正壬香草酰胺抑藻机制及环境降解行为研究

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随着有机锡类(TBTs)化合物在防污涂料中的禁用,天然产物类防污剂的研究与开发已逐渐成为防污涂料行业发展的热点。天然辣椒碱(Capsaicin,CAS:404-86-4)具备高效抗污损活性,但提纯成本较高,难以满足市场要求。而正壬香草酰胺(Nonivamide,CAS:2444-46-4)作为其人工合成类似物,在具备高效抗污损活性的同时,兼具较低的生产成本,符合规模化生产制备的需要。然而,至今尚未有人对正壬香草酰胺的抗污损活性机制及环境降解行为作系统考察,这一现状不利于正壬香草酰胺在防污涂料行业的认可与使用。  本论文对正壬香草酰胺的抗污损活性进行了系统评测,并深入研究了正壬香草酰胺的抑藻活性机制及环境降解行为,具体内容与结果如下:  抗污损活性方面,首先考察了正壬香草酰胺对三种受试藻种:小球藻(Chlorellavulgaris)、扁藻(Platymonassp.)和三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)的生长抑制效果,得到正壬香草酰胺对三种藻的4d半数有效量(EC50)依次为22.33mgL-1、75.89mgL-1(其6dEC50降至19.21mgL-1)、5.1mgL-1。进而,研究了正壬香草酰胺对贻贝附着的抑制效果,发现包埋有正壬香草酰胺的丙烯酸树脂涂层(表面分散质量为0.017gm-2)可将贻贝附着率降低60%,且并未观察到致死现象。  在抑藻活性机制方面,选择三角褐指藻作为模型生物,考察了正壬香草酰胺作用下藻体生理生化及分子生物学指标的变化,检测内容包括:蛋白含量、叶绿素含量、类胡萝卜素含量、活性氧含量(ROS)、丙二醛含量(MDA)、碱性磷酸酶活性(ALP)、还原型谷胱甘肽含量(GSH)、过氧化物酶活性(POD)、超氧化物歧化酶活性(SOD)、过氧化氢酶活性(CAT)及细胞游离钙离子含量,并对藻体内活性氧相关基因PsaB、PsbA、PsbD、RbcL、Cob、Nad1转录水平表达量的变化做了考察。提出了正壬香草酰胺抑藻活性可能的作用机制,认为:正壬香草酰胺能够引起藻体胞浆钙离子浓度上升,进而引起光合作用关键基因PsbA、PsbD、PsaB、RbcL在转录水平的下调,导致电子传递链功能失调并引起电子外漏,致使藻体光合作用效率降低、活性氧过量产生;线粒体基因Nad1和Cob在转录水平发生上调,增强呼吸作用以补充正常生长代谢所需的能量,但随着能量物质的持续消耗,线粒体基因的表达量将会下调,降低呼吸作用产能效率,以满足藻体基本生存所需;随着活性氧的过量产生,藻体内三种抗氧化酶SOD、CAT、POD活性及还原性底物GSH含量显著上升,提示藻体抗氧化系统可及时启动,对活性氧进行清除;然而,藻体MDA含量、ALP活性的升高,以及光合色素(叶绿素与类胡萝卜素)含量的降低则表明:在正壬香草酰胺的持续作用下,抗氧化系统难以及时清除过量生成的活性氧,导致藻体膜系统受到氧化损伤,光合作用效率降低。因此,活性氧的过量生成是正壬香草酰胺引起藻体生长抑制现象的直接原因,这一结果符合多数“体外防污剂”(‘xenobiotic’)的作用机制。  在环境降解行为方面的研究发现:正壬香草酰胺可在自然光照条件下及时发生光降解,50mgL-1的正壬香草酰胺溶液在自来水和海水中的降解半衰期分别为101h和54h,而在消除生物降解因素后,半衰期分别延长到139h和83h。底泥中的微生物能够对正壬香草酰胺降解利用,在添加10g(干重为7.89g)底泥的50mL海水中,50mgL-1的正壬香草酰胺经过约1318h可被降解一半,如果额外增加50h自然光照,则半衰期可提前约190h,证明光降解与底泥微生物降解并不冲突。通过ESI-MSn质谱分析,推断正壬香草酰胺在天然水体中的第一步转化很可能是发生在羰基碳邻位仲碳上的氧化(降解产物M1),随后发生的断裂可能产生于脂肪烃侧链上丙烷基的脱落(降解产物M3)。最后,抑藻活性衰减实验证实,正壬香草酰胺对非目标水生生物的不利影响会随光降解的进行及时消除。  本论文实验结果表明:1)正壬香草酰胺具备良好的抗污损活性,可持久有效地抑制各种藻类的生长及紫贻贝的足丝附着;2)正壬香草酰胺抑藻活性的起效机制在于其能够在藻体引发活性氧的过量生成,对藻体造成活性氧损伤;3)正壬香草酰胺能够在天然水体中及时降解,且对环境的不利影响会随光降解及时消除。这些结果证明,正壬香草酰胺兼具有高效的抗污损活性与环境友好性,适于作为环保型防污剂投入实际使用。
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