（环境科学专业论文）水生植物热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用.pdf

间延长呈先升高后降低的趋势，而在芦苇4 0 0 生物油作用下7 2h 内s o d 活性始 终保持升高趋势；p o d 活性随培养时间的延长在芦竹3 0 0 、芦苇4 0 0 生物油 作用下先升后降，香蒲4 0 0 生物油作用下则呈波动上升趋势；c a t 活性在三种生 物油作用下均随培养时间的延长呈现先升后降趋势。中肋骨条藻藻液中过氧化氢 ( h 2 0 2 ) 、超氧阴离子( 0 2 3 和羟自由基( o h ) 含量在不用生物油均有升高，并随作用 时间出现先升后降或持续上升趋势。中肋骨条藻细胞内活性氧自由基的过度积累会 引起过氧化损伤，最终使藻细胞死亡，从而抑制了中肋骨条藻的生长。 关键词：水生植物；热解；生物油；抑制作用；中肋骨条藻 2 in hibit o r ye f f e c t so fm a c r o p h y t e sp y r oiy sisbio oi i o n s k el e t o n e m ad o s t a t u m a b s t r a c t i n t ot h i sc e n t u r yt h ea v e r s en u m b e ro fr e dt i d e si nc h i n as e ah a sr a i s e dt o7 9t i m e s ， a n dt h et o t a lc o n t a m i n a t ea r e ai s100 0 0 3 00 0 0k m 3w i t ha na n n u a l163 0 0l 锄，b o t ho f t h e3 4t i m e st ot h e19 9 0 s r e dt i d ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n to c e a n 锄v i r o n m e n t a l p r o b l e m s t h et e c h n o l o g i e so f c o n t r o l l i n gr e dt i d eh a v es o m es h o r t c o m i n g ss u c ha ss o m e p h y s i c a lm e t h o d sa r en o te c o n o m i c ，a n ds o m ec h e m i c a l su s e da sr e dt i d ei n h i b i t o r sa r e n o ts a f ef o rt h eo c e a ne c o s y s t e m ，t h e r e f o r e ，s a f e ，e f f e c t i v ea n de c o n o m i cr e dt i d ec o n t r o l t e c h n o l o g i e sa r ed e s i r e d m e a n w h i l e ，a q u a t i cp l a n t sa so n ei m p o r t a n tp a r to fw e t l a n d s y s t e mh a v eat r e m e n d o u sb i o m a s s ，a n da st h ep r o t e c t i o nw o r ki n0 1 1 1 c o u n t r y , w e t l a n d a r e ae x p a n d sg r a d u a l l y ，s oh o wt oi m p r o v et h ee c o n o m i cv a l u eo fw e t l a n dp l a n tb i o m a s s ， a n dp r o t e c t i n gr e s i d e n t se n t h u s i a s mb e c a m ean e wd e m a n d i fa q u a t i cp l a n t sc a n n o t p r o m p t l yr e m o v ef t o mw e t l a n ds y s t e m ，t h ea b s o r b e dn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si np l a n t s m a yd e c a yt h ew a t e rq u a l i t yw h e nr e l e a s e db a c ki n t ot h ew a t e r b i o m a s sp y r o l y s i si sap r o m i s i n gb i o m a s su s ea n dd i s p o s a lt e c h n o l o g y ，t h i sm e t h o d c a nt u r nt h el o we n e r g yd e n s i t yb i o m a s si n t oh i 曲e n e r g yd e n s i t y g a s ，l i q u i da