（材料学专业论文）蓝藻类复合防冻剂的制备研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 期：州；p 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) c 捌：积致：砀醐幻 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来蓝藻污染严重，引起一系列的生态环境问题。蓝藻类植物经历了冰 川时期的考验，在抗冻性上必定有其独特之处。因此，本文从藻类中粗提取了 其主要生物活性物质：藻蛋白和藻多糖，添加到含有其它防冻组分的溶液中， 制备成复合防冻剂融雪剂。本文的研究目的是希望将蓝藻变废为宝，同时为环 保型融雪剂的研究提供一种新思路。 主要内容：采用化学试剂处理法从藻粉中粗提取藻蛋白，红外光谱法验证 提取的蛋白主要含有藻蓝蛋白，再选择其它合适的防冻组分( 本文采用乙二醇、 非离子表面活性剂) ，三者按照一定的比例制成藻蛋白类复合防冻剂。在测试防 冻效果时，选用了恒温可调冰箱，首先测试温度为1 5 时复合防冻剂的防冻效 果，之后再将样品融化，冰箱温度调至- 2 0 ，继续测试其防冻效果。融雪性能 的测试分别选择不同时间的常温条件下进行的。 在藻多糖的提取过程中，分别选用酶法、s e v a g 法及t c a 三种方法来粗提 取藻多糖，采用红外光谱法和粒径分析法表征三种多糖分子的结构，研究结果 表明，采用t c a 法操作流程短，蛋白质去除率高，多糖分子粒径小，易于溶解 分散。因此我们选用t c a 法提取的藻多糖与其它防冻组分配制成藻多糖类复合 防冻剂，选择冰箱温度为1 5 c 来测试其防冻效果。最后用酶法、s e v a g 法及t c a 法提取的粗多糖，分别制备成复合融雪剂，在相同的温度下比较其融雪效果。 实验结果表明： ( 1 ) 添加藻蛋白的复合溶液，随着温度的降低( 从1 5 降至2 0 ) ，其 抗冻性能并没有发生太大的变化，并且藻蛋白含量越高，其抗冻性能相对越好； ( 2 ) 不含藻蛋白的溶液，乙二醇的含量高有助于提高体系的抗冻性能，但 随着温度的降低其抗冻性明显减弱，最终会完全冻结； ( 3 ) 复合溶液中藻蛋白的加入显著提高了溶液的抗冻性，当乙二醇使用量 为1 0 时可达到原来近4 0 的量的效果； ( 4 ) 藻多糖粗提取过程中，采用t c a 法最为简易、快捷。结果表明，采 用固液比1 ：1 0 ，碱液浸提2 次，浓缩率2 0 4 0 ，提前用高浓度乙醇浸泡藻粉过 夜的提取效果最佳； ( 5 ) 藻多糖复合防冻剂的防冻测试表明，其防冻性能不如藻蛋白类防冻剂， 但其融雪性能仍比较好，其中s e v a g 及t c a 法藻多糖的融雪效果好于酶法提取 的藻多糖的融雪效果。 关键词：藻蛋白，多糖，乙二醇，复合防冻剂 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , a l g a ep o l l u t i o nh a sb e c o m eav e r ys e r i o u sp r o b l e m i th a sc a u s e d s e r i e so fe c o e n v i r o n m e n t a lm a t t e r s a l g a ep l a n t se x p e r i e n c e dt h et e s to f 百a c i a l p e r i o d t h e r e f o r e ，i tm u s th a v e i t so w nu n i q u e n e s so nt h ef r o s tr e s i s t a n c e t h u s ，t h e m a i nb i o l o g i c a l l ya c t i v es u b s t a n c e sw e r ee x t r a c t e df r o mt h ea l g a e ，s u c ha sa l g a e p r o t e i na n dp o l y s a c c h a r i d e t h e ni tw a sa d d e dt ot h es o l u t i o nw h i c hc o n t a i n e do t h e r c o m p o n e n t so fa n t i f r e e z e i nt h i sw a y , t h ec o m p o s i t ea n t i f r e e z e | s n o w m e l t i n ga g e n t w a sp r e p a r e d sp a p e ra i m e dt ot u r nt h ee