（等离子体物理专业论文）海洋赤潮生物羟基自由基致死的中试实验研究.pdf

中文摘要 摘要 我国海洋赤潮大面积频繁发生，导致部分海洋生态系统的结构与功能几乎彻 底崩溃，对我国近岸海域环境质量亮出了红牌，对世界范围内的海洋资源利用和 海洋经济造成了严重的负面影响。国务院颁布的国家中长期科学和技术发展规 划纲要，将加强海洋生态与环境保护技术研究，发展近海海域生态与环境保护、 修复及海上突发事件应急处理技术，列入“环境重点领域中“海洋生态与环境 保护”的优先主题。如何安全有效治理海洋赤潮成为目前国际海洋环境研究中的 难点和热点之一j 本文主要研究大气压强电场放电制取羟基自由基，使用o h 处理浮游生物实 验系统i 和o h 处理浮游生物实验系统i i 致死海洋赤潮藻类。本文以致死海洋赤 潮藻类使其达到不暴发赤潮的基准浓度为目的，主要研究以下几个方面的内容： 使用o h 处理浮游生物实验系统i 确定有效杀灭海洋赤潮藻类的喷洒装置规格及 喷洒装置放置的最佳深度；并以其为条件确定杀灭7 2 1 1 0 5c e l l m l 旋链角毛藻 并使其达到不暴发赤潮所需要的羟基自由基浓度为0 7 2 8 m g l ：杀灭8 2 4 1 0 4 c e l l m l 海洋原甲藻并使其达到不暴发赤潮时所需要的羟基自由基浓度为 o 7 0 8 m g l ；杀灭7 3 1 1 0 3 c e l l m l 海洋卡盾藻并使其达到不暴发赤潮所需要的 羟基自由基浓度为0 6 2 4 m g l 。根据实验数据，进一步完善系统，建立o h 处理 浮游生物实验系统i i ，在此系统基础上进行2 5x1 0 4 c e l l m l ，6 0x1 0 4 c e l l m l ， 9 0 1 0 4 c e l l m l 的混合藻种羟基自由基致死实验，致死2 5 1 0 4 c e l l m l ，6 0 1 0 4 c e l l m l ，9 0 1 0 4 c e l l m l 的混合藻种所需要的羟基自由基浓度分别为 0 7 m g l ，1 1 m i g l ，1 3 m g l 。致死后的藻类在五日内没有再生想象。水质指标 值符合第二类海水标准。通过生物机理指标值的变化验证羟基自由基对浮游藻类 的杀灭效果。验证了羟基自由基对海洋浮游藻类的形态和活性、叶绿素a 、谷胱 甘肽浓度、d n a 、r n a 、核酸的含量均有重要影响。 羟基自由基对海洋赤潮藻类具有很强杀灭效果，可以有效地治理渤海海域的 环境污染问题，有很长远的发展价值。 关键词：海洋赤潮生物；羟基自由基；致死 英文摘要 a b s t r a c t m yf r e q u e n to c c u r r e n c eo fl a r g ea r e a so fr e dt i d e ，l e a d st os o m eo ft h em a r i n e e c o s y s t e ms t r u c t u r ea n df u n c t i o na l m o s tc o m p l e t e l yc o l l a p s e d ，c h i n a se n v i r o n m e n t a l q u a l i t yo fc o a s t a lw a t e r ss h o w e dt h er e dc a r d ，t h ew o r l d w i d eu s eo f m a r i n er e s o u r c e s a n dm a r i t i m ee c o n o m yh a sh a ds e r i o u sn e g a t i v ei m p a c t 。s t a t ec o u n c i lp r o m u l g a t e d t h e ”n a t i o n a ll o n g t e r md e v e l o p m e n tp l a nf o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ”，t h ep l a nw i l l e n h a n c et h em a r i n ee c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nt e c h n i c a lr e s e a r c h ， d e v e l o pe c o l o g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , c o a s t a l ，r e s t o r a t i o na n dh a is h a n g e m e r g e n c yr e s p o n s ep r o c e s s i n g ，”e n v i r o n m e n t ”p r i o r i t ya r e a si nt h e ”m a r i n ee c o l o g y