n ds o l i d p r o d u c t s t h el i q u i dp r o d u c tw h i c hc o l l e c t e da sb y - p r o d u c td u r i n gt h ep r e p a r a t i o no f c o k ep r o c e s s ，w e r ec a l l e db i o - o i l ，i th a sc o m p l i c a t e dc o m p o s i t i o na n da l s os h o w s b i o l o g i c a la c t i v i t y , c a ni n h i b i ts o m ep l a n t sa n dt h eg r o w t ho f h a r m f u lm i c r o b e s i nt h i s r e s e a r c ht h r e ek i n d so fc o m m o nw e t l a n dm a c r o p h y t e sa r u n d od o n a xl ，p h a u s t r a l i st 衄 a n dr y p h ao r i e n t a l i sp r e s lw e r ec h o s e na sb i o m a s sm a t e r i a l sf o rp y r o l y s i sa t2 5 0 ，3 0 0 ， 4 0 0 5 0 0a n d6 0 0 b i o - o i l sp r o d u c e da tt h e s et e m p e r a t u r e sw e r ec o l l e c t e dt os t u d y t h e i ri n h i b i t i o ne f f e c t so ns k e l e t o n e m ac o s t a t u mg r o w t h r e s u l t ss h o w e dt h a ta l lt h e b i o o i l se x h i b i t e di n h i b i t i o ne f f e c t so n c o s t a t u m ，a n dh i g h e ri n h i b i t i o nr a t e sf o l l o w e d b yt h ei n c r e a s eo fb i o o i lc o n c e n t r a t i o n s f o rp a u s t r a l i sa n dzo r i e n t a l i s ，t h em o s t e f f e c t i v eb i o o i l sw e r ep r o d u c e da t4 0 0 ，w i t ht h e7 2he c s ov a l u e so fo 8 2a n d0 8 5 m g l - 1r e s p e c t i v e l y , w h i l ef o ra d o n a x ，b i o o i la t3 0 0 ( 2h a dt h es t r o n g e s ti n h i b i t i o nr a t e ( e c s o ，1 2 9m g 。l d ) o i l & c o s t a t u m t h e3 0 0 p y r o l y s i sb i o - o i lo fa d o n a xw a s m e t h y l a t e da n dt h e na n a l y z e db yg c - m s t h eg c - m sr e s u l t ss h o w e dt h a tb e n z e n ea n d p h e n o l i cc o m p o u n d sw e r ct h em a i nc o m p o n e n t s ，a n dt h em o s ta b u n d a n ts u b s t a n c ew a s 2 - m e t h o x y p h e n 0 1 e f f e c t so f ad o n a x 3 0 0 ，p a u s t r a l i s 4 0 0 a n d to r i e n t a l i s4 0 0 b i o o i l so nt h em a l o n d i a l d e h y d e ( m d a ) c h a n g ea n da n t i o x i d a n te d _ z y m e s s y s t e m ( s o d ，p o d ，c a t ) a c t i v ew e r ee v a l u a t e dt or e v e a lt h ep r e l i m i n a r yi n h i b i t i o nm e c h a n i s m r e s u l t ss h o w e dt h a tf o ra l lt h et h r e ek i n d so fb i o - o i l ，t h eh i g h e rt h em d ac o n t e n