y a nb a c t e r i aw a s t ei n t ow e a l t h ，a sw e l l a sp r o v i d i n gan e ww a yf o rs t u d y i n ge n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yd e i c i n gs a l t p h y c o b i l i p r o t e i nw a se x t r a c t e df r o ma l g a ep o w d e rb ym e d i c a lm e t h o d s a n d t h ee x i s t i n go fc h a r a c t e rr a d i c a lw a sm e a s u r e db yf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d ( f t i r ) s p e c t r o s c o p y a n dt h e n , w ec h o o s e do t h e rs u i t a b l ea n t i f r e e z ec o m p o n e n t ( g l y c o l ， n o n - i o n i cs u r f a c t a n t ) t om a k et h ea l g a lp r o t e i nc o m p l e xa n t i f r e e z ea c c o r d i n gt oa c e r t a i np e r c e n t a g e w h a t sm o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo fa n t i f r e e z ew a sr e s e a r c h e db ya n a d j u s t a b l er e f r i g e r a t o r f i r s t l y , t h ee f f e c to f a n t i f r e e z ec o m p o u n dw a st e s t e dw h e nt h e t e m p e r a t u r ew a s - 15 c t h e n ，t h es a m p l e sn e e dt ob em e l t e d a f t e rt h et e m p e r a t u r e o ft h er e f r i g e r a t o rt u r n e dt o - 2 0 ，t h ea n t i f r e e z ee f f e c tw a st e s t e dt o o 1 1 1 et e s t a b o u ts n o w - m e l t i n gw a sc a r r i e do u tu n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n sa td i f f e r e n t t i m e so ft h ed a y i nt h ep r o c e s so fp o l y s a c c h a r i d ee x t r a c t i o n , w es e l e c t e dt h r e em e t h o d s i t c o n t a i n e de n z y m e ，s e v a ga n dt c am e t h o dt oe x t r a c tt h ep o l y s a c c h a r i d e t h e m o l e c u l a rc h a r a c t e r i z a t i o no ft h r e ek i n d so fp o l y s a c c h a r i d ew a sa n a l y z e db yi n f r a r e d s p e c t r o s c o p ya n dl a s e rp a r t i c l es i z ea n a l y z e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p e r a t i o n p r o c e s so ft c am e t h o dw a ss h o r t i ta l s oh a dh i g hr e m o v a lr a t eo fp r o t e i n 1 1 1 e p o l y s a c c h a r i d em o l e c u