a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ”o ft h ep r i o r i t yt h e m e s h o wt ob es a f ea n de f f e c t i v e m a n a g e m e n to fr e dt i d er e s e a r c hi nt h ei n t e r n a t i o n a lm a r i n ee n v i r o n m e n ti so n eo f d i f f i c u l ta n dh o ts p o t s i nt h i sp a p e r , w eu s es t r o n ge l e c t r i cf i e l dd i s c h a r g eo fa t m o s p h e r i ct om a k e h y d r o x y lr a d i c a l u s i n g o ht r e a t m e n tp l a n k t o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mia n d o h t r e a t m e n te x p e r i m e n t a ls y s t e mi it ot r e a tr e dt i d ea l g a e i nt h i sp a p e r , d i e do fr e d t i d eo u t b r e a k so fr e dt i d ea l g a et or e a c ht h eb e n c h m a r kl e v e l sa r en o tt h em a i ns t u d y a r e a s ，w ea l s ou s ep l a n k t o n o ht r e a t m e n te x p e r i m e n t a ls y s t e mit ot r e a tr e dt i d e a l g a ea n d t oi d e n t i f yt h eb e s ts p r a y i n ge q u i p m e n to fs p e c i f i c a t i o n sa n dt h eb e s tp l a c e d e p t h ；a n du n d e ri t sc o n d i t i o n , t ot r e a t7 21 10 5c e l l m lc h a e t o c e r o ss p i nc h a i n a n dm a k ei tt ot h eo u t b r e a ko fr e dt i d ei sn o t r e q u i r e df o rh y d r o x y lr a d i c a l c o n c e n t r a t i o no fo 7 2 8 m g l ；t r e a tt h eo r i g i n a l8 2 4 10 4 c e l l m lo c e a n d i n o f l a g e l l a t er e dt i d eo u t b r e a k sa n dt oa c h i e v et h er e q u i r e dn o n - h y d r o x y lr a d i c a l c o n c e n t r a t i o no fo 7 0 8 m g l ；k i l l7 31 10 3 c e l l m lm a r i n aa n dm a k ei ta no u t b r e a k o fr e dt i d ed o e sn o tr e a c ht h er e q u i r e dc o n c e n t r a t i o no fh y d r o x y lr a d i c a l s0 6 2 4 m g l a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a , f u r t h e ri m p r o v et h es y s t e mt oe s t a b l i s h o h t r e a t m e n tp l a n k t o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mi i ，i nt h i ss y s t e mb a s e do n2 5 10 4 c e l l m l ， 6 0 10 4 c e l l m l ，9 0 10 4 c e l l m lm i x e da l g a ls p e c i e se x p e r i m e n to fh y d r o x y l r a d i c a l s ，d i e do f2 5 10 4 c e l l m l ，6 0 10 4 c e l l m l ，9 