t s f o l l o w e db yt h ei n c r e a s eo fb i o - o i lc o n c e n t r a t i o n s s o d ，p o da n dc a t a c t i v i t yr a i s e d 谢t 1 1b i o - o i la d d e dc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d t h er o sa l t e r a t i o nw a sa l s oe v a l u a t e d , h y d r o g e np e r o x i d e ( h 2 0 2 ) ，s u p e r o x i d e ( 0 2 ：- ) a n dh y d r o x y lr a d i c a l s ( o h ) c o n t e n tf i r s t i n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e d ，o rk e p ti n c r e a s et r e n du n d e rt h ed i f f e r e n tb i o o i la c t i o n s p e r o x i d a t i o nd a m a g ea st h er e s u l to fr o se x c e s s i v ea c c u m u l a t i o nc o u l de v e n t u a l l yc a u s e a l g a ld e a t h k e yw o r d s ：m a c r o p h y t e s ：p y r o i y s is ：b i 0 - 0 ii ：i n h i b i t i o n ：s k e l e f o n e m a c o s t a t u m 4 水生植物热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用 0 前言 近年来由于工农业生产和经济的发展，沿海地区生活污水及工业废水排海量日 益增加，水体富营养化程度越来越严重，另外在气候、海水动力状况等因素的影响 下各海域赤潮发生频率显著提高。据2 0 0 9 年中国海洋环境质量公报显示，2 0 0 9 全 年我国发现海洋赤潮6 8 次，累计面积约1 4 1 0 0 平方公里，累计面积比2 0 0 8 年有所 t 升高。赤潮防治依旧是当今环保治理的热点问题。与此同时，随着我国湿地生态修 复力度的加大，退耕还湿、退渔还湖等工作的进行，湿地面积逐渐扩大，水生植物 作为湿地系统重要组成部分，在湿地系统中具有较大的生物量，如何提高湿地植物 生物质的经济价值、保护居民退耕还湿的积极性成为新需求，另外水生植物若不能 及时从湿地系统中移除，其生长过程中吸收的氮磷等物质会在植物腐烂后释放回水 体，影响水质。 生物质热解指生物质在无氧或缺氧条件下的热降解，即利用热能打断大分子量 有机物、碳氢化合物分子键，使之转变为含碳原子数目较少的低分子量物质的过程。 目前热解技术相对于燃烧气化等方法已成为生物质热化学处理法研究的核心和热 点。生物质热解过程中的液态产物常作为制备焦炭过程中的副产品收集，通常称为 生物油。大量研究已表明，植物热解液相产物可促进植物生长，防止病虫害，在农 业及环保领域彰显出一定的应用价值。将水生植物热解并充分利用其产物特性，无 疑为开发高效安全的藻类控制技术和水生植物的资源化利用提供了一条可能途径。 本文以3 种湿地常见水生植物芦竹、芦苇、香蒲为生物质原料，分别在2 5 0 、 3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 下进行热解，比较所得热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用， 明确生物质材料及制备温度的不同对热解生物油抑藻活性的影响，初步探究热解生 物油中可能的抑藻成分，并进一步研究中肋骨条藻在生物油作用下丙二醛含量、超 氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶三种抗氧化酶系统的活性变化，同时探讨 藻内超氧化物自由基( 0 2 - ) 、羟自由基( o h ) 、过氧化氢( h 2 0 2 ) 活性活性氧自由 基的变化规律，以期为明确水生植物热解生物油的抑藻机理，及水生植物高价值利 用和赤潮治理提供新的思路和理论依据。 水生植物热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用 1 绪论 1 1 研究背景与意义 1 1 1 赤潮污染现状 所谓赤潮是指在一定环境条件下，海水中某些浮游植物、原生动物或细菌在短 时间内突发性增殖或高度聚集而引发的一种生态异常并造成危害的现象【l 】。赤潮原 本是一种自然现象，但近2 0 年来，赤潮对人类健康和经济的影响在全球范围内日益 加剧，频度、强度和地理分布均有所增加。进入本世纪以来，我国海域每年赤潮发 生次数在2 8 1 1 9 次之间，年平均7 9 次，累计面积在1 01 5 0 2 70 7 0 平方公里之间， 年均1 63 0 0 多平方公里，赤潮发生次数和累计面积均为上世纪9 0 年代的3 4 倍，据 2 0 0 9 年中国海洋环境质量公报显示【2 】，2 0 0 9 全年发现海洋赤潮6 8 次，累计面积约 1 4 1 0 0 平方公里，发生次数虽与上年持平，但累计面积有一定升高，赤潮防治依旧 是当今环保治理的热点问题。 