l a rs i z ew a ss m a l lt o o ，s oi tw o u l dd i s s o l v ea n ds c a t t e re a s i l y t h e r e f o r e ，w ec h o o s e dt h ep o l y s a c c h a r i d ew h i c hw a se x t r a c t e db yt c am e t h o dt o m a k et h ec o m p o s i t ea n t i f r e e z ew i t ho t h e ra s s i g n e da n t i f r e e z e t h e nt h ea n t i f i e e z e e f f e c tw a st e s tb yt h er e f r i g e r a t o rt e m p e r a t u r ew a s - 15 f i n a l l y , p o l y s a c c h a r i d e s w h i c hw e r ee x t r a c t e db ye n z y m e ，s e v a ga n dt c am e t h o dw e r em a d ei n t od e i c i n g s a l tc o m p o u n dt oc o m p a r et h ee f f e c to fm e l t i n gs n o wi nt h es a m et e m p e r a t u r e c o n c l u s i o n s ： ( 1 ) t h ef r o s tr e s i s t a n c eo fc o m p l e xs o l u t i o nc o n t a i n i n ga l g a lp r o t e i nh a sn o tc h a n g e d m u c hw i t ht h et e m p e r a t u r ed e c r e a s i n g ( f r o m - 15 。c t o 一2 0 * c ) a n dt h eh i g h e r i t 武汉理工大学硕士学位论文 c o n t e n ta b o u tt h ea l g a ep r o t e i n , t h ef r o s tr e s i s t a n c ew a sr e l a t i v e l yb e t t e r ( 2 ) h i g hl e v e l so fe t h y l e n eg l y c o ls o l u t i o nw i t h o u ta l g a ep r o t e i nc a nh e l pi m p r o v e a n t i f r e e z es y s t e mp e r f o r m a n c e b u ta st h et e m p e r a t u r ed e c r e a s i n g , t h ef r e e z i n g t o l e r a n c ed e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yu n t i lt h es o l u t i o nc o m p l e t e l yf r o z e n ( 3 ) t h ef r o s tr e s i s t a n c eo fc o m p l e xs o l u t i o nc o n t a i n i n ga l g a lp r o t e i ni m p r o v e d s i g n i f i c a n t l y w h e nt h eu s eo fe t h y l e n eg l y c o lw a s10 ，i tc a nr e a c hn e a r l y4 0 o f t h ea m o u n to ft h eo r i g i n a lr e s u l t s ( 4 ) t c ae x t r a c t i o nw a st h em o s ts i m p l ea n df a s tm e t h o d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e s o l i dt ow a t e rw a s1 ：10 ，t h ee x t r a c t i v et i m e sw e r e2 ，t h ee x t r a c t i v ew a t e rw a s c o n c e n t r a t