0 10 4 c e l l m lm i x e da l g a l 英文摘要 s p e c i e sn e e dh y d r o x y lr a d i c a lc o n c e n t r a t i o n sw e r e0 7 m g l ，1 1 m g l ，1 3 r a g l d i e da l g a ei s n tr e g e n e r a t i o no fi m a g i n a t i o nw i t h i nf i v ed a y s w a t e rq u a l i t yi n d e x v a l u e sw i t h i nt h es e c o n dc l a s so fs e aw a t e rs t a n d a r d s i n d i c a t o r so fb i o l o g i c a l m e c h a n i s m sc h a n g e sc a l lc e r t i f i c a t eh y d r o x y lr a d i c a le f f e c to nt h et r e a t m e n to f p l a n k t o n i ca l g a e h y d r o x y lr a d i c a lh a sa l li m p o r t a n te f f e c t o nf o r m so fm a r i n e p l a n k t o n i ca l g a ea n da c t i v i t y , c h l o r o p h y l la g l u t a t h i o n ec o n c e n t r a t i o n ，d n a ，r n a ， n u c l e i ca c i dc o n t e n tw e r ev e r i f i e d h y d r o x y lr a d i c a lh a sas t r o n gk i l l i n ge f f e c to nt h em a r i n er e dt i d ea l g a ea n d r i o o u t b r e a k so fr e dt i d et or e a c ht h eb e n c h m a r kc o n c e n t r a t i o n r e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t a lc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o le n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o no fb o h a is e aa p p e a ri n t h em a r i n ep o l l u t i o nn o w , a n di th a sal o n g t e r md e v e l o p m e n to ft h ev a l u eo fi t k e yw o r d s ： m a r i n er e d - t i d eo r g a n i s m s ；h y d r o x y lr a d i c a l ；t r e a t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文“海洋赤潮生物羟基自由基致死的中试实验研究 。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文 全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出 版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密团( 请在以上方框内打“”) 一：瓣一名懒飙一钼尹 海洋赤潮生物羟基白由基致死实验研究 第1 章绪论 1 1 课题背景及赤潮研究的意义 1 1 1 赤潮概述 所谓赤潮，是指海洋中某些微小的浮游生物、原生动物或细菌等，在一定环 境条件下突发性地增殖或聚集达到某一水平；从而引起水体变色的一种生态异常 现象，也称为有害藻华，是海洋中的“沙尘暴”【l 】。能形成赤潮的微小浮游生物 称为海洋赤潮生物。但是赤潮的颜色并不都是红色，主要取决于引发赤潮的不同 海洋赤潮生物种类。由夜光虫引发的赤潮，海水呈现出深红色或者粉红色；由双 鞭毛藻引发的赤潮，海水呈绿色或者褐色：由漆沟藻引发的赤潮，海水颜色会因 环境条件而变化【2 1 。在我国沿海发生赤潮的赤潮生物有3 0 多种，主要是甲藻类 ( 1 5 种) ，硅藻类( 7 种) 和蓝藻类( 4 种) 【3 1 。发生赤潮会对海洋生物和海洋环 境造成严重危害。