全 文 ：武汉植物学研究 2007，25(5)：457—461
Journal of Wuhan Bo纽n论越 Research
UV—C光催化纳米 TiO2对蓝藻生长影响的研究
廖兴盛，汪 星，赵开弘，周 明
(华中科技大学环境科学与工程学院，武汉 430074)
摘 要：研究了 uV-C光催化纳米 TiO 对蓝藻生长的影响。从生理上分析了 uV．C光催化纳米 TiO 具有促进蓝
藻中鱼腥藻 7120体内活泼态氧化物O ，·OH和 H O 的产生，抑制藻体中过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、
抗坏血酸过氧化物酶(APX)和超氧歧化酶(SOD)在内的抗氧化酶活性，降低可溶性蛋白(Soluble Pr)、藻蓝蛋白(C．
Pc)、叶绿素 a(C-Chl a)和类胡萝 b素(c-Carotenoids)含量 ，最终表现为藻细胞生长代谢中光合速率和呼吸速率迅
速降低，细胞增殖中遗传物质核酸含量下降，并出现几乎达到 100％的细胞致死率；同时 ，通过显微镜观察发现，受
试蓝藻细胞形态结构发生了明显变化。可以看出，uV-C光催化纳米 TiO，能够有效抑制蓝藻生长。
关键词 ：纳米 TiO2；鱼腥藻7120；代谢活性；抗氧化酶
中图分类号 ：Q945 文献标识码：A 文章编号：1000．470x(2007)05．0457．05
Study on the Influence of Cyanobacterial Growth by UV-C
Photocatalytic Oxidation th Nanometric TiO2
HAO Xing—Sheng，WANG Xing，ZHAO Kai—Hong，ZHOU Ming’
(Colege ofEnvironmental Science andEngineering，Huazhong UnitersityofSc／ence and Techno／ogy，Wuhan 430074，China)
Abstract：rI’he effects of cyanobacterial卿 wth by UV—C photocata1)rtic oxidation with nanometric TiO，
were studied．Analyrzed from the physiological view point of Anabaena sp．PCC 7 120．under UV．C photo．
catalytic oxidation with nanometric TiO，．as indicated by increased the contents of reactive oxygen species
of the O ，·OH and H2O2，decreased the capacity ofantioxidant system ofthe CAT，POD，APX and SOD，
and decreased the contents of the soluble protein，C．PC，C．Chl a and C—Carotenoids．Furthermore，the re—
suits compared with those without photocatalytic．as indicated by reduced photosynthetic rate and photore．
spiration rate rapidly．decreased nucleic acid contents as for cell proliferation，and gained about 1o0％
mortality．Observed under the light microscopy cell morphology was changed obviously．So UV-C photocat-
alytic oxidation with nanometric TiO could achieve a good efect in photocatalytic restraint cyanobacteria．
Key words：Nanometric TiO，：Anabaena sp．PCC 7 120；Metabolic activity；Antioxidation emzyme
随着蓝藻“水华”治理技术研究的不断深人，出
现了利用太阳光或长波紫外线作为发生光源，进行
光催化纳米复合半导体治理蓝藻“水华”的初步探
索研究 ¨J，并取得了一定的效果。但是专门利用
灭菌效果好、波长为253．7 nm的短波紫外线作为发
生光源，系统构建光催化纳米TiO 反应来治理蓝藻
“水华”的研究，目前未曾见报道。本实验利用这种
构建的uV—c光催化纳米TiO 反应来处理蓝藻“水
华”，选用蓝藻“水华”暴发中常见的鱼腥藻7120为
受试藻种，研究该反应对鱼腥藻7 120生长的生理学
和细胞学影响，探索其发生作用机制，旨在为有效治
理蓝藻“水华”提供理论依据。
1 材料与方法
1．1 实验材料
(1)藻种 受试藻种为鱼腥藻 7120(Anabaena