e db y2 0 4 0 ，a l g a es o a k e db yh i g hc o n c e n t r a t i o n so fe t h a n o lw a sb e s t a n de c o n o m i c a l ( 5 ) t e s t sa b o u tp o l y s a c c h a r i d es h o w e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fi t sa n t i f r e e z ew a sl e s s t h a na l g a ep r o t e i nc o m p o u n d b u tt h es n o w m e l t i n gp e r f o r m a n c ew a ss t i l lr e l a t i v e l y g o o d t h ee f f e c ta b o u ts e v a ga n dt c am e t h o dp o l y s a c c h a f i d e sw a sb e t t e rt h a nt h e e n z y m a t i ce x t r a c t i o no fa l g a lp o l y s a c c h a r i d e s k e y w o r d s ：p h y c o b i l i p r o t e i n ，p o l y s a c c h a r i d e ，g l y c o l ，c o m p o s i t ea n t i f r e e z e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章前言1 1 1 引言l 1 2 蓝藻体内生物活性物质。l 1 2 1 藻胆蛋白及其应用2 1 2 2 藻多糖及其应用2 1 3 蓝藻的越冬机理。3 1 4 蓝藻危害、治理及综合利用一5 1 4 1 生物治藻6 1 4 2 物理治藻7 1 4 3 化学治藻7 1 5 融雪剂的研究一8 1 5 1 除雪现状8 1 5 2 融雪剂的分类及作用机理9 1 5 3 氯盐类融雪剂的危害1 0 1 6 新型融雪剂及融雪剂的撒布1 2 1 7 融雪剂使用方法的改进1 4 1 8 本论文的主要工作及实验的可行性分析1 5 第2 章藻蛋白类复合防冻剂的制备1 7 2 1 实验原料及仪器2 0 2 。2 化学试剂处理法提取藻蓝蛋白2 0 2 3 藻蓝蛋白的f t o l r 表征2 2 2 4 藻蛋白类复合防冻剂的设计2 3 2 4 1 防冻组分的选择2 3 2 4 2 防冻组分含量的确定2 4 2 4 3 防冻组分的配方2 5 2 4 4 防冻实验结果与讨论2 5 2 5 藻蛋白类复合融雪剂的设计2 8 2 5 1 融雪剂的配方2 8 2 5 2 融雪剂的融雪效果2 8 2 5 3 融雪效果的影响因素3 0 2 6 实验结果的影响因素3 2 2 6 1 藻蓝蛋白粗提取过程中的影响因素3 2 2 6 2 防冻及融雪效果的影响因素3 2 2 7 本章小结3 3 第3 章藻多糖类复合防冻剂的制备3 4 3 1 实验原料及仪器3 5 3 2 螺旋藻多糖的粗提取3 6 3 3 螺旋藻多糖粗提取的单因素试验3 7 3 3 1 多糖提取率的影响因素3 7 3 3 2 单因素试验结果3 8 3 4 藻多糖的f t - i r 表征4 1 3 4 1t c a 法提取多糖的红外光谱表征4 1 3 4 2s e v a g 提取式多糖的红外光谱表征4 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 3 酶提取式多糖的红外光谱表征4 3 3 5 粒径测试4 3 3 5 1 酶法提取多糖的粒径分布4 4 3 5 2s e v a g 法提取多糖的粒径分布4 4 3 5 3t c a 法提取多糖的粒径分布4 5 3 6 藻多糖类复合溶液的性能测试。4 5 3 6 1 防冻性能的测试4 5 3 6 2 融雪性能的测试4 7 第4 章结论4 9 参考文献5 0 致谢5 4 附录5 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章前言 我国拥有大量的湖泊面积，而且分布广泛，但是据有关专家了解，目前大 约有6 6 以上的湖泊、水库处于富营养化的状况，以至于引发了蓝藻水华的暴 发。2 0 0 7 年4 月以来，我国太湖流域高温少雨，水位偏低，5 月底部分水域大 规模暴发蓝藻：无锡市南泉水厂附近也出现了“湖泛”现象，影响到无锡市太 湖饮用水的水源地【l 】。2 0 0 8 年5 月2 6 日，太湖无锡宜兴近岸水域又出现了“湖 泛”，最大面积可达1 7 k m 2 ，导致无锡居民饮水出现危机，这是有史以来最为 严重的蓝藻事件，已引起了社会各阶层的广泛关注。 