呋喃酮类化合物在防治蓝藻水华中的应用

1.本发明属于蓝藻水华防治技术领域，特别涉及呋喃酮类化合物在防治蓝藻水华中的应用。


背景技术：

2.随着气候变暖和面源污染的加剧，蓝藻水华已然成为世界重大环境问题之一。蓝藻水华暴发时，藻类迅速地生长繁殖并漂浮于水面形成一层蓝绿色或红黄色的水花或薄膜，水体表层藻细胞密度可达到103～106cell/ml。水华会引起水体浊度增加、溶解氧消耗加快，浮游植物光合作用下降甚至死亡；水华藻释放的藻毒素等物质，对水生生物有毒害作用，导致水体生态系统进入恶性循环。蓝藻水华不仅影响着环境景观，更给当地生态环境、供水安全及人畜健康造成了极大的危害。因此，寻求一种高效安全的水华治理方法已经刻不容缓。
3.目前，蓝藻水华治理包括物理法、化学法和生物法三类。物理法比如机械打捞，然而，机械打捞无法从根源抑制蓝藻的生长，抑制效果不佳，且易出现水华的二次暴发。生物法，如生物滤食，该方法见效慢且适应性差，对蓝藻生长的抑制效果不佳。化学方法，如投加硫酸铜、高锰酸钾等杀藻剂，存在毒性大易引发水体环境二次污染的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供呋喃酮类化合物在防治蓝藻水华中的应用，所述呋喃酮类化合物能够阻断蓝藻分泌的信号分子，从根源对蓝藻的生长产生抑制作用。同时，呋喃酮类化合物在用于防治蓝藻水华时，不会对水体环境造成污染。
5.为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了呋喃酮类化合物在防治蓝藻水华中的应用；所述呋喃酮类化合物为式i所示结构的阻断剂a、式ii所示结构的阻断剂b或式iii所示结构的阻断剂c；
[0007][0008]
优选地，所述应用的方法包括以下步骤：
[0009]
将所述阻断剂与待防治蓝藻水体混合。
[0010]
优选地，所述待防治蓝藻水体中的蓝藻为铜绿微囊藻、鱼腥藻或束丝藻。
[0011]
优选地，所述待防治蓝藻水体中蓝藻的细胞密度不超过1
×
106cell/ml。
[0012]
优选地，以抑制率≥50％计，当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度为≤1.0
×
103cell/ml时，阻断剂a在所述待防治蓝藻水体中的浓度为≥7μm；
[0013]
当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度为1.01
×
103～1.0
×
104cell/ml时，阻断
剂a在所述待防治蓝藻水体中的浓度为≥18μm；
[0014]
当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度为1.01
×
104～1.0
×
105cell/ml时，阻断剂a在所述待防治蓝藻水体中的的浓度为≥41μm；
[0015]
当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度为1.01
×
105～1.0
×
106cell/ml时，阻断剂a在所述待防治蓝藻水体中的的浓度为≥100μm。
[0016]
优选地，以抑制率≥50％计，当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度为≤1.0
×
103cell/ml时，阻断剂b在所述待防治蓝藻水体中的的浓度为≥0.1μm；
[0017]
当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度为1.01
×
103～1.0
×
104cell/ml时，阻断剂b在所述待防治蓝藻水体中的浓度为≥7μm；
[0018]
当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度1.01
×
104～1.0
×
105cell/ml时，阻断剂b在所述待防治蓝藻水体中的浓度为≥14μm；
[0019]
当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度1.01
×
105～1.0
×
106cell/ml时，阻断剂b在所述待防治蓝藻水体中的浓度为≥27μm。
[0020]
优选地，以抑制率≥50％计，当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度≤1.0
×
