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本研究通过水热法合成PA/膨胀珍珠岩复合材料，开发了一种漂浮、表面对蓝藻水华靶向的缓释系统。实验表明，该材料在实验室和自然水体中分别对毒性和非毒性蓝藻抑制率达97.60%和97.62%，EC50值分别为15.60和6.90 mg/L，有效抑制藻类光合作用并诱导氧化应激反应，同时未对水蚤和蕨类植物造成伤害。
张月文|马明军|高玉佳|洪宇|谢星星
北京林业大学水污染源控制技术重点实验室，北京，100083
摘要
化感物质在控制蓝藻水华方面具有高效性和安全性，但其直接应用存在快速降解和持久性差的问题。为了解决这一限制，我们设计了一种浮力性强、能够靶向水面的输送系统，通过使用膨胀珍珠岩作为基质制备了PA/膨胀珍珠岩复合材料，以抑制无毒和有毒的铜绿假单胞菌（Microcystis aeruginosa）。实验结果表明，PA成功负载到了膨胀珍珠岩上，并且PA/膨胀珍珠岩能够实现酚类物质的长期释放（以PA为主）。PA/膨胀珍珠岩对无毒和有毒的铜绿假单胞菌均表现出良好的抑制效果，最大抑制率为97.60%，7天半数有效浓度（EC50）分别为15.60 mg/L和6.90 mg/L。在自然景观水体中，PA/膨胀珍珠岩对铜绿假单胞菌的抑制率为97.62%。此外，处理后两种藻类的叶绿素a和藻蓝蛋白含量显著降低，有毒和无毒铜绿假单胞菌的光合速率分别降至0.03 [μmol/(mg·h)]和0.0043 [μmol/(mg·h)]。同时，超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的活性以及丙二醛（MDA）的含量也显著增加。在当前暴露水平下，PA/膨胀珍珠岩对大型溞（Daphnia magna）和银蕨（Pteris vittata）没有危害，同时显著降低了藻细胞内的微囊藻毒素-LR（MC-LR）含量，显示出在水华控制方面的应用潜力。
引言
由于工业化和人口增长导致的全球富营养化现象加剧了水生生态系统中的蓝藻水华（Acu?a-Alonso等人，2025年）。这些水华会消耗氧气、释放有害代谢物（如微囊藻毒素和消毒副产物），并通过藻类有机物的排放降低水质（Huang等人，2020年；Lin等人，2024年）。蓝藻水华对生态、健康和社会经济构成了严重威胁，因此需要采取紧急的控制措施（Chen等人，2024年）。目前控制藻类水华的方法包括物理、生物和化学方法（Kim等人，2024年）。物理方法如超声波技术、紫外线照射、膜过滤和吸附简单但资源消耗大。生物控制方法利用真菌寄生、病毒感染、微生物代谢产物、原生动物捕食或营养竞争（Trebuch等人，2024年；Zhang等人，2023a）；然而，可大规模应用的微生物杀藻剂仍不成熟。化学方法可以快速杀死或抑制藻类，但存在二次污染的风险。因此，开发一种快速有效的蓝藻水华控制方法至关重要。
现有研究表明，结合生物和化学方法的处理效果优于单独使用物理方法，能够更快地达到更持久的效果（Liu等人，2023年）。植物分泌的化感物质（如脂肪酸、酚酸和生物碱）可以抑制细菌和藻类（Effiong等人，2024年；Dong等人，2025年；Hong等人，2009年）。作为酚酸的一种，焦性没食子酸（PA）是铜绿假单胞菌的有效抑制剂（Guo等人，2023年；Zhu等人，2020年）。PA能够增加铜绿假单胞菌细胞内的活性氧（ROS）水平，导致细胞氧化损伤。此外，研究表明，持续低剂量施用PA比单次高剂量处理具有更强的杀藻效果（Almulaiky等人，2024年）。然而，将这些化学物质直接施用于水体可能导致分布不均、快速降解和局部高浓度，限制了其实际应用。