在我国，蓝藻的大面积暴发并不只局限于太湖流域，滇池等一些主要水域 都面临蓝藻暴发的危机。那么，蓝藻究竟是什么? 蓝藻的危害到底有哪些? 怎 样科学的治理蓝藻? 如何综合利用蓝藻呢? 蓝藻是一种原始、古老的生物，在地球上生存了约3 3 亿 - 3 5 亿年，它与 细菌几乎同时出现。目前人们熟悉的蓝藻约有1 6 0 属，1 5 0 0 种左右，分布及其 广泛，从酷热的赤道到严寒的两极，从插入云霄的高山到广阔无边的海洋，到 处都有蓝藻的踪迹。蓝藻除了含叶绿素a 、叶黄素和胡萝b 素外，还含有藻胆 素( 藻红素、藻蓝素和别藻蓝素) ，其中藻蓝素含量较大，细胞大多呈蓝绿色， 因此蓝藻有时又被称为蓝绿藻，部分蓝藻的细胞壁外面有胶质衣，蓝藻又被称 为粘藻，太湖暴发蓝藻，水体黏稠、发臭，就与这蓝藻的胶质衣有关。 螺旋藻是一种低等的原核藻类生物，通常为多细胞构成的丝状体，呈疏松 或紧密的、有规则的螺旋状，因而得名。在植物学分类上，螺旋藻属于蓝藻门、 蓝藻纲、段殖体目、颤藻科中的螺旋藻属，约有3 6 - - - 3 8 种【2 】。目前，国内外生 产上大量养殖的主要品种只有两个，钝顶螺旋藻和极大螺旋藻，螺旋藻比较容 易获取，因此本文将选用螺旋藻来进行实验的相关研究工作。 1 2 蓝藻体内生物活性物质 蓝藻作为一种低等的单细胞原核生物，本身含有多种生物活性成分，如藻 胆蛋白、藻多糖、不饱和脂肪酸及藻类色素等，此外，其它的营养成分也较多， 主要包括碳水化合物、钙、镁、锌及维生素等。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 藻胆蛋白及其应用 在我国，大部分藻胆蛋白的提取原料通常来自于红藻和蓝藻。藻胆蛋白作 为一种主要捕获光能的色素蛋白，能把捕获的光能高效的传递给叶绿素，从而 实现藻类的光合作用。不同藻类中藻胆蛋白的种类、含量都有所不同，根据在 可见光吸收范围内的最大吸收波长位置，藻胆蛋白主要包括藻蓝蛋白 ( p h y c o c y a n i n ) 、藻红蛋i 兰t ( p h y c o e r y t h r i m ) 和别藻蓝蛋i 刍( a l l p h y c o c y a n i n ) 【3 1 。藻类 细胞中蛋白质的含量高达干重的5 0 0 0 , 7 0 ，其中藻胆蛋白可占细胞干重的 2 5 - 2 8 ，藻蓝蛋白占总蛋白质的7 左右，这是一类普遍存在于蓝藻细胞中 的光合辅助色素，是一种特殊的光合作用色素蛋白，由开链四吡咯化合物和脱 脯蛋白通过硫醚键 p r o t i n s ( c h c h 3 ) 结合，其结构如图1 1 所示【4 】。 h嚣h麓嚣珏 图1 1 藻蓝蛋白的结构 藻蓝蛋白的理论研究和应用在近年来得到了广泛的重视，据报道，藻胆蛋 自在医用领域有广泛的应用，它可以提高人体免疫系统的机能、增强造血功能， 还可用作肿瘤、贫血等疾病的辅助治疗药剂；螺旋藻藻胆蛋白的水溶液呈亮蓝 色，这种天然色素有望应用于食品着色剂及高级化妆品领域；此外，藻胆蛋白 还可用作优良的荧光活性物质，在荧光免疫检测上有较好的应用前景，因此， 螺旋藻藻胆蛋白的应用前景十分可观。但是，由于螺旋藻藻胆蛋白的提取工艺 复杂，工艺流程长，纯化过程较难且成本较高，目前国内市场上还没有藻胆蛋 白的产品( 5 1 。 1 2 2 藻多糖及其应用 我们知道，人体重要的生命活动过程都有糖的参与，多糖有特殊的生物活 性，而多糖类物质广泛存在于动植物和微生物的细胞壁中，是生命有机体的主 要组成部分。海藻多糖是重要的多糖类物质，它种类繁多、来源丰富，海藻中 包括两种活性多糖，一种分子量较小，吸收后能直接或间接影响体内代谢；另 2 武汉理工大学硕士学位论文 一种是难以被消化吸收的细胞间粘性多糖。 螺旋藻多糖( p o l y s a c c h a r i d eo fs p i r u l i n ap l a t e n s i s ，p s p ) 就是一种从螺旋藻 中提取的酸性多糖，含量约占2 3 ，它是一种白色粉末状的水溶性多糖，由 于具有广泛而复杂的活性作用而成为目前螺旋藻研究的热点之一。藻多糖主要 以两种形式存在，一种是以糖链，另一种是糖链与肽链结合，形成糖肽或糖蛋 白。在多糖的提取中，往往是以高浓度乙醇来沉淀多糖，但同时蛋白质也会被 部分沉淀，因此提取螺旋藻多糖关键是有效地去除蛋白质。 藻多糖是重要的多糖类物质，它除了提高机体免疫功能、抗肿瘤、抗病毒、 抗辐射外，还具备下述生物活性【6 】。 1 、降血脂作用 降血脂的作用是由海藻多糖的结构特性来决定的。其原理大致是多糖的胶 体结构与粪便结合后发生膨胀、之后经过发酵，迸一步的阻止脂类物质向小肠 壁扩散，从而影响了脂类和胆固醇的消化吸收，最后起到降血脂作用。 