高度密集的赤潮生物，能够堵塞鱼类、贝类的呼吸器官，影响 鱼类和贝类的正常呼吸，导致鱼类和贝类缺氧而死；某些被赤潮毒死的鱼类或贝 类还会继续分泌赤潮毒素，影响周围的海洋生物的生存，威胁到更多海洋生物的 生命；此外这些赤潮生物，鱼类和贝类的残骸仍然会留在海罩而容易被氧化分解， 消耗海水中的溶解氧，使海水缺氧而发臭，海洋环境恶化：赤潮还可以使局部海 域海水中物质成分发生变化，造成海洋生态系统失衡，生物群落结构异常。尤其 在我国，赤潮发生更加频繁，已经由原来分散的少数几片海域发展成成片海域1 4 】。 根据赤潮生物有无毒性可将赤潮分为两大类：无毒赤潮和有毒赤潮。 无毒赤潮在通常情况不会影响海水的正常养殖，如最为常见的赤潮生物夜光 藻在海洋中分布广泛，是甲藻中较为特殊的一个藻种，经常出现在我国东海春夏 季节，属于介核生物，根据其异养的特性，也被人们称作夜光虫。夜光藻的细胞 大小为0 2 - - 2 毫米，在我国海域一般为0 4 - - - , 0 7 毫米大小，大的肉眼即能看见， 其细胞无色透明；高度囊泡化，有一个能轻微活动的触手；能将外晃的小型浮游 植物或有机颗粒送入胞口内；在细胞内形成食物泡进行消化：其原生质集聚于胞 1 ：3 附近，原生质中有一个核【5 】。由夜光藻引发的赤潮一般是无害的。只是由于其 数量过多，当它们死亡分解时会造成海水缺氧，使鱼类等海洋动物窒息死亡这 种赤潮在我国以及浙江近海流域最为常见。据统计，它们造成鱼类死亡的比例不 第1 章绪论 到5 【6 】。 有毒赤潮是指发生赤潮时产生的危害极大。它们可直接致死鱼类和贝类或通 过其他海洋生物的积累和传递藻类毒素，从而最终危害其他食用这种携毒种类的 生物，如贝类对海洋藻毒素的积累可对人类造成生命威胁。国际上一般称此类赤 潮为有害藻华，引发有害藻华的赤潮生物有时在细胞密度较低的情况下造成危 害，主要是它们可将赤潮毒素沿食物链向上传递。如常见的亚历山大藻、鳍藻等 在浙江沿海区域均是广泛分布的种类。科学上目前已经知道的赤潮藻毒素主要有 麻痹性贝毒、腹泻性贝毒、记忆缺失性贝毒、神经性贝毒、西加鱼毒，以及溶血 性毒素等【_ 7 1 。不仅贝类海洋生物含有赤潮毒性，虾、蟹、鱼类等海产品也同样含 有毒性。研究还发现，虽然欧美一些沿海国家经常出现有毒赤潮，赤潮区海产品 的毒素含量也很高，但是自2 0 世纪8 0 年代后发生海产品食物中毒的事件则相对 较少，主要是因为这些国家有较完善的海产品监测、管理措施和手段。而在亚洲 等一些欠发达地区，对赤潮区海产品尚缺乏强有力的监测管理措施，导致食用贝 类而导致中毒的事件时有发型引。 引发赤潮的生物成为赤潮生物，由于本实验主要研究海洋中爆发赤潮的生 物，下文称海洋赤潮生物。海洋浮游藻类是引发赤潮的主要海洋赤潮生物。主要 是一些单细胞浮游藻类以及少数种类的原生动物。据统计，目前国内外己记录形 成赤潮的生物种类有2 6 0 余种其中最主要的是甲藻类和硅藻类，也有金藻、蓝 藻、隐藻等藻类和浮游动物。目前在己知的赤潮生物中，已发现有7 8 种有毒， 其中以甲藻居多。不同赤潮藻类爆发赤潮的基准浓度的也不一样，下表1 1 判断 赤潮发生的赤潮生物密度和表1 2 主要赤潮生物发生赤潮时的细胞基准浓度【9 】。 当发现各种大小的赤潮生物的密度超过下表的基准浓度时，就有可能形成赤潮。 海洋赤潮生物羟基自由基致死实验研究 表1 1 判断赤潮发生的赤潮生物密度 t a b l e1 1d e t e r m i n et h ed e n s i t yo fr e dt i d eo c c u r r e n c eo fr e dt i d eo r g a n i s m s 表1 2 主要赤潮生物发生赤潮时的细胞基准浓度 t a b l e1 2c e l lb a s ec o n c e n t r a t i o n so fm a j o rr e dt i d eo r g a n i s m sw h e nt h er e dt i d eo c c u r r e d 1 1 2 赤潮发生的原因 我国古代历史上曾记载：赤潮在自然生态条件下是有可能发生，只是它们发 生频率很低，在自然界很快消失，并没有给人类和水生生物带来危害。但是随着 工业的发展，人类活动的加剧，海洋赤潮同趋泛滥。调查发现，海洋赤潮几乎都 是出现在人口居住较稠密和人类活动多的沿海水域。人类活动与海洋赤潮的发生 之间到底存在什么样的联系呢? 接下来将从化学，生物，物理三个因素分析赤潮 发生的原因。 ( 1 ) 化学因素 第1 章绪论 目前，海洋经济快速发展，排入海洋的污染日渐增多，这些污染主要是生活 污水，农业污水和工业污水。研究表明，藻类等浮游植物和水生植物的生长、繁 殖需要2 5 3 0 种元素，其中c 、n 、p 是合成蛋白质、核酸等生命物质的重要元 素，需要量最大；c 在自然界中存在量多且易获得，而自然水体中n 、p 的含量 较少。因此，n 、p 就成了水体中植物生长繁殖的制约因素。一般来说，当水体 中硝态氮含量为0 3 m g l ，磷酸盐浓度为0 0 2 m g l 时，水体就可发生藻华1 1 0 】。 如果在局部水域中，氮、磷等营养物质的含量突然增加，便造成水体“富营养化 ， 在适宜的光照、水温、风浪等物理条件下，浮游藻类就会在短时间内迅速繁殖， 甚至可使每毫升水中的藻细胞数量达数十万个以上。