图1）。CuSO4在实际水体中的杀藻性能已被广泛证实〔40〕，但是蓝藻在CuSO4作用一段时间后会再次生长〔40〕，且水中残留铜离子会进入到沉积物中，对水环境长期产生不利影响〔41〕。此外CuSO4用于处理水源地中的蓝藻水华时可能存在增加水中消毒副产物的风险〔2〕。

3 结语与展望

尽管杀藻剂具有潜在危害，但由于杀藻剂在紧急控制蓝藻水华方面的重要性，科学家们并没有放弃对其的开发和探索。建议基于不同类型杀藻剂的特点针对性地开展相关研究。多数有机类杀藻剂是化感物质，尽管化感物质来自大自然，但当用作杀藻剂时它们的浓度往往超过了在水中的本底水平。因此，化感物质对非目标生物的影响仍需加强评估。而H2O2和CuSO4作为非化感类物质，是水中的外来物质，其环境危害需要比化感物质更慎重考虑，特别是长期使用后的危害。一般来说，生态友好的杀藻剂应具备以下特点：对形成水华的蓝藻可选择性抑制；有效控制MC；对其他水生生物友好；是可回收或可生物降解的物质（避免在环境中富集）。

就目前杀藻剂的研究进展而言，将杀藻剂直接应用于天然水中仍存在一些问题：MC的大量释放、对非目标生物的影响、难降解物质在水中的富集等。以缓释的方式使用杀藻剂可能是一种解决思路：通过减缓杀藻剂的释放速度从而降低藻类破裂的速度，进而减缓MC的释放速度，保留充足时间降解MC，同时这也可以减弱杀藻剂对其他生物的危害。还可以考虑将杀藻剂与其他技术相结合，以在保证快速有效杀藻的同时减少杀藻剂用量，最大限度地减少对其他水生生物的影响，并减少MC释放的风险。如果能同时实现对蓝藻生长的抑制和对营养物质的减量，蓝藻水华问题的解决将指日可待。