2 、抗凝血作用 海藻多糖对内源性和外源性凝血途径均具有良好的抑制作用，大量研究表 明其抗血栓活性的主要机制是抑制凝血酶原的激活及凝血酶的活性。 3 、护肤润肤作用 海藻是一种优良的润肤剂，首先因为海藻中含有的活性物质能与皮肤蛋白 结合，进一步的形成保湿性的凝胶，同时它还可以通过水合作用在皮肤表面形 成保护膜，防止水分蒸发。 另外，多糖在工业上也有一定的应用价值。例如蓝螺藻能产生大量的胞外 多糖，这种胞外多糖在低浓度下就能形成很高粘度的溶液，初步的技术试验表 明，该胞外多糖具有很好的悬浮和乳化特性，因此具有很好的应用前景。其实， 其它天然来源的多糖( 藻类、细菌和真菌类多糖) 也强烈显示了工业上有用的 特性。这些特性主要包括形成稳定凝胶的能力；稳定悬浮的乳状液；增加溶液 的粘度；形成纤维、胶层、液晶；作为絮凝剂的能力。这些特性使得它们可在 食品工业( 布丁、冰淇淋) 、制药工业( 控制释放系统、抗癌活性药物) ；化 妆品工业( 悬浮剂、乳化剂) 、纺织工业( 印染) 及石油工业( 增强石油回收) 都有广泛的应用。 1 3 蓝藻的越冬机理 蓝藻在地球上生存了约3 3 亿3 5 亿年，其间经历了冰川时期一直存活至 今，其生存领域分布广泛，无论在水体表面、底层、湖沼中还是海洋内皆有蓝 藻分布。w uz h o n g x i n g 等提出蓝藻在低温、黑暗环境下有较强的耐受力 刀， 武汉理工大学硕士学位论文 此外，蓝藻也极能耐受干燥、强的离子浓度改变、缺氧、温度改变以及缺乏光 照等不良的环境条件【8 】，正因如此，在水体富营养化日益加剧的形势下，蓝藻 水华的爆发才能频频发生。 在蓝藻的整个生活史中，越冬期是一个非常特殊的时期，在此期间，藻体 避开冬季不利的生长环境沉入底泥越冬，成为来年水华爆发的“种源 。许多生 物会采取策略来避开不利于生长的恶劣条件，或者形成孢子，或者形成休眠体 来越冬。水华蓝藻微囊藻虽然不能形成特殊形态的休眠细胞，但秋冬季时也会 在底泥中聚集，以度过一段不利于生长的时期。目前关于蓝藻越冬的理论研究 主要局限于蓝藻的越冬对于次年水体蓝藻生物量的贡献，着重研究蓝藻的垂直 迁移以及复苏对于次年夏季蓝藻水华构成的影响，这对次年的蓝藻水华控制和 预测预警有着重要的意义【9 , 1 0 。 对越冬期蓝藻的研究，近年来虽有逐渐增多的趋势，但相对来说还是比较 少。由于蓝藻越冬机理的研究可能为控制整个水华爆发提供一个新的思路，所 以关于蓝藻越冬期的生理生态研究成为一个值得期待的研究方向。蓝藻到底是 如何越过冬天的低温及湖底的低光照乃至黑暗环境? 在这种特殊的环境中藻类 生存的极值是什么? 在水华形成期间和水华形成以后，尤其是当生长环境条件不利时，微囊藻 会聚集，进入休眠状态而沉降到相对黑暗、厌氧的表层沉积物中，在这种特殊 的环境条件下，细胞内贮存的丰富有机物可能为微囊藻的休眠细胞提供了复苏 和生长基础，微囊藻的这种生活策略不仅会影响水体中微囊藻的种群变动，而 且可能有助于其越过环境条件恶劣的冬季。对越冬期蓝藻的研究，近年来虽有 逐渐增多的趋势，但相对来说还是比较少，蓝藻越冬机理的研究可能为控制整 个水华爆发提供一个新的思路，所以关于蓝藻越冬期的生理生态研究成为一个 值得期待的研究方向。 蓝藻的越冬阶段主要是1 1 月到来年2 月，此环境条件对蓝藻的生长是极为 不利的，故其形成“休眠体 ，蓝藻所处的底泥表层环境极其恶劣，其温度一般 处于0 左右，光照也较弱，另外，底泥中还有藻类的捕食者，这些因子对生 命体的存活非常不利。然而，蓝藻休眠体仍能通过调节自身的机制来适应不利 条件，保持自身活性，使整个季节都有复苏，从而成为浮游植物中的优势种。 这一阶段是蓝藻整个生活史中新陈代谢最低的环节，而且是下一阶段水华爆发 的“种源。 那么蓝藻究竟是怎样适应冬季底泥低温、低光照环境的昵? ( 1 ) 对低温的适应性 在温度极低的底泥环境中，蓝藻休眠体并没有停止新陈代谢，而是将细胞 4 武汉理工大学硕士学位论文 代谢活性降到最低，依此来保证生命活动的正常进行，在底泥中存活很多年。 吴生才等人从底泥中提取微囊藻个体，在室内培养，发现底泥中休眠的微囊藻 体可再生长繁殖，这表明，冬季底泥的低温不能成为蓝藻生长的限制因子。 蓝藻在越冬期( 4 ，黑暗) 过程中，藻细胞内酶的活性非常低，细胞分裂速 率也较慢，到达复苏期( 8 ，黑暗) 后，酶活性与细胞分裂速率开始逐渐增加。 在这一机制的调节下，蓝藻休眠体具有很强的耐受低温的能力，其耐低温能力 远远高于绿藻。s a b a c k a 等人对北极湿地中的席藻属研究的结果显示，- 4 处理 后的颤藻细胞活性没有发生任何变化，即一4 对颤藻目席藻属的细胞活性不构 成危害，4 0 ，1 0 0 ，1 9 6 的低温下，颤藻细胞活性仅仅有微小的降低。 目前国内外对蓝藻的研究主要集中在底泥蓝藻的复苏温度，关于此类蓝藻所能 忍受的温度极值研究较少。 