赤潮和水华发生的根源主要 是水体的富营养化。造成水富营养化的物质主要来源于工业、农业和生活废水。 食品、酿造、化肥、石油化工、造纸等工业废水中含有大量的营养物质。生活废 水也是重要的污染源。据估算，一个百万人口的沿海中型城市排入海洋的污水就 超过了50 0 0 万吨，其中既有粪便、有机体残骸，也含有大量的磷酸盐。广泛应 用的含磷洗涤剂是生活废水中磷的主要来源。养殖业的废水、雨水冲刷使土壤表 面农药、化肥的流失等都源源不断地向海洋中输送污染物。以渤海湾为例，每年 倾入的污水量就达数十亿吨。在湖泊和河流生态系统中也存在着类似于海洋的情 形。由于大量的营养物质涌入水体中，水体富营养化导致淡水浮游藻类大量增殖， 赤潮暴发【1 1 】。 养殖区的自身污染是指养殖过程中施肥和投饵使得水体中的污染物超过了 正常水体本身该物质的含量，从而影响该水体生态系统的结构和功能。造成养殖 区自身污染主要是海水养殖池塘和网箱成片，而沿岸海域海水较浅，尤其是半封 闭的港湾，水体对流和交换不良，富营养程度高的近岸不容易向大洋扩散，养殖 池的排放水会随着潮汐重复进入池塘；其次，养殖用的饵料质量差，投入水中易 溶解散失，投喂方法不科学严重污染了养殖区的水质；确定投饵量和投饵次数以 及投喂时间缺乏科学性，冰冻饵料未经冲洗直接投入养殖区，使池塘中大量残饵 存在，导致养殖区水质富营养化【9 1 。尤其是在高温、高热、无风条件下，这些养 殖区的自身污染物最易暴发赤潮，进而对海水养殖业造成巨大的经济损失，引发 大面积的鱼类、贝类的死亡。 赤潮生物形成赤潮除了跟海域中营养盐含量有关外，还与某些特殊的有机物 4 海洋赤潮生物羟基自由基致死实验研究 质如维生素b l ，b 2 ，动物组织的酪朊的消化分解物、核糖核酸、嘌呤、嘧啶和 植物激素及铁、锰等微量元素急剧增加有密切的关系。这些物质对藻类的生长有 辅助作用，它们能促进藻类细胞的生长繁殖，还能增强藻类细胞对环境的适应能 力。海水中的有机物质和海水中的动植物残体被微生物分解而产生的维生素、有 机物质( 氨基酸、嘌呤、嘧啶等) 这类辅助生长物质以及微量金属元素锰、铁等 的增加，可促进赤潮生物的生长繁殖，促进赤潮爆发【1 2 1 。 ( 2 ) 生物因素 目前，虽然赤潮发生的机理还没有明确的定论，但是赤潮的发生是离不开海 洋赤潮生物的，若是没有赤潮生物的存在，即便其他环境因子都适宜，也还是很 难暴发赤潮。引发赤潮的这些海洋赤潮生物可能是此海域中原有物种，在正常的 理化环境条件下，赤潮生物在浮游生物中所占的比重并不大，有些鞭毛虫类( 或 者假藻类) 还是一些鱼虾的食物，但是当环境条件发生改变时( 如温度，p h ， 营养盐等发生改变) 导致某些赤潮生物过量繁殖时，便形成赤潮；也可能是由附 近海域或者其他海域传播而来，比如大范围的水团运动和环流输送，船舶压载水 的携带等，都可以造成赤潮生物及其包囊的大规模传播【l l 】。赤潮暴发时，因海洋 赤潮生物种类和数量的不同，海水可呈现红、黄、绿等不同颜色。国内外大量研 究表明，海洋浮游藻类是引发赤潮的主要生物，在全世界4 0 0 0 多种海洋浮游藻 中有2 6 0 多种能形成赤潮，其中有7 0 多种能产生毒素【1 3 】。渤海海域主要的海洋 赤潮生物种类有：亚历山大藻，中肋骨条藻，威氏海链藻，海洋原甲藻，东海原 甲藻，赤潮异湾藻，旋链角毛藻等等，这些海洋赤潮藻类分属于硅藻门，甲藻门， 黄藻门，金藻门，其中又以硅藻门和甲藻门居多。发生赤潮时，某一种或者某几 种藻类会急剧增殖并成为优势种，便形成单一型赤潮或混合型赤潮。对于混合型 赤潮而言，有时某些藻种可以相互转换，比如c h a n g h w a nh o ( 1 9 9 1 ) 报道，韩国 海湾赤潮优势种由硅藻变为鞭毛藻；1 9 9 8 年3 月到4 月发生在香港的赤潮，硅 藻和甲藻是引发赤潮的两类优势藻种，硅藻浓度增加时，甲藻浓度下降；反之亦 然【1 1 1 。 ( 3 ) 物理因素 赤潮的形成除了具备以上生物和化学方面的因素之外，适宜的理化条件和气 象条件也是形成赤潮的重要影响因子。适宜的水温、盐度、p h 、溶解氧等，是 第1 章绪论 促进海洋赤潮生物生长繁殖的重要因素。在正常条件下，海洋中的生态系统处于 良性平衡状态，但是一旦条件发生变化，生态系统中的优势种群会发生更替。因 此，在持续的炎热或台风后或暴雨后，水体稳定性高，此时具备了赤潮生物形成 的条件的半封闭海域或海湾便很容易形成赤潮，某些赤潮生物代替系统中的原有 优势种而变成新的优势种。当温度为2 0 3 0 是发生赤潮的最适温度。有科学 家发现一周内水温突然升高大于2 是赤潮发生的先兆。盐度在2 6 - 3 7 的范围 内均有发生赤潮的可能，但是海水盐度在1 5 - - 2 1 6 时，容易形成温跃层和盐跃 层。温、盐跃层的存在为赤潮生物的聚集提供了条件，易诱发赤潮。由于径流、 涌升流、水团或海流的交汇作用，使海底层营养盐上升到水上层，造成沿海水域 水体富营养化。营养盐类含量急剧上升，引起硅藻的大量繁殖。这些硅藻过盛， 特别是骨条硅藻的密集常常易引发赤潮。这些硅藻类又为夜光藻提供了丰富的饵 料，促使夜光藻急剧增殖，从而又形成粉红色的夜光藻赤潮。