荚膜多糖黄原胶控制赤潮微藻生长的絮凝捕集与生物抑制双重作用机制研究

Red tide is a global marine disaster. How to safely and effectively control the multiplication and diffusion of the red tide organisms in coastal environments is an important focus in marine environmental sciences. Xanthan, a commercial capsular polysaccharide, has good potential application in the ecological restoration of contaminated environments, due to its super characteristics of high flocculating activity, electrolyte stability and biological activity. However, up to now, little information is available for its application in red tide mitigation. Our preliminary study showed that xanthan could effectively trap and wrap harmful algae in seawater, but the flocculation mechanism was not thoroughly investigated, and its potential biological inhibition on harmful algae was not involved. Therefore, this research will comprehensively and deeply reveal the dual mechanism of capsular polysaccharide xanthan on red tide algae mitigation with flocculation trapping and biological inhibition, by which combines the flocculation process and the biological inhibition process together. Thus, the flocculation trapping behavior and mechanism of xanthan on red tide algae will be investigated in detailed, using surface potential analysis, flocs online monitoring technique and atomic force microscopy in this research. Moreover, the biological inhibition effect and mechanism of xanthan on algal motility, photosynthesis, physiological structure and vitality will be systemically studied, via chlorophyll fluorescence analysis, microscopic-submicroscopic structure observation and flow cytometry technique. This research would provide a promising alternative for ecological controlling red tide in coastal environments.

赤潮是一种全球性海洋灾害，如何安全有效地控制近岸海域赤潮生物的繁殖与扩散，是海洋环境科学领域一个重要研究方向。商品化微生物荚膜多糖黄原胶具有较强的絮凝特性、电解质稳定性与生物活性，在环境生态修复中具有良好的应用前景，而在赤潮防治中的研究却鲜有报道。申请者前期研究表明，黄原胶在海水体系中能够有效地絮凝除藻，但对其作用机制研究不够深入，且未涉及其潜在的生物抑制作用。因此，本项目从仿生学角度出发，将絮凝过程与生物作用过程有机结合，力图全面、深入阐释黄原胶控制微藻生长的双重作用机制。为此，采用表面电位测定、粒径在线监测、原子力成像等技术，深入研究黄原胶对微藻的絮凝捕集作用及影响因素，阐明絮凝捕集过程中的核心作用机理；采用叶绿素荧光分析、微观观测、流式细胞仪测定等方法，系统研究黄原胶对微藻的浮游性、光合作用、生理形态及生命力的生物抑制机制。本项目的实施，将为近岸海域有害赤潮的生态防控提供理论依据。

赤潮是一种全球性海洋灾害，如何安全有效地控制近岸海域赤潮生物的繁殖与扩散，是海洋环境科学领域一个重要研究方向。目前，絮凝沉降法在国际上被认为是一种具有良好应用前景的赤潮防治方法。本项目从仿生学角度出发，充分利用商品化微生物荚膜多糖黄原胶的絮凝特性、电解质稳定性与生物活性，采用表面电位测定、絮体粒径监测、激光共聚焦显微成像等技术，研究了黄原胶对微藻的絮凝捕集作用及影响因素；采用叶绿素荧光分析、微观观测、流式细胞仪测定等方法，研究了黄原胶对微藻的浮游性、光合作用以及生理活性的生物抑制作用。研究结果表明，黄原胶对赤潮异弯藻、东海原甲藻、塔玛亚历山大藻与强壮前沟藻等多种典型赤潮微藻具有絮凝捕集作用，絮凝捕集效率与微藻的种类及其生长阶段有关，当微藻胞外多糖的浓度较高时，尤其当微藻附着多糖的浓度较高时，有助于黄原胶对微藻的絮凝捕集。溶液中金属阳离子Al3+、Fe3+、Ca2+、Mg2+的加入，有助于降低黄原胶与微藻之间的斥力，提高黄原胶对微藻的絮凝捕集效率。以吸附架桥、电荷中和、网捕卷扫共同作用的“桥联作用”是黄原胶絮凝捕集微藻作用机理的主要内容，同时亦存在阳离子直接作用、协同作用以及微藻胞外多糖与黄原胶之间特有的多糖粘连作用，其中黄原胶有机高分子聚合物的架桥网捕作用是促进微藻絮凝聚集的核心作用力。黄原胶有机高分子聚合物的长链结构，亦能够有效抑制絮凝沉降后的浮游性微藻往上层水体的浮游性能。微藻絮凝沉降后，黄原胶通过吸附在微藻细胞的表面，引起藻细胞膜结构的破坏与功能丧失，降低微藻的光能转化效率，进而加速藻细胞的凋亡，对于絮凝沉降后的赤潮微藻具有生物抑制作用。本项目的实施，将絮凝沉降的物理化学过程与生物作用过程有机结合，探明了黄原胶絮凝捕集赤潮微藻的普遍适用性，阐明了黄原胶控制赤潮微藻生长的絮凝捕集与生物抑制双重作用机制，为黄原胶在近岸海域有害赤潮的生态防控中的应用提供理论依据。