微电流电解对藻类的持续抑制机理研究

Algae bloom in eutrophic lakes is one of the most serious water pollution problems at present. The presence and excessive growth of algae in water pose a significant risk to drinking water and water ecosystem. The traditional mode for algae treatment is to deal with the algae after bloom occurred, which is very costly while inefficient. An alternative mode for algae treatment is putting prevention first to avoid the economic loss and detrimental effect. Electrolytic inhibition of algae during the early stages of development by low-amperage electric current is an alternative method for algae bloom treatment. In this study, cyanobacteria, green algae and diatom are chosen as the typical algae. The electrode materials that favor the produce of active substances which can inhibiting algae are screened firstly. The effects of electrochemistry parameters and environmental conditions for electrolytic inhibition of algae are explored. The contributions of direct electrooxidation and indirect electrooxidation to electrolytic inhibition of algae are analyzed. The types and concentrations of active substances produced by indirect electrooxidation, and the mechanisms of inhibiting algae by the active substances are emphatically studied. Under the low-amperage electric current, the changes of algae physiological ecology characteristics are investigated, which include photosynthesis/respiration, photosynthetic pigment, active enzyme and morphological structure. This study is supposed to provide theoretical basis as well as technical support for the electrolytic inhibition of algae by low-amperage electric current.

富营养化湖泊水华频发严重威胁饮用水安全及生态系统健康，现有应急模式通常是等水华发生再治理，难度较大。治理水华的另一条思路是以预防为主，对"种源"藻类进行控制，避免水华暴发及所带来的不利影响。其中，采用微电流电解法对处于生长初期的藻类进行抑制，控制藻的复苏繁殖，是一种值得研究和应用的避免水华发生的新方法。 本项目为深入揭示微电流电解对处于生长初期的藻类的抑制机理，选择蓝藻、绿藻和硅藻为对象，研究不同电极材料下微电流电解对藻类生长实现有效抑制的电解条件，以及环境因素对抑藻效果的影响；探索直接氧化和间接氧化作用对抑藻效果的贡献，重点研究间接氧化作用下电解所释放的活性物质种类、含量及其持续抑制藻类生长的效能；分析微电流电解作用下藻细胞光合/呼吸作用、光合色素、酶活和形态结构等生理生态特征的变化，揭示电解对不同种类藻细胞的损伤机制。项目的研究成果可为微电流电解抑藻的实际应用提供理论基础和技术支撑。

保护湖泊、治理蓝藻水华是当今国内外的重要课题。已有研究表明，微电流电解法作为一种电化学处理技术可有效抑制水体中藻类的生长，并且对水中其它组分影响小。但其作用机理尚不清楚。. 本研究以铜绿微囊藻为代表性藻类，通过室内试验研究，探究了微电流电解有效抑藻的最优条件和影响因素；研究了微电流电解作用下藻类叶绿素荧光参数的变化，从生态生理特征角度揭示电解抑藻的作用机理；从电解的间接氧化作用角度出发，验证了电解产生活性物质的抑藻能力，检测并比较了活性物质中主要活性物质活性氯和过氧化氢的生成量及其抑藻效能。. 研究表明：（1）阳极材料对电解抑藻效率影响较大，阴极材料影响较小，选择钌钛和不锈钢分别作为阳极和阴极材料。在一定范围内，电流密度、电解时间以及氯离子浓度增加可提高电解抑藻效率，而碳酸根及硫酸根浓度升高则会降低电解抑藻效率。初始浓度为5×105个/mL的藻液，以10mA/cm2电流密度电解处理15 min可实现对藻类生长的持续抑制。（2）抑藻存在相应的临界电流阈值。若电流密度大于临界值，电解对藻的胁迫会超过藻的耐受能力，电解会破坏掉光合系统II的结构并阻断其与藻胆体之间的连接，使其无法进行光合作用，最终导致藻细胞的死亡。（3）微电流电解产生了具有抑藻效果的活性物质，足量的活性物质对铜绿微囊藻具有良好的抑制效果，可导致已受电解破坏的藻细胞不能进行自身修复而彻底死亡。Cl-浓度、电流密度以及电解时间的增加均有助于提高微电流电解间接氧化的抑藻效果。（4）活性物质抑藻效率与活性氯生成量呈正相关，而与过氧化氢生成量相关性不强；活性氯与过氧化氢都具有一定的抑藻能力，但活性氯的抑藻能力高于过氧化氢，在活性物质抑藻过程中起主导作用。. 本研究从藻类生理生态特征和电解产生活性物质两个方面，共同揭示了微电流电解抑藻的作用机理。项目研究成果可为微电流电解抑藻技术的实际应用提供理论基础和技术支撑。