据监测资料表明， 在赤潮发生时，水域多为干旱少雨，天气闷热，水温偏高，风力较弱，或者潮流 缓慢等水域环境1 1 4 】。 1 1 3 赤潮研究的意义 海洋是一种生物与环境、生物与生物之间相互依存，相互制约的复杂生态系 统。系统中的物质循环、能量流动都是处于相对稳定，动态平衡的。当赤潮发生 时这种平衡遭到干扰和破坏。在植物性赤潮发生初期，由于植物的光合作用，水 体会出现高叶绿素a 、高溶解氧、高化学耗氧量。这种环境因素的改变，致使一 些海洋生物不能正常生长、发育、繁殖，导致一些生物逃避甚至死亡，破坏了原 有的生态平衡。同时赤潮对海洋渔业和水产资源也有一定破坏作用。赤潮对人类 健康同样具有一定危害。有些赤潮生物分泌赤潮毒素，当鱼、贝类处于有毒赤潮 区域内，摄食这些有毒生物，虽不能被毒死，但生物毒素可在体内积累，其含量 大大超过食用时人体可接受的水平。这些鱼虾、贝类如果不慎被人食用，就引起 人体中毒，严重时可导致死亡。由赤潮引发的赤潮毒素统称贝毒，目前确定有 1 0 余种贝毒其毒素比眼镜蛇毒素高8 0 倍，比一般的麻醉剂，如普鲁卡因、可卡 因还强1 0 万多倍。贝毒中毒症状为：初期唇舌麻木，发展到四肢麻木，并伴有 头晕、恶心、胸闷、站立不稳、腹痛、呕吐等，严重者出现昏迷，呼吸困难。赤 潮毒素引起人体中毒事件在世界沿海地区时有发生。据统计，全世界因赤潮毒素 6 海洋赤潮生物羟基白由基致死实验研究 的贝类中毒事件约3 0 0 多起，死亡3 0 0 多人。 基于赤潮对人类和海洋的巨大危害，正警示我们治理赤潮已经是最紧迫的要 事，赤潮研究具有重要意义。 1 2 赤潮研究的国内外现状 赤潮是袭扰许多沿海国家的一种新的海洋灾害，已引起沿海国家的高度重 视，有的国家已经开始严格控制污水和污染物的入海量，已取得比较明显的效果。 从现有条件水平看，一旦赤潮大面积出现，还没有特别有效的方法加以制止，对 于一些局部范围防治赤潮的方法，虽实验过多次，但效果还不够理想。据报道， 防治和治理赤潮的方法有物理方法、化学方法、生物方法。 1 2 1 物理方法 目前国际上公认的一种方法是撒播粘土法。利用粘土微粒对赤潮生物的絮凝 作用去除赤潮生物，撒播粘土浓度达到1 0 0 0 m g l 时，赤潮藻去除率可达当6 5 左右。有报道称在小型实验场去除率可达9 5 9 9 。2 0 世纪8 0 年代初，日本在 鹿儿岛海面上进行过具有一定规模撒播粘土治理赤潮的实验。1 9 9 6 年韩国曾用6 1 0 4 t 粘土制剂治理1 0 0 k m 2 海域赤潮。我国、朝鲜、日本、埃及等国家都有粘 土治理水华的实际应用【”】。其缺点是：不易大面积撒播，容易造成局部海面化学 物质污染严重。还有其他方法如：( 1 ) 疏松底泥法。在不同条件下有几种挖泥设 备可供选用，目前国内外普遍选用的挖泥设备是带有切割头的水力挖泥船。这种 挖泥船的切割头可以疏松底泥，然后使得底泥与8 0 - - - , 9 0 的水混合成泥浆，通 过管道将泥浆输送至湖岸。用明矾处理从湖岸返回湖内的脱水，主要去除其中的 磷。采用此法，可将富含高浓度营养物的底泥层去除，以控制藻类生长。( 2 ) 稀 释和冲刷。磷在水中的浓度与入水的磷浓度、水体的冲刷速度等因素有关【l6 1 。因 此，可以向水体中加入一定量的水，通过稀释水体降低水体中的磷浓度，从而控 制藻类的生长。( 3 ) 人工循环。抑制赤潮和水华的发生可以通过水底充气，这样 便可消除或者防止热分层，从而有效地混合水体，降低赤潮和水华的发生频率。 充气的好处有：在水底混合可以增加藻细胞处于黑暗的时间，减少光合作用； 人工循环可以引入溶解氧，钝化底泥，阻止底泥中磷释放；人工循环还可以 增加水体c 0 2 的含量，使得水体p h 值发生改变，促进有毒赤潮藻转化成无毒 第1 章绪论 或者低毒的藻种；使用水底充气可以使水体变浑浊，使得浮游植物不易被用眼 捕食的鱼类捕食，有利于浮游植物的生物【1 6 1 。( 4 ) 曝气充氧。水体曝气充氧是指 对水体进行人工曝气充氧以提高水中的溶解氧含量，使其保持好氧状态，防止水 体黑臭现象的发生。常用瀑布、跌水、喷水三种方式进行曝气充氧，但这三种方 法的能耗都很高，不适合2 4h 连续工作。而且曝气充氧只适合局部水体不适合 整个水体，因此采用曝气充氧只能作为水处理的辅助手段【1 7 】。( 5 ) 过滤法。当原 水中藻类和悬浮物较少时可对其进行直接过滤，当水中含藻量极高时应在滤池前 增加沉淀池或澄清池，然而这样仍然可以出现出水中藻类浓度大于1 0 0 0 c e l l m l 的情况。采用滤池进行直接过滤时，对藻类的去除率为1 5 , - - - 7 5 1 1 8 】。( 6 ) 混 凝沉淀法。混凝沉淀法的处理对象是水中的悬浮物和胶体杂质，沉淀或澄清构筑 物的类型很多，可除藻率却不相同。例如用静沉池处理泰晤士河水时，平均除藻 率为5 9 ，可是用它处理衣阿华河水时除藻率为3 7 ( 硫酸铝混凝) 9 7 ( 石灰 软化1 ；混凝沉淀法具有投资少、操作和维修方便、效果好等特点，可用于处理 含大量悬浮物、藻类水体，对受污染的水体可取得较好的净化效梨1 9 】。( 7 ) 超声 波法。超声波技术被引入到藻类去除工艺中，理论上和实践中都取得了比较好的 效果。