103cell/ml时，阻断剂c在所述待防治蓝藻水体中的浓度为≥0.05μm；
[0021]
当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度1.01
×
103～1.0
×
104cell/ml时，阻断剂c在所述待防治蓝藻水体中的浓度为≥0.1μm；
[0022]
当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度1.01
×
104～1.0
×
105cell/ml时，阻断剂c在所述待防治蓝藻水体中的浓度为≥2μm；
[0023]
当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度1.01
×
105～1.0
×
106cell/ml时，阻断剂c在所述待防治蓝藻水体中的浓度为≥5μm。
[0024]
本发明提供了呋喃酮类化合物在防治蓝藻水华中的应用，本发明的呋喃酮类化合物能够阻断蓝藻分泌的信号分子，从根源对蓝藻的生长产生抑制作用。同时，呋喃酮类化合物在用于防治蓝藻水华时，不会对水体环境造成污染。
[0025]
实验数据表明，在铜绿微囊藻细胞密度为1
×
104cell/ml～1
×
106cell/ml范围内，阻断剂a、b、c均可有效抑制铜绿微囊藻生长增殖，且在铜绿微囊藻的整个生长周期内，最高抑制率可达到100％。而且，实施例的数据表明，使用本发明中的阻断剂a、阻断剂b或阻断剂c时，抑制率最高的情况下，种子的发芽率仍可达到89～100％，证明阻断剂a、阻断剂b和阻断剂c的生物毒性较低，不会对环境产生污染。
附图说明
[0026]
图1为阻断剂a对初始细胞密度为1
×
105cell/ml铜绿微囊藻的生长抑制情况；
[0027]
图2为阻断剂b对初始细胞密度为1
×
105cell/ml铜绿微囊藻的生长抑制情况；
[0028]
图3为阻断剂c对初始细胞密度为1
×
105cell/ml铜绿微囊藻的生长抑制情况；
[0029]
图4为阻断剂b对初始细胞密度为1
×
104cell/ml的铜绿微囊藻的生长抑制情况；
[0030]
图5为阻断剂b对初始细胞密度为1
×
106cell/ml的铜绿微囊藻的生长抑制情况。
具体实施方式
[0031]
本发明提供了呋喃酮类化合物在防治蓝藻水华中的应用，所述呋喃酮类化合物为
式i所示结构的阻断剂a、式ii所示结构的阻断剂b或式iii所示结构的阻断剂c；
[0032][0033]
在本发明中，所述应用的方法包括以下步骤：
[0034]
将所述阻断剂与待防治蓝藻水体混合。
[0035]
在本发明中，若无特殊说明，所有的原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
[0036]
本发明中，所述待防治蓝藻水体中的蓝藻优选为铜绿微囊藻、鱼腥藻或束丝藻；本发明的实施例中具体优选为铜绿微囊藻。
[0037]
本发明中，所述待防治蓝藻水体中蓝藻的细胞密度优选不超过1
×
106cell/ml。
[0038]
本发明中，对所述待防治蓝藻水体的来源不做具体限定，采用本领域公知的来源即可。在本发明实施例中，所述待防治蓝藻水体的来源优选为实验室模拟。本发明中，所述实验室模拟优选在有机玻璃水槽中对蓝藻进行培养，构建小型生态池模拟水华；所述有机玻璃水槽的尺寸优选为50cm
×
40cm
×
20cm。本发明中，所述培养的培养基优选为bg
‑
11培养基。
[0039]
本发明对所述待防治蓝藻水体的温度不做具体限定。本发明实施例中构建的待防治蓝藻水体的温度优选为26～30℃。
[0040]
本发明中，对所述待防治蓝藻水体中蓝藻的细胞密度不作具体限定，本发明实施例中构建的待防治蓝藻水体的细胞密度优选为1
×
104cell/ml～1
×
106cell/ml。实施例中将待防治蓝藻水体的细胞密度设置在上述范围是因为本领域中一般认为蓝藻的密度到达1
×
104cell/ml时，即认为水华暴发。
[0041]
本发明中，对所述待防治蓝藻水体的ph值不作具体限定，本发明实施例中构建的待防治蓝藻水体的ph为6～9。
[0042]
本发明中，以抑制率≥50％计，当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度≤1.0
×
103cell/ml时，阻断剂a的浓度优选为≥7μm，进一步优选为7～100μm；当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度1.01