1 1 2 赤潮的危害 根据z i n g o n e 等的总结【3 】，有害赤潮的危害效应可以分成四类：( 1 ) 对人类健 康的影响；( 2 ) 对自然和养殖的经济海洋生物的影响；( 3 ) 对海洋生态系统的影响； ( 4 ) 对海洋旅游和娱乐功能的影响，具体说来，在人类健康影响方面赤潮的危害表 现在当赤潮发生时，有毒赤潮藻种产生的毒素( 如麻痹性毒素、神经性毒素、腹泻 性毒素、记忆丧失性贝毒) t 4 1 n - - j - 在滤食性贝类及植食性鱼类体内累积造成水产品污 染，这些毒素会直接毒死养殖生物或者通过食物链进入动物及人体体内，造成人体 中毒事件，对人类健康构成了一定的威胁【5 】；再者有害赤潮对自然养殖的海洋生物 影响又体现在两方面，一是有害赤潮可直接作用于海洋经济生物，使得养殖生物大 量死亡，引起较为严重的经济损失，二是有毒赤潮藻产生的毒素对经济生物造成污 染，间接的危害养殖业的发展 6 1 ；除此之外有毒赤潮藻种产生的毒素还可以通过海 洋食物链传递到较高营养级，导致高营养级海洋生物中毒死亡，如石房蛤毒素、短 裸甲藻毒素、软骨藻酸等都曾造成海洋哺乳类或鸟类的中毒【6 】；与此同时无毒赤潮 2 水生植物热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用 也会危害海洋生态系统，当赤潮藻密度较大时，会降低光线在海水中的透过率，影 响海草床及珊瑚礁，而且大规模赤潮消退之后，死亡的藻细胞会向下海底沉降，造 成底层溶解氧的消耗，对底栖生物的生存造成危害；最后，赤潮的发生能够产生浮 沫、异味等，影响旅游区景观 7 一。 赤潮作为一种全球性的海洋灾害，带来的危害日益凸显加重，因此探索经济有 效的防治赤潮新技术，对于保护海洋环境质量，保障养殖业持续发展以及人类健康 安全意义重大。 1 2 生物质热解技术概述 1 2 1 生物质特性 生物质主要指可以燃烧或变成液态、气态能源燃料的由光合作用产生的各种有 机体，主要是由纤维素、半纤维素、木质素等构成【1 0 ，l l 】，来源广泛，储量丰富。我 国可收集的生物质能源主要来源于四方面【1 2 】，一是农业废弃物及农林产品加工业废 弃物，其中包括农林业及其加工业废弃物( 如薪材、农作物秸秆及木屑、木片等) ， 以及农产品加工业排放的高浓度有机废水；二是人畜粪便；三是城镇生活垃圾：另 外，动物废弃物资源量也非常丰富。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中 的一种能量形式，是唯一可再生的碳源【1 3 , 1 4 】，经各种工艺转化后可主要获得油、甲 醇、甲烷、焦炭、沼气等能源( 图1 1 ) 。 目前生物质能已构成了能源消费的重要组成部分【1 5 】，生物质能的开发、高效利 用及产业化已经成为当前解决能源问题的重要趋势，同时也是解决我国持续性能源 资源的重要战略方向。 3 水生植物热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用 光了用- 生质_ 上、- 上l 1 化学酒糟厌氧热解 i 加氢汽化化学酒精厌氧 还原发酵发酵 ii 还原发酵发酵 1 |j r上耋 嘲点 j r上1 l 油甲醇甲烷 沼气 上 乙烷 油甲醇甲烷 焦炭 中低 焦炭 卜_ 图1 1 太阳能与生物质能传输、转化过程1 1 司 f i g 1 - 11 n h et r a n s f o r m a t i o no f s o l a re n e r g yt ob i o e n e r g y ! l s l 1 2 2 生物质热解原理 相对于燃烧气化等方法，热解技术已成为目前生物质热化学处理法研究的核心 和热点，生物质热解是指生物质在完全无氧或缺氧条件下的热降解，即利用热能打 断大分子量有机物、碳氢化合物的分子键，使之转变为含碳原子数目较少的低分子 量物质的过程【l 们。生物质在热解过程中会发生异构化和小分子聚合、分子键断裂等 复杂的热化学反应，热重分析结果表明，对于纤维素、半纤维素和木质素三种木材、 林业废弃物和农作物废弃物等的主要成分来说，纤维素会在5 2 时开始热解，并 会随着温度的升高，热解速度加快，3 5 0 3 7 0 时，可分解成为低分子物质，半纤 维素由于结构上带有支链，成为木材中最不稳定的组分，在2 2 5 - 3 2 5 便可分解， 比纤维素更易热分解，其热解机理与纤维素相似【1 6 】。 4 水生植物热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用 根据生成产物及温度变化的不同，热解过程可以分为干燥阶段、预热解阶段、 固体分解阶段和煅烧阶段：( 1 ) 干燥阶段( 温度为1 2 0 - + 1 5 0 ) ，生物质中的水分 开始蒸发，生物物质材料的化学组成几乎不变：( 2 ) 预热解阶段( 温度为1 5 0 - 、一2 7 5 ) ，生物物质材料热反应过程比较明显，化学组成开始变化，生物质中的不稳定成 分如半纤维素分解成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物质，上述两个阶段均为吸 热反应阶段；( 3 ) 固体分解阶段( 温度为2 7 5 - - - 4 7 5 ) ，热解的主要阶段，生物物 质材料发生各种复杂的物化反应，生成大量的分解产物，其中液体产物中含有醋酸、 木焦油和甲醇( 冷凝析出) ，气体产物中包含c 0 2 、c o 、c h 4 、h 2 等，可燃成分含 量增加，这个阶段要放出大量的热；( 4 ) 煅烧阶段( 温度为4 5 0 - - + 5 0 0 ) ，生物质 依靠外部供给的热量进行木炭的燃烧，使木炭中的挥发物质减少，固定碳含量增加， 为放热阶段，四个阶段反应在热解过程中会相互交叉进利1 7 9 1 。 