超声波除藻主要是因为：超声波的机械作用可破坏部分藻细胞，直接使藻 细胞破碎死亡；特异性频率和功率的超声，可以阻止藻细胞中叶绿素的合成，或 者直接破坏光合作用途径中的酶活性，从而阻断藻细胞的光能传递与转换，抑制 光合过程，抑制藻的生长繁殖和水华的形成；超声波可以通过高频振荡波产生超 氧自由基，可对藻细胞内许多活性酶造成损伤，影响细胞的生理生化活性，抑制 其生长繁殖【2 0 】。以上这八种物理方法虽然在小规模范围内能适用，但一旦应用到 大面积暴发赤潮的海域效果欠佳，还存在局限性，不一定能很好的去除赤潮藻类， 有待于进一步研究。 1 2 2 化学方法 化学除藻法是利用化学药剂对藻类细胞进行破坏和抑制细胞活性的方法，具 有见效快的特点。最早使用的化学药剂是c u s 0 4 ，易溶于水，在使用过程中极易 造成局部浓度过高从而影响鱼类的生存，威胁到渔业的发展。同时在海水的波动 下迁移转化太快，药效的持久性差，也易引起c u 的二次污染。有机化合物在淡 水除藻中具有药力持续时间长、对非赤潮生物影响小等优点，用有机化合物杀灭 8 海洋赤潮生物羟基自由基致死实验研究 和去除赤潮生物也已有相关的报道。目前已有多种化学制剂用于赤潮生物治理的 实验研究：如硫酸铜和缓释铜离子除藻剂、臭氧、二氧化氯以及新洁尔灭、碘伏、 异噻唑啉酮、松香胺类、三连氮衍生物、有机酸、醛、酮以及季胺化合物等有机 物，铜盐( 硫酸铜、氧化铜) 、高锰酸钾、磷的沉淀剂( f e 2 + 、f e 3 + 盐等) 、c 1 0 2 等无 机物【2 1 1 。美国、澳大利亚的饮用水源水体的处理常用硫酸铜。尹澄清等在围隔中 用铁盐、铝盐作增效剂，提高了硫酸铜的除藻效果，0 2 - - 一0 3 m g l 的c u 2 + 就能够 控制微囊藻水华的生长【2 2 1 。将硫酸铜与粘土联合使用可降低粘土使用量，减轻 c u 2 + 的危害。先让藻类与c u 2 + 接触一定时间，然后再播撒粘土在实验中是可行的。 其他的杀藻剂的使用大多都处于研究阶段，往往由于成本问题或是只有实验效 果，缺乏大规模使用的报告资料。水中p h l o 可抑制浮游植物的光合作用，因 此投加石灰( c a ( o h h ) 提高p h 有助于抑制藻类生长，但有争议。z h a n g y 等用 蓝藻、硅藻和绿藻的一些藻种实验后加入c a ( o h ) 2 后叶绿素a ( c h l a ) 减少主要是 通过和碳酸钙一起沉淀的藻细胞移出透光区，而不是p h 急剧升高造成的，并不 减少浮游植物的生物量。上述差异可能是水质不同的结果。c a 、p 的浓度和p h 影响总磷沉淀的量，加入c a ( o h ) 2 ，若p h l o ，总磷浓度下降快，p h o 0 1 m p a ) 气体电离放电【3 9 】，受到当前物理实验手段的限制，放电的折 合电场强度分别为4 0 t d 、7 5 t d 、2 0 0 t d ，电子从电离电场中取得平均能量仅分别 为1 5 e v 、3 e v 、6 e v 。从激活反应体系所需能量观点来看，辉光放电、介质阻挡 放电过程中仅有一部分电子所取得的能量满足化学反应激励过程所需要的能量， 难以满足化学工业、材料工业、环境工程等化学反应过程所需要的高密集度的激 励能量。 由于参与反应的气体浓度很高，电子平均能量值受临界击穿电场强度e 、气 体浓度1 1 制约着。减小参与反应气体浓度，可使电子取得较大的能量，低气压辉 光放电形成的等离子体就是一例。而工业应用所需的高能量密度( r 垃1 0 1 4 c m 3 ) 和大的激励能量( t e 1 0 e v ) 【删，只有强电离放电( e n 4 0 0 t d ，i 仑1 0 4 c m 3 ， t e 1 0 e v ) 才能实现。 强电离放电过程，电子获得平均能量达到1 0 e v 以上。等离子体中电子能量 分布是按麦克斯韦规律分布的，此时放电通道中大部分电子具有高的电子能量。 足以满足一般气体分子电离、分解、分解电离和分解附着等过程所需要的激励能 量。以常用的气体0 2 、n 2 、h 2 0 为例，它们的电离能分别为1 2 5 e v 、1 5 6 e v 和 簿洋办潮生物轻基自由基致矩实验研究 1 26 e v 。只有强电离放电等离了体中大部分电子获得能量基本上能满足化学反应 所需的激励能量。通常化学反应是在“高浓度”条件下进行的，而低气压辉光放 电的电子浓度比高气压介质# 日挡放电的电子浓度低4 - 5 个数量级。u r 见h 有强电 离放电方能满足化工生产过程“大能最”、“高浓度”要求。 用在产生羟基自由基的放电方式宵直流高电压电晕放电、窄脉冲高电压电晕 放电和介质阻挡放电三种。通常用折合电场强度e n ( 单位为t d ，e 为放电电场 强度，i i 为t 体浓度，i t d1 07 ve m 2 ) 米表征其电离强度、电子从电场r 1 取得 能量大小。由丁当前物理实验手段的限制，上述三种放电方式的折合电场强度分 别低于4 0 t d 、7 5 t d 、l o o t d ，电了从电场中取得平均能量分别低于l5 e v 、3 e v 、 5 e v 均属于弱电离放电。