脉冲放电等离子体高效灭活梅尼小环藻制备生物炭的技术研究

针对有害藻华资源化利用难题，大连海事大学团队创新性采用液相脉冲放电等离子体(LPDP)技术，在30 kV峰值电压、7 mm电极间距条件下，仅20分钟即可100%灭活梅尼小环藻(Cyclotella meneghiniana)，并通过氧化降解细胞结构、降低叶绿素a和酶活性等机制同步制备高碳含量藻源生物炭，为藻华治理与碳资源回收提供绿色解决方案。

　　

随着全球气候变化和营养盐排放加剧，湖泊河流富营养化问题日益严峻。梅尼小环藻等藻类的大规模爆发不仅导致水体黑臭、水生生物死亡，更造成全球54%的亚洲湖泊、53%的欧洲湖泊遭受侵害。传统物理化学除藻方法效率低下且易产生二次污染，而高温热解制备生物炭的常规工艺又面临能耗高、操作复杂等瓶颈。如何实现藻类高效灭活与资源化利用的双重目标，成为环境领域亟待突破的科学难题。

大连海事大学的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表的研究中，开创性地将液相脉冲放电等离子体(LPDP)技术应用于藻华治理领域。该技术通过30 kV高压脉冲在藻液中建立等离子体通道，产生羟基自由基(·OH)、臭氧(O₃)等活性物质，仅需20分钟即可完全灭活梅尼小环藻，并同步将其转化为结构稳定的藻源生物炭。这一突破不仅解决了传统方法的局限性，更实现了"以废治废"的循环经济理念。

研究采用原子发射光谱和示波器分析放电特性，通过扫描电镜观察细胞形态变化，结合叶绿素a含量测定和超氧化物歧化酶(SOD)活性检测阐明灭活机制。实验选用中国科学院水生生物研究所提供的梅尼小环藻(FACHB-2816)为研究对象，在CSI培养基中标准化培养。

放电特性分析
示波器监测显示，LPDP在藻液中产生纳秒级高压脉冲(30 kV/7 mm)，电子温度达1.5 eV，激发产生·OH(309 nm)和O₃(258 nm)特征谱线。这种非平衡等离子体可选择性破坏藻细胞壁而不损伤碳骨架。

灭活效率验证
在优化参数下，20分钟处理即可实现100%灭活率。激光共聚焦显微镜显示细胞膜出现明显孔洞，叶绿素a含量下降76.8%，丙二醛(MDA)含量升高3.2倍，证实氧化应激是主要灭活途径。

生物炭表征
X射线衍射显示所得生物碳石墨化程度达62%，比表面积达380 m²/g，FT-IR检测到羧基(-COOH)和羟基(-OH)官能团保留，表明低温等离子体处理能有效保留碳框架结构。

该研究首次证实LPDP技术可同步实现藻类灭活与生物炭制备，其创新性体现在三方面：一是将等离子体作用时间从传统60分钟缩短至20分钟；二是避免高温热解导致的能源消耗；三是所得生物碳具备优异的吸附性能和土壤改良潜力。研究获得国家自然科学基金(12475258)等多项资助，为藻华治理提供了全新的技术范式，相关成果已申请发明专利。

值得注意的是，相比传统热解法(300-900°C)，这种室温处理工艺可降低90%以上能耗。作者团队进一步指出，该技术可拓展应用于蓝藻、绿藻等其他藻华物种，未来通过反应器放大设计有望实现工业化应用。正如审稿专家评价："这项研究在环境技术与能源材料的交叉领域树立了新标杆"。