sp．PCC 7120)，由中国科学院典型培养物保藏委员
会淡水藻种库(FACHB)提供，采用Alen’S培养基，
培养温度为2O℃，可见光照强度为 2000 lx，培养至
对数生长期，在其 C—Chl a含量 1．0～1．2 mg／L时进
行实验。
(2)主要测试仪器及试剂 Lambda 25型紫外
可见吸收光谱仪(Perkin—Elmer)、超声波细胞粉碎机
JY92一Ⅱ(宁波新芝科仪研究所)、高速台式离心机
收稿日期：2007-03—09，修回日期：20o7—04—18。
基金项 目：教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-04-0717)；国家自然科学基金资助项目(30540070)。
作者简介：廖兴盛(1974一)，男 ，博士生 ，研究方向为环境生物工程。
+ 通讯联系人。
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458 武 汉 植 物 学 研 究 第25卷
ROTINA 35R(Hetich)、UV—C 2254辐照计、普通光
学显微镜、CY一1I型测氧仪(上海华光仪器厂)。
纳米 TiO 为上海康誉实业有限公司所购得的
纳米级 TiO (锐钛矿型，粒径 50 nm，比表面积
35 m ／g)，其余所用试剂均为分析纯(AR)。
1．2 藻生理指标的测定
【1)抗氧化酶活性的测定 SOD活力按照改
进的Marklund方法 进行测定；POD活性按照改进
的 Pr6stamo的方法 进行测定。CAT活性按照改
进的Dhindsa和 Cakmak的方法 ’ 进行测定。APX
活性按照改进的 NaKano和 Maccarone的方法 ’9 J
进行测定。
【2)代谢活性的测定 按照 Martin Winkler的
方法 。¨。进行改进，使用 CY一1I型测氧仪和 Clark电
极，对受试蓝藻的光合与呼吸速率进行测定。
【3)细胞内含物质的测定 Soluble Pr含量按
照 Bradford的方法 ¨进行测定，以牛血清蛋白作标
准曲线，计算可溶性蛋白含量；C—PC含量按照Ben—
net和 Bogorad的方法 ¨进行测定 ；C—Chl a含量按
照Jensen的方法 ¨进行测定；C—Carotenoids含量按
照Anete Ktister的方法 进行测定。核酸损伤的
测定：取处理前后蓝藻试样 ，离心机上以 1000 r／min
离心2 min，取离心后上清在紫外可见光谱仪上测定
260 nm波长的吸收值(A瑚)。
(4)细胞活性及形态结构观察 取处理前后的
蓝藻试样，采用血球计数板(计数室，16×25)在普
通光学显微镜下计数测定蓝藻致死率，并进行细胞
形态结构观察。
1．3 UV-C光催化纳米 TiO：实验
实验在反应时问为 60 min，紫外光照强度为
2．17 mW／cm ，反应藻液中纳米 TiO 加入浓度为
100 mg／L，反应藻液体积为500 mL，反应藻液恒定
温度为3O℃和通人足够空气量的条件下进行，实验
结束时将处理后鱼腥藻7120分别转入完全灭菌的
玻璃锥形瓶中静置，供测试取样及观察。实验装置
见图 1。
2 结果与分析
2．1 对物质代谢活性的影响
经过 uV—C光催化纳米 TiO 处理和紫外线照
射处理后，受试蓝藻的光合速率和呼吸速率都远远
低于对照值(见表 1)。经光催化纳米 TiO 处理后
的试样，其光合速率和呼吸速率值均降至0。同时，
经紫外线处理后的试样，其光合速率和呼吸速率也
1一紫外线发生光源；2一电源开关；3一蓝藻反应液；4一气体
扩散器；5一磁力恒温搅拌器；6一曝气器
1一Tubular UV lamp；2一Power supply；3一Cyanobacteria solution；
4一Gas difuser；5一Constant temperature magetie stirrer；6一Air
generator
图 1 UV—C光催化反应装置
Fig．1 Schematic diagmm of the UV—C photocatalytic
experimental apparatus
十分微弱，其值降至很低。以上结果表明，鱼腥藻
7120经光催化处理，其光合作用能力完全丧失，不
能再继续进行正常的细胞生理代谢，其生长受到了
抑制。
表 1 不同样品中鱼腥藻7120的光合速率和呼吸速率测定
Table 1 Photosynthetic and photorespiration rate of
diferent Anabaena sp．PCC 7 120
样品名称
Experimental
sarIples
光 理
treatment alone
注：实验试样在处理后2 h进行测试。
Notes：Anabaena sp．PCC 7120 by UV—C photocatalysis．Control=
untreated samples；TiO2 treatment an d UV—C irradiation alone=
after UV—C photocatalysis for 2 h，respectively．