等离子体中电子能量是依据麦克斯韦】；f l ! 律分布的，l 空气巾的氧、氮气体分子电离能为1 25 e v 、1 58 e v ，e 述三种放电方式中能够达 到电离氧、氯气体分子能量的电子数目很少。 苎 z 目 m 自h # 自自自m t & 口# m 目2i 高气压气体放电等离子体医照片 注：直流、窄脉冲和介质阻挡放l u 爆光时间为 5 6 s ， f i g u r e2ih ig l - p r e s s u r eg a s d i s c h a r g ep l a s m az o n ep h o t o i = i 于j j u 工弪基只能在高浓度气体( 高气压) 条件下，方能满足加工高浓度羟 基的需要。强电离放电比上述现有技术的三种放电方式取得的电子平均能量高出 数倍，电子密度大出数个量级。强电离放电方能实现大量电离高浓度的n 2 、0 2 气体分子。见n 2 、0 2 电离的。一v a l u e 值( 表2 1 ) 所示h “。从表巾可见，强电 离放电n 2 、0 2 电离的g v 胡u e 值高出弱电离放电5 2 倍、1 2 倍。激励n 2 、0 2 第2 章高气压强电场放电的形成机制及羟基自由基的产生丁艺 分子电离时间仅为2 n s 。 表2 1n 2 、0 2 电离的g v a l u e 值表 t a b l e2 1n 2 0 2i o n i z a t i o no ft h eg v a l u ev a l u er 出l e 注：g - v a l u e 值表示每1 0 0e v 输入能量的反应数目的比率 在高气压下利用传统放电模式产生非平衡等离子体是十分困难的。一方面， 密度高达1 0 2 5 m 3 的媒质气体在高电压作用下容易产生大电流，加热媒质气体， 致使质量较大的离子和中性粒子难以保持“低温”特性，同时电子在高密度媒质 气体中也由于频繁碰撞难以获得高能量，致使电子温度、离子温度和中性气体温 度相接近，致使等离子体失去“非平衡特性，不利于等离子体化学反应的高效 进行；另一方面，由于金属电极具有高电导特性，直接在金属电极间实施高电压 气体放电及易过渡到弧光放电状态，难以有效建立大空间非平衡等离子体化学反 应体系。本课题组在前期研究工作的基础上，进一步从微观特性、宏观特性两个 层面对强电场电离放电发生体系进行研究，阐明了微流注是建立强电场电离放电 等离子体化学反应体系的主要机制，同时该体系会受到放电气隙宽度、电介质层、 激励电源特性等因素的强烈制约。 在放电空间内，微流注的形成依赖于放电通道内空间电荷的产生，大量空间 电荷形成的本征电场是高气压下强电场得以建立的主因，该结果可以从图2 2 所 示带电粒子密度与放电通道电场随空间变化的情况清楚地反映出来。可以看出， 放电空间内形成的微流注头部电场强度相当高，而此后及非流注通道区域的电场 却很低，这种空间电场的演变模式非常有利于气相等离子体化学反应的进行，微 流注头部的强电场犹如一把锋利的剪刀，容易切断0 2 、h 2 0 等分子的化学键， 生成高反应性活性粒子，而其后和其它区域较低的电场却有利于目标产物的形 成，减少了流注头部高电场造成目标产物再分解，提高了目标产物的生成效率。 而对于较大放电空间来说，等离子体化学反应效能取决于数量庞大的微流注的集 体效应，提高微流注头部空间电荷区域占放电空间的比率是高气压下实现强电离 1 4 坶洋办胡生物羟墨臼由基致死实验研咒 放电的关键微流注的集体效应为实现大空间强电场电离放电提供了可能，进而 使许多通常条件下不能进行或难以进行的化学反应得以进行。 x 图2 2 微流光n 及e # 轴向的发展 f i g u r e 22 m i c r o - es t r e a r a e r n a n d a x l a l d e v e l o p m e n t 2 2 高级氧化技术制取羟基自由基 羟基自由基的主要产牛方法有光催化法刑v + t i 0 2 ) 、光辐射f u v ) 、f d + ( f e n t o n ) 反应、u v ( 紫外光) + 仉( 臭氧) 、u v + h 2 0 2 ( 过氧化氢) 、超声波分解及其协同作用 等己被有效地应用于去除污水中有机、有害污染物和地下水、饮用水处理等方 面。由于绿色高级氧化技术( a o t ) 具有独特的优势及巨大潜在应用前景，引起 国际学术界和企业界的重视，并进行了大量的研究工作。 h o i g n ej 、g l a z ewh 等人系统地研究了高级氧化技术的机理，指出通过不 同途径产生的o h ，在水中会诱发一系列自由基链反应，最终将有机物降解为 c 0 2 、h 2 0 及微量无机盐1 3 0 1 。c h o 、c h u n g 等 以m s 2 抗生素和大肠杆菌为典 型菌种，研究了u v + t i 0 2 光催化方法产生的羟基自由基杀灭微生物的反应模型 1 4 3 ) 。c h o i 等人利用臭氧在水中分解形成o h 杀灭水中的枯草芽孢杆菌，表明水 中的天然有机物和p h 值对o h 杀灭效果有很大影响，但未进行更深入的生物学 机制研究【删。s h e n 等人利用u v 辐射和u v