近日，中国农业大学资源与环境学院李洁明副教授课题组在环境科学与生态学领域Top期刊《Water Research》上发表题为“Long-term and strong suppression against Microcystis growth and microcystin-release by luteolin continuous-release microsphere: Optimal construction, characterization, effects and proteomic mechanisms”的文章。该研究完成木犀草素缓释抑藻微球（Continuous-released microsphere, CRM）的优化构建及表征，揭示了其高效、稳定、持久的抑藻抑毒效应和蛋白质组学机制，为加强植源化感抑藻效果提供关键技术支撑及深层次的理论基础和依据。
微囊藻在蓝藻水华暴发时期占绝对优势，导致水体缺氧并产生释放微囊藻毒素（microcystins, MCs），严重危害生态系统和人类健康，控制微囊藻及减轻MCs释放是当前全球关注的重大问题。木犀草素（luteolin）是一种环境友好、分布广泛的植源黄酮类物质，一定浓度范围的木犀草素可抑制产毒微囊藻生长，但其在水中不稳定、易降解，难以维持其抑藻效应的持久性，包埋固定化技术是解决上述弊端的有效途径，并且应用木犀草素治理水华时，必须考虑抑藻剂对微囊藻MCs释放的长期影响。该研究以海藻酸钠、壳聚糖、氯化钙等为壁材，运用乳化-包埋固定化技术，结合正交试验优化构建了木犀草素CRM，表征了CRM的形态、官能团分布、浸泡前后结构完整性、木犀草素缓释动态等性质，官能团分布表明木犀草素成功包埋入CRM，于水相中浸泡30天后仍保持完整微球状，体现其结构坚固耐久性较强，木犀草素缓释速率为每1.5天5.06 μg/mL/1.5天，投加后0-20天水相木犀草素浓度保持100 μg/mL以上。
木犀草素CRM、纯犀草素和空白微球的傅立叶红外光谱
相比于空白对照，长期抑藻实验表明水相中0.4%（w/v）的CRM从实验开始时期即对微囊藻生长具有显著的抑制作用（p<0.05），从第5至49天达到极高的生长抑制率（> 98%），而暴露于CRM所含的当量纯木犀草素时，微囊藻生长抑制效应不能维持，至第49天已降至25%以下。相比对照，CRM同时对藻细胞MCs释放抑制率也达到98%以上直至第49天，水相MCs含量接近饮用水可接受水平，效果远超当量纯木犀草素。因此，所构建的木犀草素CRM具有更加高效、稳定、持久的抑藻抑毒效应。
（a）木犀草素CRM、纯木犀草素和空白微球对微囊藻生长的影响；（b）木犀草素CRM作用的负增长曲线；（c）木犀草素CRM和纯木犀草素处理之间的抑制率比较
为进一步分析木犀草素CRM在不同营养水平水体中的生态适用性，拓宽其应用范围，该研究进行了不同氮水平（50、5、0.5 mg/L）下CRM的抑藻抑毒效应。实验表明，无论氮水平如何，在30天内微囊藻生长均能被CRM显著抑制（p<0.05），抑制率大于92%，远高于当量纯木犀草素在相应氮水平下的生长抑制率。相比纯木犀草素，各个氮水平下CRM均能更显著地降低MCs释放，第20~30天水相MCs浓度均值仅为6.66、2.11和4.67 μg/L，平均抑制率分别为98.06%、98.00%和92.63%。结果证实了不同氮水平下CRM均能发挥高效、稳定持久的抑藻抑毒效果。
不同氮水平下木犀草素CRM、纯木犀草素对微囊藻生长抑制效应
蛋白质组学分析表明，CRM胁迫下藻细胞光合作用、蛋白内稳态相关蛋白有所上调，但胁迫防御响应、藻毒素合成释放、糖酵解、氨基酸合成、脂肪酸合成及β氧化、三羧酸循环、转录、翻译、转运、细胞形态维持、细胞分裂等诸多生理代谢过程相关蛋白均被显著抑制（p<0.05），表明从微球缓释的木犀草素胁迫使得藻细胞蛋白组由能量消耗向能量储存模式转移，体现藻细胞的防御策略，而上述诸多重要的能量释放、消耗过程的减弱使得蓝藻细胞生长受限，该结果深入揭示了木犀草素CRM高效抑藻抑毒的调控机制。
该论文对蓝藻水华及其毒素MCs释放的长期有效控制具有重要意义，促进了对黄酮类化合物介导的CRM抑藻机制的深入理解，为进一步加强生态安全、持久高效的植源化感抑藻效应提供深层次的理论基础、依据，为化感抑藻应用提供关键技术支撑。
木犀草素CRM胁迫下微囊藻差异表达蛋白的相互作用网络
硕士生李碧滢为论文第一作者，李洁明副教授为论文通讯作者，安广琪、赵彩虹、王成禹参与论文研究。
李洁明副教授课题组长期从事蓝藻水华生态修复与土壤污染物修复研究，在化感物质抑藻、抑藻剂研发、藻毒素微生物降解、生物炭吸附效果及机理等方面一直以来取得积极进展，近年来作为项目负责人获国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划项目子课题、北京市自然科学基金面上项目、教育部博士学科点基金等多项科研项目的持续资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117448
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