2．2 对细胞内含物质的影响
鱼腥藻7120分别经过 uV．C光催化纳米 TiO
处理和紫外线照射处理，其叶绿素 a、类胡萝 卜素、
可溶性蛋白和藻蓝蛋白的含量均出现了大幅度的降
低(见图2、图3)，其核酸损伤程度中A ∞吸收值也
保持了较大幅度的增加(见图4)。对受试蓝藻处理
后分别静置0 h和48 h的数据测定发现，随着处理
后时问的延长，蓝藻体内含物质含量不断下降，核酸
受损程度不断加剧。经光催化处理的蓝藻试样，其
叶绿素 a、类胡萝 卜素、可溶性蛋白和藻蓝蛋白的含
量均低于经紫外线照射处理的含量 ，并保持在较低
的浓度。另外，经光催化处理的蓝藻试样 A ∞吸收
值也略高于经紫外线照射处理的吸收值。以上结果
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武 汉 植 物 学 研 究 第25卷
3 讨论
3．1 对蓝藻生长的影响
实验蓝藻为原核生物，其细胞壁薄而坚固，与原
生质体外的质膜紧密相连，保护细胞免遭破损，原生
质则由周质和中央体构成，周质中主要分布着细胞
内的内囊体、颗粒体和各种各样的酶，类囊体作为光
合反应器，它主要由脂类和蛋白质组成，在脂类中含
有与光合作用关系最密切的叶绿素 a、类胡萝 卜素
和藻胆素等多种光合色素，细胞染色质则分布在中
央体内，以上细胞的完整结构使蓝藻保持着正常的
生长代谢功能。蓝藻体内的抗氧化酶中，SOD主要
担当催化细胞内的O ，使其转变为细胞毒性相对
较低的 H O ，在细胞的抗氧化保护机制中可能起中
心作用 ；POD和 CAT则是细胞内清出 H 0 的主要
酶类，两者协同清出细胞中 H 0 ；APX则是以抗坏
血酸为电子供体的专一性很强的过氧化物酶，主要
清除叶绿体内的H 0 。
光催化剂纳米 TiO 在 uV．C波长253．7 nm作
用下，出现入射光光子能量远大于TiO 禁带宽度能
量(3．2 eV)，位于价带上的电子则激发跃迁到导带
上，分别在价带和导带上产生具有高活性的氧化性
光生空穴(h立)和还原性光生电子(e三)，纳米 TiO
表面会有 O 、·OH和H O 等活泼态氧化物产
生 ¨。当受试蓝藻进行光催化作用时，反应中所生
成的活泼态氧化物则源源不断地释放到蓝藻溶液，
对受试蓝藻细胞产生氧化胁迫 。因光催化反应
中所释放的活泼态氧化物氧化性极强，随着浓度不
断增大，蓝藻细胞壁出现不断氧化受损最终发生破
裂，使细胞质膜被氧化并发生破裂，出现膜通透性和
选择性功能丧失，细胞内外环境产生破坏等现象。
在抗氧化性酶作用下，使受试蓝藻细胞体内活性氧
自由基的形成和清除之间保持动态平衡 ，当大量
活性氧自由基侵入蓝藻细胞内时，使平衡遭到破坏，
产生的活性氧自由基开始抑制抗氧化性酶的活性，
表现出酶活性的下降 引¨。受试蓝藻细胞内的氧化
性 自由基因得不到清除而浓度大幅度增加，大量残
留于细胞内的自由基则直接攻击蛋 白质、脂类和
DNA核酸等生物大分子，发生一系列的连锁反
应 。实验中则表现出受试蓝藻可溶性蛋白质、藻
蓝蛋白、叶绿素 a和类胡萝 卜素含量的大幅度下降；
细胞增殖的遗传物质核酸受到损伤；细胞形态结构
发生明显变化，细胞收缩成不规则形状，细胞壁破
裂，出现原生质体的内含物不同程度溶出，在周质和
中心体中的某些细胞器发生丢失，细胞呈颗粒状散
乱分布等变化。
可以看出，受试蓝藻发生 uV．C光催化纳米
TiO 反应 ，促进了 O 、·OH和 H O 等活泼态氧化
物的形成，成为一种重要的抑制受试蓝藻生长机制。
3．2 Uv-C光催化纳米 no：抑制效果的影响
光催化剂性能和照射光源特性直接影响着光催
化反应过程的处理效果。以纳米 TiO 作光催化剂，
具有无毒副作用、光催化效果好、性能稳定和价格低
廉等优越性能，目前已广泛应用于环境污染物的治
理 j。在光催化反应光源中，采用太阳光或长波紫
外线作为发生光源，因纳米 TiO 禁带宽能量的限
制，其光源的利用率比较低，需要添加光敏化剂或对
纳米TiO 催化剂进行改性来提高光源利用率 。
同时，采用太阳光或长波紫外线作为发生光源，虽能
对蓝藻生长产生一定的抑制效果 ，但对于正处在生
长旺盛阶段，藻密度较大的蓝藻，在短时间内出现较
好地抑制生长的效果则比较困难，容易引发抑制不
彻底产生再次生长反弹，若彻底抑制蓝藻生长，则需
增加光催化处理时间。然而对于照射 253．7 nm波
长uV．c短波，则克服了前面的不足，不仅提高了入
射光子的能量，增大光催化反应的效率，而且在对生
物体损伤方面具有明显好于其它波长的生物学效果
】
，利用该波长uV．c可以直接使蓝藻细胞在一定
程度上受到损伤。
可以看出，uV．C光催化纳米 TiO 具有促进受
试蓝藻体内活泼态氧化物 O 、·OH和 H O 的产
生，通过其生理学和细胞学影响分析，发现 uV-C光
催化纳米 TiO 具有能够有效抑制其生长，加剧受试
蓝藻的受损伤和缩短抑制蓝藻生长的处理时间的效
果。对于有效地控制蓝藻“水华”，消除其对环境的
危害方面，uV．c光催化纳米 TiO 技术都具有较好
的应用价值和积极的环境保护意义。
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