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DOM光敏生成单线态氧及其对铜绿微囊藻生长抑制研究

万学彬  
【摘要】:人们很早就发现随意堆放在池塘边的大麦杆能对池塘中的丝状藻有显著的抑制作用。后经研究发现在细菌、真菌等物生物的作用下,秸秆慢慢腐烂分解成溶解性有机物,这些有机物在光等外界因素的共同作用下释放出活性物质,从而可能对包括细菌和藻类在内的微生物生长产生抑制。环境光化学研究表明,DOM在光照条件下可以持续不断地产生活性氧(ROS),如过氧化氢(H2O2)、单线态氧(1O2)和羟基自由基·OH等。活性氧(ROS)能够破坏藻类细胞的DNA、细胞膜和蛋白,从而溶解或者阻碍藻类细胞的正常代谢。环境水体中DOM光敏生成的单线态氧对细菌等生物细胞有重要的生长抑制,进而对水体微生物种群产生影响。因此,对环境水体中DOM光敏生成单线态氧及藻类生长抑制研究具有重要的理论价值和现实意义。本论文研究了小麦秸秆、大麦秸秆和水稻秸秆的生成DOM过程,并对秸秆分解生成DOM进行分子量分级,分析了不同来源DOM的光吸收特性和结构,采用光谱分析、官能团滴定、总蛋白含量检测等技术方法探究了不同来源DOM的蛋白含量、官能团含量和有机物类型,从而深入探究其荧光特性。评估了包括秸秆分解DOM、天然有机物(HA、FA等)、污水厂二级出水等不同来源DOM在受到模拟太阳光辐射后,稳态活性氧的生成量和活性氧的生成速率,对比了它们光敏生成活性氧稳态浓度和光量子产率,来评估活性氧生成效能。最后研究了DOM光敏生成单线态氧对铜绿微囊藻生长抑制效能。DOM分子量分级实验结果表明,在大麦分解DOM及其分级组分、小麦分解液、水稻分解液中30-100kD和≥100kD的分级组分中存在类蛋白荧光峰,其中大麦分解DOM蛋白含量较高(49.23μg/mL),高于水稻分解DOM、小麦分解DOM,而二级出水蛋白含量较低(41.74μg/mL)。大麦分解DOM及其分级组分(0.71-1.09mmolg-1)的酚羟基含量高于小麦和水稻分解DOM及其分级组分,而二级出水DOM中酚羟基含量较低(0.25μg/mL)。秸秆分解DOM的E2/E3和SUVA值均比天然有机物低,小麦分解DOM的E2/E3最大(1.20),大麦分解液E2/E3最小(0.97),秸秆分解DOM的E2/E3和SUVA值呈负相关关系。DOM光敏实验结果表明,天然有机物FA光照生成单线态氧的表观量子产率(3.04×10-3)最高,小麦分解液(2.76×10-3)是大麦分解液的1.3倍、水稻分解液的1.2倍,二级出水生成单线态氧的能力最弱(1.13×10-3)。单线态氧生成能力与E2/E3值呈正相关关系,因此每种分解液中生成量最大的为≤1kD组分,小麦分解液(≤1kD)为2.92×10-3,大麦分解液(≤1kD)为2.46×10-3,水稻分解液(≤1kD)为2.57×10-3。在UV光照辐射下,大麦分解液光照生成H2O2的表观量子产率(13.5×10-5)是水稻分解液的3.3倍、小麦分解液的6.7倍,天然有机物FA和HA生成H2O2的能力低于大麦分解液,但是高于水稻分解液和小麦分解液,二级出水表现最弱(2.34×10-5),由于生成H2O2需要电荷转移的参与,因此H2O2生成能力与E2/E3值呈负相关关系,E2/E3值越小则H2O2生成能力越强,也就是说分子量越大H2O2生成能力越强,因此每种分解液中生成量最大的为≥100kD组分,小麦分解液(≥100kD)为2.72×10-5,大麦分解液(≥100kD)为16.1×10-3,水稻分解液(≥100kD)为4.08×10-3。DOM分解液光敏生成·OH主要来自于被辐射有色可溶性有机物(CDOM),另外还有部分是由H2O2光解产生,生成机理基本和H2O2呈现出相同的规律。25种不同来源的DOM均能在UV光照辐射下产生单线态氧,对铜绿微囊藻都有不同程度的抑制作用。有机物的分子量与抑制速率呈负相关关系,也就是说分子量越大,抑制速率也就越小。天然有机物FA光敏生成单线态氧对铜绿微囊藻的抑制速率最高,而三种秸秆分解液中小麦表现最为突出,分级组分中又以≤1k D最优,二级出水表现较差(0.48×10-5μg ml-1 s-1)。通过本次研究发现,不同来源的DOM光敏生成活性氧和单线态氧的效能有较大的差异。单线态氧(1O2)在分解液中生成量相对较少,可它表现出了更高的氧化性,特别是天然水体中存在的FA和小麦分解生成DOM具有较高的单线态氧生成效率,对微滤微囊藻生长有较高的抑制效能。本研究有利于增进对环境水体中DOM与藻类生物量关系的深入理解,也为利用秸秆分解DOM抑制水华藻类生长及秸秆回用提供了理论基础和技术指导。


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