生物质热解技术能够连续化并低成本的将常规方法难以处理的低能量密度的生 物质转化为高能量密度的气、液、固产品，减少了生物质的体积，同时便于储存和 运输，此外还能从生物油中提取高附加值的化学品【2 0 1 ，由于生物质中含硫含氮量均 较低，同常规能源相比，其利用过程中减少了向空气中s 0 2 和n o 。排放，所放出 c 0 2 同生物质形成过程中所吸收的c 0 2 相平衡，不会额外增加大气中c 0 2 含量【2 1 1 。 生物质的热解利用有着不可忽视的优势所在。 ? 1 2 3 生物质热解产物性质 生物质热解产物的组分和含量一般是由生物质的组成、所采用的热解技术和热 解反应参数( 温度、传热速率、停留时间等) 来决定【2 4 1 ，若以物质迁移及能量传递的 角度来分析，生物质热解过程中热量会先传到生物质颗粒的表面，再由表面向内部 传递，生物质颗粒受热后便会迅速裂解成固态产物生物炭以及挥发组分，而挥发组 分又可分为可冷凝气体和不可冷凝气体两部分，可冷凝气体经过快速冷凝便可得到 液态产物生物油【2 2 矧，另有很多研究者认为，生物质热解行为可以看作纤维素、半 纤维素和木质素独立热解的线性叠加，在整个反应过程中，纤维素和半纤维素对气 态及液态产物的产量有贡献，半纤维素在热解过程中更是发挥着较为活泼的作用 【2 5 2 6 】，木质素的裂解是木碳的主要来源；热解过程中当生物质裂解占主导地位时， 生物油的产率会随着温度密度的升高而增加；当生物质和有机质的裂解同时占主要 ： 5 水生植物热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用 地位时，生物油产率则会随温度升高而降低。另外，生物油产量随温度增加而增加 时，在达到一个最大值后便会随温度增加而下斛2 7 ，2 8 1 。温度在影响生物油形成的总 含量的同时也影响其成分和性质，一般说来，较低的加热温度和较长气体停留时间 有利于碳的生成，而高温和较长的停留时间会增加生物质转化为气体的量，中温和 短停留时间则对液体产物增加最有利【2 9 1 。 生物质热解后的固态产物的统称为生物炭，主要为纤维素、羰基、酸及酸的衍 生物、呋喃、吡喃和脱水糖、苯酚、烷属烃、烯属烃类的衍生物等成分较为复杂的 有机碳混合物，生物炭具有多芳香环和非芳香环等复杂结构，表现出较高的化学和 微生物惰性。许多研究表明生物炭施加到土壤后，可以提高土壤碳库、减缓温室气 体的排放、改善土壤的质量、提高作物产量【3 0 。2 1 ，分析原因主要是因为生物炭施进 土壤后难以被土壤微生物利用，同时由于其复杂成分中丰富的的碳水化合物、长链 烯烃等有机大分子具有与土壤中的矿物质形成有机无机复合体的功能活性，土壤微 团聚体的物理保护以及生物炭本身的生物化学和热稳定性，使得生物炭在土壤中的 周期很长，尽管生物炭的土壤周转时间还存在不确定性，由于其生物化学和热的稳 定性、抗降解性、以及对微生物的惰性，比通常的有机添加物更为稳定【3 3 。3 5 1 。 除去焦油、灰分和水分后，生物质热解的气体成分与天然气相近，主要含有c o , h 2 ，c h 4 等可燃气体，可用于交通发动机、电站锅炉和民用炊事及供暖 1 3 1 。生物质 种类不同，析出气体规律也不同，戚红梅等【3 6 】研究发现生物质热解过程中c 、o 元 素的结合比c 、h 元素的结合要更容易些，c 、h 元素的结合可能存在一定的先后 顺序，从而产生不同烃类可燃气体，热解终温低于3 0 0 t 2 时，对c 0 2 和c o 的析出 的影响较大，热解终温在3 0 0 - 5 0 0 时，对c h 4 ，c 2 h 6 和c 2 h 4 的析出会产生较大 影响。 生物质热解的液相产物通常被称为生物油，也称为热解油、热解液、木油、生 物油酸、生物油等，是一种深褐色自由流动的酸性化合物，其化学组成不同于生物 质原料，生物油由水溶性和非水溶性两部分组成，有分层现象，水相中含有多种低 分子量的含氧化合物，在非水相中则主要含有许多不溶性高分子有机化合物，生物 油主要成分包含水、甲醇、甲醛、丙酮、醋酸、糠醛、苯酚等醇、酸、酚和酮醛等 多种具有含氧官能团的有机物，其热值一般为1 6 1 9m j k g ，p h 介于3 5 之间，其 中的酚基和甲氧基源于木质素的降解，纤维素的降解则主要产生羰基化合物，由于 6 水生植物热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用 其所含的多种成分起的作用各不相同用途较广【3 7 3 8 1 。 1 3 生物油利用现状 1 3 1 生物油在农业中的应用 日本对生物油已进行了大量的研究，研究发现将生物油的稀释液或生物油与木 炭粉的混合物( 粉剂) 施用于某些作物时，具有明显的促进生长效果 3 9 1 。