蓝藻能够完全适应冬季的低温环境，蓝藻休眠体可在低温底泥中存活很长 时间，并很有可能逐年积累，待温度上升，光照变强时蓝藻会迅速繁殖、上浮 形成水华。无疑，全球气候的变暖，成为未来蓝藻水华提早暴发的隐患。 ( 2 ) 对底泥光照的适应性 蓝藻之所以能在几乎黑暗的底泥环境中保持一定的光合效率，是由于蓝藻 细胞除了含有叶绿素外，还含有藻胆蛋白( 藻蓝蛋白、别藻蓝蛋白) ，这些色素 使得蓝藻可以利用其他藻类所不能利用的绿、黄和橙色部分的光( 5 0 0 - - 6 0 0 h m ) ， 从而使得蓝藻细胞在底泥仅有绿光的环境下存活，野外观测实验结果也发现， 深水区底泥与浅水区底泥的蓝藻休眠体数量没有明显的区别。 在低光照底泥环境下，蓝藻休眠体仍然保持着光合作用，由于光照有限， 休眠细胞的光化学效率与电子转移速率保持在非常低的水平，并随着底泥深度 的增加逐渐降低。 总之，蓝藻通过调整自身生理生态特征来逐渐适应冬季各种不利的环境因 子，在越冬期末，待外界环境因子适宜时，存活下来的藻体细胞便开始逐渐复 苏、生长、繁殖，成为淡水生态系统的优势种群。 1 4 蓝藻危害、治理及综合利用 近年来大量的工业、生活及农业废水排入到淡水湖泊、水库中，致使藻类 获得了丰富的营养物质而大量繁殖，在夏秋温暖季节，湖泊、水库中就会形成 大片蓝绿色的藻类块状物或薄层，漂浮在水面或分散在水中，呈浮动状态，即 “水华 。f r e d r i kg r s n d a h l 及e v a h t e r aj 也提出了蓝藻的水华现象在当今社 会已经成为大家必须关注的一个问题【1 1 , 1 2 】，如图1 2 为昆明滇池蓝藻水华图。 微囊藻( m i c r o c y s t i s ) 水华是淡水水体中危害最严重的一类，微囊藻毒素 武汉理工大学硕士学位论文 ( m i c r o c y s t i n ，m c s ) 主要由铜绿微囊藻、节球藻、鱼腥藻、念珠藻和颤藻等产生， 是一类具有生物活性的七肽单环肝毒素，m c s 是细胞内毒素，它在细胞内合成， 细胞破裂后释放出来并表现出毒性【1 3 1 。 图1 - 2 昆明滇池蓝藻水华图 “水华 的出现，使水体透明度下降，旅游观光价值减少，大量藻类死亡 后迅速分解，产生恶臭，消耗水体中的溶解氧，使水的生态环境恶化。微囊藻 属、鱼腥藻属、颤藻属和束丝藻属等都可以产生蓝藻毒素。水华危害主要有以 下几个方面： ( 1 ) 蓝藻对水生生物的影响，蓝藻能释放生物毒素类次级代谢物，含一定 浓度藻毒素的水体可使鱼卵变异，蚤类死亡，鱼类行为及生长异常。另外，在 水生脊椎动物及无脊椎动物( 包括鱼、贝和浮游动物等) 体内也会积累藻毒素。 ( 2 ) 家畜及野生动物饮用了含有藻毒素的水后，会出现腹泻、乏力、厌食、 呕吐、嗜睡、口眼分泌物增多等症状。 ( 3 ) 藻毒素同样会危害人类健康，人们在洗澡、游泳及其他水上休闲和运 动时，皮肤接触含藻毒素的水后，可引起敏感部位( 如眼睛) 和皮肤过敏，少量 喝入可引起急性肠胃炎。 鉴于蓝藻所引起的危害极大，蓝藻必须得到及时的治理，但目前国内外还 没有比较完善的治理方法，最常用的主要有生物法、物理法和化学法【1 4 , 1 5 】。 1 4 1 生物治藻 生物方法主要从生态的角度，通过生物间的营养竞争和牧食关系来控制蓝 藻水华。它强调的是整个生态系统的管理，从营养环节来控制蓝藻，使水体的 营养素转变为人类需要的最终产品，具有经济、高效、合理的优点。传统的生 物治藻主要采用微生物防治、食藻生物、水生植物抑制等方法。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 微生物防治。 主要是利用微生物来溶解蓝藻。溶藻微生物包括溶藻病毒、溶藻真菌和溶 藻细菌，溶藻病毒广泛地存在于各种水体，它是通过特异性溶解宿主来维持种 群关系平衡的关键因子，溶藻真菌主要通过释放抗生素类的物质达到溶藻目的， 粘细菌是最主要的溶藻细菌。 ( 2 ) 食藻生物防治 食藻生物防治是利用生物操纵理论在水体中引入合适的其它生物，如鱼类、 贝类等，它们直接或间接以藻类为食从而抑制藻类的过度生长。以放养鱼类直 接控制蓝藻的生物操纵技术己在国内外一些水体多次实践，并证明是有效的， 如鲢鱼每生长l k g 体重可吃掉4 0 一5 0k g 的蓝藻。 ( 3 ) 水生植物抑制 水生植物从营养竞争、沉降污泥和释放抑藻素三个方面来影响藻类的种群。 水生植物对营养盐与光照竞争上比藻类有优势，从而能抑制藻类大量繁殖。 1 4 2 物理治藻 物理治藻主要采取截流、疏浚、稀释和污水分流等措施，还可以通过声波 振动，破坏蓝藻的细胞，但是物理方法工程巨大，耗费时间一般较长，投资巨 大，实施难度也很大。应用最成功的典型是华盛顿湖，治理花了1 7 年，费用1 亿3 千万美元。e b t e s a m 等也提出，蓝藻可用来处理工业废水及生活污水【1 6 - 1 8 】。 此外，光调节、水位调节、高压放电、超声波等物理方法效果也较明显， 但不易普遍和大规模实施。 