虽然像PA这样的化学杀藻剂可以有效抑制藻类生长，但其快速降解和非目标效应限制了其实际应用。为了解决这些问题，研究人员尝试将化学物质固定在壳聚糖、Fe3O4等载体材料上，以实现化学物质的控释，从而延长其持久性和杀藻效果（Wang等人，2024a；Huang等人，2016年；Zhu等人，2021年）。然而，大多数现有载体会沉降，无法有效针对水面水华。在众多固体基质中，膨胀珍珠岩作为一种来自天然火山岩的物质，因其丰富的孔结构和优异的热性能而被广泛用作载体材料（Mercan等人，2022年）。值得注意的是，膨胀珍珠岩重量轻且能在水上漂浮（Khen等人，2021年）。
在本研究中，我们通过使用膨胀珍珠岩作为基质制备了PA/膨胀珍珠岩复合材料，设计了一种浮力性强、能够靶向水面的输送系统来抑制铜绿假单胞菌，将已知的机制创新地应用于实际中。随后，我们评估了该复合材料对无毒和有毒铜绿假单胞菌的抑制效果，并深入分析了两种藻类在复合处理下的生理和生化变化。最后，我们使用大型溞和银蕨作为模型生物，评估了该复合材料的生态安全性及其对铜绿假单胞菌产生的微囊藻毒素-LR（MC-LR）的影响，旨在为这类复合材料在水华控制中的应用提供科学依据和理论支持。
材料
有毒（FACHB-526）和无毒（FACHB-905）铜绿假单胞菌菌株由中国科学院水生生物学研究所（武汉）提供。这些藻类在温度控制在（25 ± 1）°C、相对湿度75%、光照强度在1000至2000 Lux之间的光照培养基BG11中培养，光照/黑暗周期各为12小时。膨胀珍珠岩购自河南力泽环保科技有限公司。
PA/膨胀珍珠岩的特性
通过扫描电子显微镜（SEM）对膨胀珍珠岩和PA/膨胀珍珠岩的形态结构进行了表征。如图1所示，膨胀珍珠岩具有大量的蜂窝状孔隙结构（图1a）和丰富的内部微孔（图1b），这与Dong等人（2021年）的研究结果一致。加载PA后，PA/膨胀珍珠岩表面变得柔软（图1c），许多膨胀珍珠岩的小孔明显闭合（图1d）。能量色散谱（EDS）图显示其主要成分...
结论
本研究通过水热法合成了PA/膨胀珍珠岩复合杀藻材料，设计了一种浮力性强、能够靶向水面的输送系统来抑制铜绿假单胞菌。该复合材料对有毒和无毒铜绿假单胞菌均表现出强烈的杀藻效果，最大抑制率分别为97.60%（实验室）和97.62%（自然景观水体），7天半数有效浓度（EC50）分别为15.60 mg/L和6.90 mg/L。PA/膨胀珍珠岩通过破坏...
作者贡献声明
张月文：撰写——初稿；审稿与编辑；方法学；数据分析；马明军：撰写——审稿与编辑；方法学；数据分析；高玉佳：撰写——审稿与编辑；方法学；数据分析；洪宇：撰写——审稿与编辑；方法学；数据分析；资源准备；谢星星：撰写——审稿与编辑；方法学。
未引用参考文献
Li等人，2023年；Lin和Sidik，2024年；Mercan和Yilmazer，2022年；Zuo等人，2016年
作者贡献声明
张月文：撰写——审稿与编辑；撰写——初稿；方法学；数据分析；马明军：撰写——审稿与编辑；方法学；数据分析；高玉佳：撰写——审稿与编辑；方法学；数据分析；洪宇：撰写——审稿与编辑；资源准备；方法学；数据分析；谢星星：撰写——审稿与编辑；方法学。