y o s h i m u r a l 4 0 研究了生物油混合物对促进水果成熟的影响，结果表明，不仅粗生物油，而且它的 成分中的3 ，5 二甲基苯酚、丁酸和1 戊醇在液体介质上均能够促进水果成熟。韩 国学者k y u n g h w a nj t l n g 4 1 1 研究了生物油对引起苹果黑斑病的病原霉菌a l t e r n a r i a m a l i 的抑制作用，发现生物油对其的最小抑制浓度为3 0 3m g m l ，并与多抗霉素b 对a l t e r n a r i am a l i 的抑制作用做比较，认为稀释后的生物油可替代多抗霉素b 抑制 病原霉菌的生长，从而可减少抑制苹果黑斑病过程中农用化工品的使用。尉芹等【4 2 j 以苹果枝为原料，采用干馏法分3 个温度段收集苹果枝生物油，并用g c m s 法分 析各温度段苹果枝生物油的有机成分，对生物油的抑菌活性和抗氧化活性进行测定。 结果表明：3 个温度段苹果枝生物油化学组成不同，含量差别较大，低温度段( 10 0 - 2 0 0 ，a p l ) 中检出4 5 种物质，占整个出峰面积的9 1 2 6 ，酚类含量为5 1 3 3 ， 有机酸酸含量为1 8 5 0 ，酮类含量为8 9 8 ，呋喃类含量为7 2 3 ；中间温度段( 2 0 0 3 1 0 ，a p 2 ) 检出4 7 种物质，占整个出峰面积的9 5 3 5 ，其中酚类含量为2 4 6 9 ， 有机酸酸含量为4 0 0 5 ，酮类含量为7 5 2 ，呋喃类含量为1 2 8 1 ；高温度段( 3 1 0 5 0 0 ，a p 3 ) 检出4 7 种物质，占整个出峰面积的9 3 0 0 ，其上述物质含量依次为 3 4 6 6 ，2 8 3 7 ，1 2 4 9 和6 9 3 ，有机酸在中间温度段生物油中含量最多，酚类 在低温度段含量最多，3 个温度段的苹果枝生物油均有抑菌和抗氧化活性，其抑菌 活性顺序为a p 2 a p 3 a p l ，a p 2 的抑菌活性最强，且与a p l 和a p 3 的差异显著，其 中对植物病原茵的e c s o 为2 4 3 5 2 7m g m l 。1 ，抗氧化活性大小顺序为 a p l a p 3 a p 2 ，且存在显著的量效关系，a p i 的抗氧化活性最强，均高于抗坏血酸 和b h t ，初步分析a p 2 较强的抑菌活性和a p l 较强的抗氧化活性分别与其中高含量 的有机酸和酚类物质有关。 7 水生植物热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用 1 3 2 生物油在其他领域中的应用 ( 1 ) 燃烧供热及发电 相对固体和气体来说，热解液体产物生物油容易处理、输送，这对燃烧应用和 现有设备改造非常重要，现有的油类燃烧器如不经过大规模改造是不能直接燃烧植 物原料的，因此在燃料市场直接以植物质作为燃料不具备吸引力，然而，生物油作 燃料只需对设备略加改动，有些场合甚至不需改动即可应用【4 3 一】。目前高含氧量是 生物油应用的主要障碍，含氧量高使得生物油的热值低、酸性较强且不够稳定，如 果直接与空气接触，空气中的氧会与生物油生成过氧化物，加速生物油中反应的进 行，所以必须密封保存。为了更好的发掘生物油的应用价值，很多研究者也已开始 研究生物油的改性，改性的最主要的目的是以水或者二氧化碳的形式除去生物油中 的氧获得高的碳氢化合物含量，目前用于生物油改性的主要方法有加氢处理和沸石 合成技术，加氢处理在工艺上需要较低的空间气体流速、长的滞留时间以及大的反 应空间，而且完全加氢去氧成本昂贵，不完全去氧处理又增加生物油的粘度，沸石 合成改性生物油不需要氢气，在理想情况下氧可以水和二氧化碳的形式除去【4 5 1 。 生物油作为发电燃料时可不需与其它物质耦合，一个较小的热解厂就可以提供 较大功率的发电，也可将生物油输送到大型发电厂供发动机或涡轮机使用， b o u c h e r a 4 7 】在2 5m w 涡轮机上对生物油也进行了成功测试，不足是其运行时间不 长，而j u s t e 掣蜘采用柴油发动机对生物油也进行了成功测试，并且经过4 0 0h 的运 行后，从发动机的各个参数和释放功率看其性能与柴油相似。 ( 2 ) 生产化学品 在生物质的快速热解产物中已发现了几百种化学物质，人们对回收或利用这些 化学物质的研究兴趣正日益浓厚，已见报道的生物油分离组分包括与甲醛反应生产 树脂的聚酚，用于可生物降解防冰剂的醋酸钙或醋酸锰，左旋葡聚糖、羟基乙醛、 食品工业用的调味品及香精 4 s , 4 9 ，新的结果还表明，生物油与含氮原料包括尿素、 氨、蛋白质材料反应可生成具有缓释功能的肥料，这种肥料对土壤中的炭有络合作 用，可显著减少大气中温室气体c 0 2 的排放量，另外还可以减少因使用动物性肥料 带来的氮流失问题例。 ( 3 ) 堆肥和消臭 生物油水剂适于处理垃圾集积场、下水、厕所、畜舍，在生物油中加入高价无 ： 8 水生植物热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用 机盐的絮凝剂制成除臭分离剂，用于处理废水，可使其中的悬浮物凝聚分离，起到 除臭和净化的作用；生物油与有杀菌作用的药剂配合制成的油剂，有除臭、杀菌作 用；生物油也可用于堆肥，具有脱臭效果和促进堆肥腐熟【5 l 】；生物油中所含的多种 成分起的作用各不相同，因此生物油的用途也很多。然而，在使用生物油时，应注 意生物活性与浓度的关系，浓度若发生变化，则往往发生阻碍植物生长的现象，因 此，使用生物油时，特别要掌握好最合适的浓度【5 2 1 。 