1 4 3 化学治藻 化学法是通过筛选和合成化学药剂( 统称杀藻剂) 来控制水中藻类的繁殖。 一方面通过金属离子抑制藻类的正常代谢，另一方面则通过金属离子的絮凝作 用沉降藻类，从而达到去除藻类的目的。 有机溴杀藻剂、铜盐( 硫酸铜、氯化铜) 、高锰酸钾等是应用较多的杀藻剂。 其中硫酸铜是最为常见的杀藻剂，铜离子作用于蓝藻藻胆体抑制其对光能的吸 收和传递，具有较强的杀藻效果，但铜离子容易富集并且硫酸铜能使藻毒素从 藻细胞内释放入水中。化学除藻法能立杆见影，但它不可避免地将造成环境污 染或生态平衡的破坏，所产生的负面效应非常严重，而且难以消除。 把蓝藻作为污染物处理掉，这样不但不能从根本上处理蓝藻所造成的危害， 还会在一定程度上污染环境，因此近年来人们逐渐把目光转移到如何综合利用 蓝藻。d o n gh o o nh a n ，h o n g y o n gs o h n 等也指出，蓝藻类植物可以吸收空气中 7 武汉理工大学硕士学位论文 的有毒气体如s 0 2 等，对净化空气有较好的帮助【l 蛇。蓝藻中含有较丰富的营 养成分，比如藻胆蛋白、藻多糖及天然色素等，如果对其进行研究，使之变害 为利、变废为宝，达到综合治理的目的，将是一项很有意义的工作。目前对蓝 藻用途的研究主要有：提取天然色素、提取藻胆蛋白、提取多糖、藻毒素研究 及利用、生物固氮及其他方面等【2 2 1 。 特别值得注意的是蓝藻所含有的蛋白质资源一藻胆蛋白，它是一种特殊的光 合辅助色素，其含量在蓝藻的一些分属中可达细胞干重的5 0 。藻胆蛋白包括 藻蓝蛋白、别藻蓝蛋白和藻红蛋白三类。其中藻蓝蛋白普遍存在于各种蓝藻中， 且国内外对藻蓝蛋白的提取及研究比较多，藻蓝蛋白能够吸收光能，可选择性 地富集于病灶，能用于动脉粥样硬化或癌症如皮肤癌、乳腺癌的光动态治疗。 此外，许多蓝藻还能产生可观的、主要为多糖性质的黏液质的物质，这些 细胞外多糖( e p s ) 通常称之为细胞外被多糖，它具有一定的生物活性，如防止脱 水、吞噬和抗菌剂的危害；细胞生活所必需的阳离子螯合；固体表面的黏附等。 总之蓝藻是一种极具开发潜力的资源，对蓝藻的利用已有了初步的发展， 中国所拥有的蓝藻种类分布是世界上最多的，如果能抓住机遇，加快蓝藻的研 究与开发，将会在环保、能源、食品及农业等方面发挥更大的作用。 1 5 融雪剂的研究 1 5 1 除雪现状 道路积雪、积冰会严重危害交通和人的生命安全，因此在高速公路、桥梁、 机场跑道等重要场所有效的除冰，一直是世界上地处高纬度国家关注的问题。 2 0 0 8 年初发生在我国南方地区的雪灾和低温雨雪天气，使南方数省市的高速公 路、国道和机场等地因结冰而关闭，充分暴露出我国在道路除冰方法的研究方 面亟需加强。冬季雪后，及时有效地清除路面上的积雪对于保证交通安全和畅 通很重要，目前的除雪方法主要有人工除雪，机械除雪和融雪剂除雪三大类【2 3 1 。 人工除雪主要是以人力为基础，工作时间长，劳动强度大，工作效率低， 耗费大量的人力、物力和财力，除雪过程中也会有交通事故的发生。但是在科 学技术飞速发展的今天，这种方法显然已跟不上大城市飞速发展的步伐，更明 显的是，全世界每年车辆都在大幅度的增加，更加紧实了路面积雪的厚度，为 人工除雪造成困难。 机械除雪是除雪的根本方法，工作效率高，节省了人力物力，但除雪设备 的制造成本较高，功率消耗大，除净率低，一般需要人工二次清理，目前国内 此类设备远不及国外，所以我国还要努力研制出适合我国使用条件的优秀机器。 武汉理工大学硕士学位论文 采用融雪剂的方法除雪有利有弊，它不需大量的人力、物力且融雪速度快， 不必运输和处理积雪，交通恢复快，近年来融雪剂除雪被越来越多的国家所广 泛采用。但融雪剂除雪在提高了工作效率的同时，也对环境产生了很大破坏， 尤其是对混凝土桥梁产生了严重腐蚀，减缓了桥梁寿命，所以，解决融雪剂问 题势在必行。 1 5 2 融雪剂的分类及作用机理 融雪剂又称化冰盐、防冻剂。根据所含成分的不同，融雪剂( 防冻剂) 主 要分为氯盐型、非氯盐型及混合型( 如图1 3 所示) ，其中氯盐类融雪剂价格低、 效果好，是目前国内大量使用的产品。 厂氯盐型( 氯化钠、氯化镁、氯化钙等) i 融雪剂j 非氯盐型( 有机或无机盐、胺、醇等) 、，氯盐+ 非氯盐 l 混合型j li 氯盐+ 非氯盐+ 阻锈剂 图1 3 融雪剂种类示意图 融雪剂一般是由多种化学成分组成的混合物，成分不同，所形成混合物的 冰点也不同，表1 1 列出了各组成成分对融雪剂冰点的降低值【2 4 】。由表1 1 可 看出，降低凝固点效果最好的均为氯盐类，是氯盐类融雪剂被广泛使用的原因。 表1 1 融雪剂中的各种成分对冰点的降低值 是 溶解度冰点降低值( ) 溶液浓度 4 8 1 5 2 0 3 0 无水氯化钙 - 1 83 6 8 9 1 3 32 3 5 无水氯化镁 2 55 31 2 o