×
103～1.0
×
104cell/ml时，阻断剂a的浓度优选为≥18μm，进一步优选为18～200μm；当蓝藻细胞的密度1.01
×
104～1.0
×
105cell/ml时，阻断剂a的浓度优选为≥41μm，进一步优选为41～500μm；当蓝藻细胞的密度1.01
×
105～1.0
×
106cell/ml时，阻断剂a的浓度优选为≥100μm，进一步优选为100～1200μm。
[0043]
本发明中，以抑制率≥50％计，当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度≤1.0
×
103cell/ml时，阻断剂b的浓度优选为≥0.1μm，进一步优选为0.1～2μm；当蓝藻细胞的密度1.01
×
103～1.0
×
104cell/ml时，阻断剂b的浓度优选为为≥7μm，进一步优选为7～15μm；当蓝藻细胞的密度1.01
×
104～1.0
×
105cell/ml时，阻断剂b的浓度优选为≥14μm，进一步优选为14～50μm；当蓝藻细胞的密度1.01
×
105～1.0
×
106cell/ml时，阻断剂b的浓度优选为≥27μm，进一步优选为27～70μm。
[0044]
本发明中，以抑制率≥50％计，当待防治蓝藻水体中的蓝藻细胞的密度≤1.0
×
103cell/ml时，所需阻断剂c的浓度优选为≥0.05μm，进一步优选为0.05～1μm；当蓝藻细胞
的密度1.01
×
103～1.0
×
104cell/ml时，所需阻断剂c的浓度优选为≥0.1μm，进一步优选为0.1～5μm；当蓝藻细胞的密度1.01
×
104～1.0
×
105cell/ml时，所需阻断剂c的浓度优选为≥2μm，进一步优选为2～20μm；当蓝藻细胞的密度1.01
×
105～1.0
×
106cell/ml时，所需阻断剂c的浓度优选为≥5μm，进一步优选为5～32μm。
[0045]
在实际应用过程中，蓝藻细胞密度与所需阻断剂的用量详见表1；
[0046]
表1蓝藻细胞密度与阻断剂的用量关系
[0047][0048]
本发明中，对所述防治的光照条件不作具体限定，本发明实施例中模拟自然光照射条件，光强为2000～3000lx，光暗周期为15h:9h。
[0049]
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明所述呋喃酮类化合物在防治蓝藻水华中的应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
对比例1
[0051]
采用50cm
×
40cm
×
20cm有机玻璃水槽构建小型生态池模拟水华。藻种选用水华蓝藻铜绿微囊藻，初始细胞密度为1
×
105cell/ml，采用bg
‑
11培养基进行培养。光源模拟自然光，光强2000～3000lx，光暗周期为15h:9h。水体温度26～30℃，ph 6.5～8.5。在不添加任何阻断剂的情况下，第20天铜绿微囊藻的细胞密度达到8.09
×
106cell/ml。
[0052]
对比例2
[0053]
采用50cm
×
40cm
×
20cm有机玻璃水槽构建小型生态池模拟水华。藻种选用水华蓝藻铜绿微囊藻，初始细胞密度为1
×
104cell/ml，采用bg
‑
11培养基进行培养。光源模拟自然光，光强2000～3000lx，光暗周期为15h:9h。水体温度26～30℃，ph 6.5～8.5。在不添加任何阻断剂的情况下，第20天铜绿微囊藻的细胞密度达到1.15
×
106cell/ml。
[0054]
对比例3
[0055]
采用50cm
×
40cm
×
20cm有机玻璃水槽构建小型生态池模拟水华。藻种选用水华蓝藻铜绿微囊藻，初始细胞密度为1
×
106cell/ml，采用bg
‑
11培养基进行培养。光源模拟自然光，光强2000～3000lx，光暗周期为15h:9h。水体温度26～30℃，ph 6.5～8.5。在不添加任何阻断剂的情况下，第20天铜绿微囊藻的细胞密度达到2.01
×
107cell/ml。
[0056]
实施例1
[0057]
采用50cm
×
40cm
×
20cm有机玻璃水槽构建小型生态池模拟水华。藻种选用水华蓝藻铜绿微囊藻，初始细胞密度为1
×
105cell/ml，采用bg
‑
11培养基进行培养。光源模拟自然
光，光强2000～3000lx，光暗周期为15h:9h。水体温度26～30℃，ph 6.5～8.5。