因生物油组分中含有大量的含氧官能团，性质较不稳定，热值也较低，具有一 定的腐蚀性，运输及储存过程中存在一定的问题，经济价值还未达到人们的预期， 生物油在环境治理等方面的价值有待进一步发掘。 1 4 赤潮治理方法 赤潮防治是保障沿海地区经济发展、保障人民生命财产安全的重要任务，也己 成为当今海洋环境科学领域的研究热点，目前，国内外提出治理赤潮藻类的方法很 多，主要可分为物理方法、化学方法和生物方法三种【5 3 , 5 4 】。 赤潮防治的物理法主要可以分为以下三种：( 1 ) 设置障碍物将污染水体与干净 水体隔开；( 2 ) 用泵将藻类从赤潮区吸走；( 3 ) 采用超声波或电磁波将藻类细胞 直接杀死，物理法应用时还要求专门的仪器设备，其对于藻密度低范围广的海域来 说并不是经济可行的方法，仅适合于藻密度高的水体。化学法按作用机理可分为直 接杀灭法和絮凝沉降法，化学药品抑制藻类主要是通过对能量代谢的干扰、对细胞 物质的生物合成的干扰及对细胞结构的破坏等过程来杀死藻类，化学法是较常用的 方法之一，目前c u s 0 4 是比较常用的化学除藻剂，被认为是最有效且可行的除藻剂， 但是c u 2 + 在生态系统中存留时间长，容易通过食物链中的生物放大作用积累，从而 带来生态危害；絮凝沉降法可以说是另一种比较有效、可行的方法，主要是利用物 质的胶化性质，使赤潮藻类发生生物凝聚、沉淀，絮凝沉降法对赤潮生物密集时较 为有效，作用时间短且利于赤潮生物回收，对非赤潮生物的影响也较直接灭杀法小， 同时也可消除水体其他悬浮物，净化水质，然而如何提高粘土矿物去除赤潮生物的 能力，减少粘土的用量，一直是该方法存在的主要问题，此外，絮凝法还存在成本 较高，沉降物对底栖生物生存影响等问题【5 5 - 5 钔。 生物法是利用微生物抑制( 如病毒或细菌专一性的杀死赤潮生物) 、浮游动物摄 9 水生植物熟解生物油对中肋骨条藻的抑制作用 食、贝类滤食以及大型藻类营养竞争或化感作用等控制赤潮生物的方法，近来利用 生物治理赤潮的研究发展较为迅速，化感作用是目前新兴的控制藻类的方法，自 1 9 4 9 年h a s l e r 首次发现大型水生植物对微藻的克制效应后【5 9 1 ，越来越多的报道发现 在水生生态系统中大藻与微藻之间存在着拮抗的关系旧，w a n g 等【删发现缘管浒苔 ( e n t e r o m o r p h al i n z a ) 、小珊瑚藻( c o r a l l i n ap i l u r i f e r a ) 和鼠尾藻( s a r g a s s u mt h u n b e r g i i ) 3 种大型海藻的水和甲醇提取物能够抑制东海原甲藻( p r o r o c e n t r u md o n g h a i e n s e ) 生 长。n a n 等【6 l 】通过研究发现在共培养体系中，石莼( u l v al a c t u c a ) 可以抑制赤潮异湾 藻( h a l o s p h a e r av i r i d i s ) 、塔玛亚历山大藻口l e x a n d r i u mt a m a r e n s e ) 和中肋骨条藻 ( s k e l e t o n e m ac o s t a t u m ) 的生长，其中对赤潮异湾藻( h a l o s p h a e r av i r i d i s ) 的抑制率在培 养了1 2d 之后能够达到1 0 0 。 有一些植物还可以通过分泌抑藻物质限制微藻的生长，具有抑藻作用的化感物 质主要属于植物的次生代谢产物，这些代谢产物分布于植物的根、茎、叶、花、果 实或种子中，并通过挥发、根的分泌或淋溶等方式释放到周围环境中【6 3 1 。陈芝兰等 【删探讨了凤眼莲( 即水葫芦) 根系分泌物及其丙酮、乙酸乙酯提取物对塔玛亚历山大 藻的化感作用，并进一步分析了风眼莲根系的丙酮提取物抑制塔玛亚历山大藻生长 的机制6 5 】；g i b s o n 等【圃研究了大麦秸杆对小球藻cv u t g a r s 等微藻的抑制作用，研 究结果表明大麦秸杆浸出液中存在抑藻物质；b a l l 等【6 7 】对大麦秸秆浸出液对微藻的 作用浓度范围进行了分析探讨，结果表明，i ( w v ) 大麦秸秆浸出液就能对铜绿微 囊藻、栅藻等微藻产生抑制作用，浸出液的主要成分是木质素；r i d g e 和p i l l i n g e 等 嘲 指出大麦秸杆的抑藻活性与木质素的溶解和氧化作用有关，抑藻活性更准确的说 是来自于氧化多酚。可见化感物质可较好的抑制藻类生长，在浓度较低时便可表现 出优良的抑藻作用，而且滞留的化学物质对环境产生的负面影响非常小。利用植物 化感物质杀灭藻类是一种能有效控制藻类生长，又对水域环境相对无害的生物防控 新方法。 热解作为一种新兴的生物质利用方法，在较好的解决废弃生物质利用问题的同 时，其过程中获得的液态产物组成丰富成分天然，既能较好的抑制有害微生物生长 又有别于人工合成化学品，因此研究水生植物热解生物油对藻类生长的抑制作用及 抑制机理无疑可为赤潮治理及废弃生物质的利用提供新的思路。 