[0058]
分别添加10、50、200、500μm阻断剂a，铜绿微囊藻的细胞密度在第20天分别达到6.15
×
106cell/ml、3.48
×
106cell/ml、1.78
×
106cell/ml、9.84
×
104cell/ml。阻断剂a对初始细胞密度为1
×
105cell/ml铜绿微囊藻的生长抑制情况以生长抑制率表示，生长抑制率采用公式1进行计算，计算结果见表2。
[0059]
p＝(c
t
–
c
i
)/(c
t
–
c0)
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0060]
——p，抑制率，％；
[0061]
——c
t
，无阻断剂添加培养第20天的藻细胞密度，cell/ml；
[0062]
——c
i
，添加阻断剂培养第20天的藻细胞密度，cell/ml；
[0063]
——c0，初始细胞密度，cell/ml。
[0064]
阻断剂a对初始细胞密度为1
×
105cell/ml铜绿微囊藻的生长抑制情况见表2和图1。
[0065]
本发明还通过毒性实验测试了阻断剂a的生物毒性效应，采用的方法是常用的种子萌发实验进行环境风险评估，以绿豆种子为测试对象。具体的种子萌发实验步骤为：采用我国环境保护部指定的新化学物质环境风险评估的试验方法之一，即种子萌发试验评估阻断剂的生物毒性，参照进行实验。选取《化学品测试方法》生物系统效应卷推荐的绿豆(mung bean)作为受试种子，漂洗浸泡后去掉破损种子，挑选大小、饱满度一致的种子放入保持湿度的发芽床(垫双层滤纸的培养皿，滤纸用待测溶液充分润湿)，并保持种子胚根末端和生长方向成一条直线，每个培养皿放15粒种子。置于人工气候箱(25
±
1℃，无光照)培养2天，拍照并计算根长。当种子初生根的长度达到5mm时视为发芽。每个条件做3个平行样，重复2次。
[0066]
生物毒性测试结果见表2。
[0067]
表2阻断剂a的抑藻效果与生物毒性
[0068][0069]
由图1和表2可知，与对比例1相比，10、50、200、500μm的阻断剂a对铜绿微囊藻的生长抑制率分别可达24％、58％、79％和100％。阻断剂a对铜绿微囊藻生长的抑制作用随浓度增加而增强，500μm的阻断剂a可在整个生长周期内完全抑制蓝藻的生长增殖。由表2可知，在10、50、200、500μm的阻断剂a存在的条件下，种子发芽率分别为100％、100％、96％、90％，表明在有效抑藻浓度范围内，阻断剂a的生物毒性较低。
[0070]
实施例2
[0071]
采用50cm
×
40cm
×
20cm有机玻璃水槽构建小型生态池模拟水华。藻种选用水华蓝
藻铜绿微囊藻，初始细胞密度为1
×
105cell/ml，采用bg
‑
11培养基进行培养。光源模拟自然光，光强2000～3000lx，光暗周期为15h:9h。水体温度26～30℃，ph 6.5～8.5。
[0072]
分别添加10、20、50μm阻断剂b，蓝藻的细胞密度在第20天分别达到5.50
×
106cell/ml、2.75
×
106cell/ml、9.92
×
104cell/ml。阻断剂b对初始细胞密度为1
×
105cell/ml铜绿微囊藻的生长抑制情况见表3和图2。
[0073]
本发明还通过毒性实验测试了阻断剂b的生物毒性，试验步骤与实施例1中的毒性试验区别仅仅在于将10、50、200、500μm浓度的阻断剂a替换为10、20、50μm的阻断剂b，测试结果见表3。
[0074]
表3阻断剂b的抑藻效果与生物毒性
[0075][0076]
由表3和图2可知，与对比例1相比，10、20、50μm阻断剂b对蓝藻的生长抑制率分别为32％、67％、100％。阻断剂b对铜绿微囊藻生长的抑制作用随浓度增加而增强，50μm的阻断剂b可在整个生长周期内完全抑制蓝藻的生长增殖。通过表3可知：10、20、50μm的阻断剂b的种子萌发芽率均为100％，表明在有效抑藻浓度范围内，阻断剂b无生物毒性。
[0077]
实施例3
[0078]
采用50cm
×
40cm
×
20cm有机玻璃水槽构建小型生态池模拟水华。藻种选用水华蓝藻铜绿微囊藻，初始细胞密度为1
×
105cell/ml，采用bg
‑
11培养基进行培养。光源模拟自然光，光强2000～3000lx，光暗周期为15h:9h。水体温度26～30℃，ph 6.5～8.5。
[0079]
分别添加0.2、10、20μm阻断剂c，铜绿微囊藻的细胞密度在第20天分别达到4.69
×
106cell/ml、1.96
×
106cell/ml、3.01
×
104cell/ml。
[0080]
阻断剂c对初始细胞密度为1
×
105cell/ml铜绿微囊藻的生长抑制情况见表4和图3。
[0081]
本发明还通过毒性实验测试了阻断剂c的生物毒性，试验步骤与实施例2中的毒性试验区别仅仅在于将10、20、50μm的阻断剂b替换为浓度为0.2、10、20μm的阻断剂c，测试结果见表4。
[0082]
表4阻断剂c的抑藻效果与生物毒性
[0083][0084]
由表4和图3可得，与对比例1相比，0.2、10、20μm阻断剂c对铜绿微囊藻的生长抑制率分别为43％、77％、100％。阻断剂c对铜绿微囊藻生长的抑制作用随浓度增加而增强，20μm阻断剂c不仅可在整个生长周期内完全抑制铜绿微囊藻的生长增殖。通过表4可知，0.2、10、20μm的阻断剂c的种子发芽率分别为100％、92％、89％。在有效抑藻浓度范围内，阻断剂c的生物毒性较低。
[0085]
实施例4
[0086]
采用50cm
×
40cm
×
20cm有机玻璃水槽构建小型生态池模拟水华。藻种选用水华蓝藻铜绿微囊藻，初始细胞密度为1
×
104cell/ml，采用bg
‑
11培养基进行培养。光源模拟自然光，光强2000～3000lx，光暗周期为15h:9h。水体温度26～30℃，ph 6.5～8.5。
[0087]
分别添加1、10、15μm阻断剂b，铜绿微囊藻的细胞密度在第20天分别达到1.01
×
106cell/ml、4.14
×
105cell/ml、9.97
×
103cell/ml。
[0088]
阻断剂b对初始细胞密度为1
×
104cell/ml铜绿微囊藻的生长抑制情况见图4。
[0089]
由图4可知，与对比例2相比，1、10、15μm阻断剂b对初始细胞密度为1
×
104cell/ml的铜绿微囊藻的生长抑制率分别为12％、65％、100％，且15μm的阻断剂b可在整个生长周期内完全抑制铜绿微囊藻的生长。
[0090]
实施例5
[0091]
采用50cm
×
40cm
×
20cm有机玻璃水槽构建小型生态池模拟水华。藻种选用水华蓝藻铜绿微囊藻，初始细胞密度为1
×
106cell/ml，采用bg
‑
11培养基进行培养。光源模拟自然光，光强2000～3000lx，光暗周期为15h:9h。水体温度26～30℃，ph 6.5～8.5。
[0092]
分别添加20、50、70μm阻断剂b，蓝藻的细胞密度在第20天分别达到1.22
×
107cell/ml、5.61
×
106cell/ml、9.89
×
105cell/ml。
[0093]
阻断剂b对初始细胞密度为1
×
106cell/ml铜绿微囊藻的生长抑制情况见图5。由图5可知，与对比例3相比，20、50、70μm阻断剂b对初始细胞密度为1
×
106cell/ml铜绿微囊藻的生长抑制率分别为41％、76％、100％，且70μm的阻断剂b可在整个生长周期内完全抑制铜绿微囊藻的生长。
[0094]
综上所述，由对比例1～3可知，在相同培养条件下，随着初始细胞密度增加，蓝藻生长速率加快且最高细胞密度增加，对阻断剂的作用可能产生不利影响。
[0095]
对比实施例1、4、5可知：铜绿微囊藻的初始细胞密度从1
×
104cell/ml增加至1
×
105cell/ml、1
×
106cell/ml，阻断剂b的投加量需从15μm分别增加至50、70μm才能实现对铜绿微囊藻生长的完全抑制。结果表明，初始细胞密度增加降低了阻断剂的抑藻作用，当藻细胞密度增加时想要达到相同的抑制效果，所需的阻断剂用量也相应增加。
[0096]
在铜绿微囊藻细胞密度为1
×
104cell/ml～1
×
106cell/ml范围内，阻断剂a、b、c均
可有效抑制铜绿微囊藻生长增殖，且在铜绿微囊藻的整个生长周期内，最高抑制率可达到100％。其中，10～500μm的阻断剂a对铜绿微囊藻的生长抑制率为24～100％，10～50μm的阻断剂b对铜绿微囊藻的有效生长抑制率为32～100％，0.2～20μm的阻断剂c对铜绿微囊藻的生长抑制率为43～100％。此外，三种阻断剂在其有效抑藻浓度范围内的生物毒性较低，种子萌发率为89～100％。
[0097]
此外，上述三种阻断剂对其他水华蓝藻，如，鱼腥藻、束丝藻也有明显抑制效果，表明阻断剂对蓝藻水华防控具有普适性。
[0098]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。