1 0 水生植物热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用 1 5 研究目的及内容 1 5 1 研究目的 本文通过比较3 种常见湿地植物芦竹、芦苇、香蒲在2 5 0 、3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 下热解得到的1 5 种生物油对中肋骨条藻的抑制作用，明确生物质材料及制备温度 对热解生物油抑藻活性的影响，进一步探究热解生物油中可能的抑藻成分，并研究 比较中肋骨条藻在不同生物油作用下丙二醛含量、抗氧化酶系统活性活性氧自由基 的变化规律，初步揭示生物油抑藻机理，为水生植物高价值利用及赤潮治理提供理 论依据。 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 水生植物生物油抑藻特性研究：制得生物油以一定的浓度梯度添加到藻液中， 通过观察藻细胞数目的变化、计算出生物油对中肋骨条藻的抑制率及7 2 h 半效应浓 度，从芦苇、芦竹、香蒲三种植物2 5 0 、3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 下制得生物油中筛 选出对中肋骨条藻具有强抑制作用的生物油； ( 2 ) 活性物质的分析和鉴定：生物油甲基化后利用气相色谱质谱联用( g c m s ) 分 析成分，明确潜在的抑藻活性成分； ( 3 ) 水生植物生物油对中肋骨条藻作用机理的研究：测定三种不同生物油作用下中 肋骨条藻丙二醛含量，抗氧化酶系统( s o d 、p o d 、c a t ) 活性以及过氧化氢、羟 自由基和超氧阴离子自由基的变化，对不同生物油对中肋骨条藻抑制作用进行比较 分析，探明生物油抑藻机理。 水生植物热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用 1 5 3 研究技术路线 圈l - 2 技术路线 f i g 1 - 2t h et e c h n i c - c o u r s e 1 2 水生植物热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用 2 水生植物生物油对中肋骨条藻的抑制作用 2 1 引言 目前热解技术相对于燃烧气化等方法已成为生物质热化学处理法研究的核心和 热点，该方法能以较低的成本，连续化的生产工艺将常规方法难以处理的能量密度 较低的生物质转化为能量密度较高的汽、液、固三相产物。生物质热解液态产物生 物油，成分较为复杂，具有一定的生物活性。张建明等1 6 9 】发现用生物油处理水稻种 子及在秧苗期与其他生育期采用叶面喷雾处理后，水稻产量有一定的增加，且生物 油与氮素肥料混合施用，可促进水稻对氮素的利用效率。生物油在促进农作物生长 的同时对一些有害微生物则表现出生长抑制作用，对苹果斑点落叶病菌( a l t e r n a r i a m a l l ) 的抑制效果与抗霉素b 相差无几【4 1 1 ，杏树枝生物油对黄瓜炭疽病菌、葡萄霜 霉病菌、棉花黄萎病菌、辣椒疫霉病菌和小麦赤霉病菌均有显著的抑制作用【4 2 1 ，生 物油较强的抑菌活性使其可作为新型植物源抑茵剂加以开发利用。 至今有关生物油对植物及有害微生物的生物活性作用的研究较多，而赤潮藻作 为一种有害浮游植物，生物油是否同样可以抑制其生长尚未见报道。中肋骨条藻 ( s k e l e t o n e m ac o s t a t u m ) 属常见海洋浮游硅藻，细胞为透镜形或圆柱形，直径为6 - - 2 2 呻，生长适宜温度为1 0 - - 3 4 ，最适温度2 0 - - - 3 0 ；盐度7 - - 一5 0 ，最适1 5 - 3 0 ： 光照强度5 0 0 0 l u x 为宜n 。培养方法较简单易行。中肋骨条藻是产生赤潮的优势种 之一，在全世界海域都有广泛分布，在我国也是发生频率高且危害严重的典型赤潮 涮7 2 1 。本章以3 种湿地常见水生植物芦竹、芦苇、香蒲为生物质原料，分别在2 5 0 、 3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 下进行热解，比较所得热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用， 明确生物质材料及制备温度对热解生物油抑藻活性的影响，并初步探究热解生物油 中可能的抑藻成分，为进一步研究水生植物热解生物油的抑藻机理提供依据。 2 2 材料与方法 2 2 1 材料 水生植物：芦竹、芦苇、香蒲，采自南四湖人工湿地示范区，采集后用自来水 1 3 水生植物热解生物油对中肋骨条藻的抑制作用 冲洗干净，风干、减成5 c m 的片段，6 5 下烘干2 4 h 。 中肋骨条藻( s k e l e t o n e m ac o s t a t u m ) ：由中国科学院海洋研究所提供。 2 2 2 试验方法 ( 1 ) 水生植物热解生物油的制备：称取上述干燥水生植物段1 0 0g 放入真空管 式炉( g s l 1 3 0 0 型) 刚玉管中，在氮气保护下以1 0 m i n 1 的升温速度分别升至 2 5 0 、3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 ，热解4h ，氮气流量为15 0m l m i n 1 ，热解气冷凝收 集，得生物油，称量并计算产率。 ( 2 ) 中肋骨条藻的培养：实验所用玻璃器皿在1 0 h c l 中浸泡2 4h 后，用蒸 馏水冲洗3 遍，1 2 1 高压湿热灭菌2 0m i n 。自然海水经0 4 5i n n 醋酸纤维酯滤膜 过滤，1 2 1