用于控制有害藻华的温度响应型缓释微球：制备、杀藻活性及生态安全性

《Environmental Research》：Temperature responsive sustained-release microsphere for harmful algal bloom control: preparation, algicidal activity and eco-safety

　　摘要
温度是引发蓝藻水华的最重要因素之一。然而，现有的除藻剂设计很少考虑温度对藻类生长的影响。本研究以正十七烷作为温度响应材料，设计出了新型的温度响应型缓释微球，用于释放具有抗藻活性的5,4′-二羟基黄酮。该微球能够根据温度变化调节DHF的释放速率。与直接使用DHF相比，T-SRMs对铜绿微囊藻的抑制率更高，并且在15-25°C的不同温度下都能保持持续的抑制效果。T-SRMs的理论抑制时间远远超过传统缓释微球，足以覆盖整个水华爆发期，延长其有效性。此外，T-SRMs能根据水温精确调控DHF的释放速度：当温度高于正十七烷的熔点（22°C）时，正十七烷的相变会显著促进DHF的释放。盐度对DHF的释放行为没有明显影响，且这种温度响应材料可调整以实现DHF的线性释放，这为其在不同温度环境下的广泛应用提供了可能。另外，T-SRMs对小球藻、大型蚤和斑马鱼没有明显的毒性作用。本研究对于实现更智能、精准且高效的蓝藻水华控制具有重要的科学意义。

引言
近几十年来，由于水体富营养化和全球气候变化，蓝藻水华的发生频率不断增加，且范围不断扩大（Paerl和Huisman，2009；Qiu等人，2025）。蓝藻水华会对生态环境和人类健康造成负面影响（Hancock等人，2024；Sukenik和Kaplan，2021）。其中，铜绿微囊藻是蓝藻水华中的优势物种，它能产生大量藻毒素，对生物造成危害（Ly等人，2024；Wang等人，2026）。目前，已有多种方法用于控制蓝藻水华，包括减少外源营养物质输入，以及物理、化学和生物防治方法（Mohamed等人，2021；Wang等人，2023）。尽管这些方法有效，但仍然存在成本高、操作复杂甚至可能造成二次污染等缺点（Huang等人，2021；Kazmi等人，2022）。表S1对这些方法进行了详细比较。因此，开发高效且环保、具有实际应用价值的抗藻剂至关重要。

化感物质是植物或微生物分泌的次生代谢产物，它们不仅具有优异的杀藻活性，而且对环境的危害较小（Huang等人，2014；Lao等人，2024），因此在控制蓝藻方面具有广阔的应用前景（Guo等人，2024；Li等人，2021b）。在之前的实验中，从大麦秸秆中提取的黄酮类化感物质对铜绿微囊藻具有显著的抑制作用，其中5,4′-二羟基黄酮的抑制率超过90%（Xiao等人，2014；Yu等人，2023）。研究还发现，黄酮类物质能够显著抑制微囊藻素的合成（Yu等人，2023）。然而，如果直接将这类化感物质加入水中，其局部浓度会过高，从而影响非目标水生生物。缓释微球技术可以为化感物质的持续稳定释放提供可控的给药系统，使其具备实际应用潜力（Li等人，2021b）。此外，用于制备缓释微球的材料如海藻酸盐和壳聚糖具有可生物降解性和环保性（Xia等人，2023；Yang等人，2020；Zhang等人，2020）。目前，已有含有青蒿素、亚油酸和木犀草素等化感物质的缓释微球被研制出来，其与直接释放化感物质相比，具有更好的抑藻效果（Li等人，2021a；Ni等人，2013；Ni等人，2015b）。我们还设计了基于黄酮类的缓释微球，用于长期抑制铜绿微囊藻的生长（Huang等人，2016）。此外，一项为期12个月的湖泊现场实验表明，基于青蒿素的缓释微球能够有效长期抑制铜绿微囊藻的生长，为传统缓释微球在实际应用中的有效性提供了重要依据（Ma等人，2025）。

传统的缓释微球属于被动释放系统，无法根据环境变化或实际藻类密度调整释放速率（Li等人，2021b）。要实现按需控制藻类生长，就需要具有刺激响应功能的释放系统。虽然已有针对pH值、光照或酶的响应载体被研究过，但其在自然水体中的应用往往受到信号缓冲、光照强度不稳定或水环境复杂等因素的限制（Zhao等人，2022；Camara等人，2019；Choi等人，2025；Hao等人，2024）。相比之下，温度是一种直接、稳定且适用范围广的环境触发因素。在自然水体中，温度是引发蓝藻水华的最重要因素之一（Favot等人，2025；Liu等人，2023）。许多蓝藻属在较高温度下更容易大量繁殖（Zhang等人，2021）。例如，太湖中蓝藻的密度在春季（16.1°C）较高，夏季升至26.7°C，冬季则下降至9.1°C（Wang等人，2021）。还有研究表明，当温度超过25°C时，蓝藻的光合作用和生长速率会显著上升（LüRling等人，2013；Visser等人，2016）。因此，开发一种能够根据水温变化以可控剂量释放化感物质的新型缓释微球，有助于实现实际水环境中的精准控藻。

本研究的目的是开发一种新型的温度感应型缓释微球，用于控制蓝藻水华，从而降低化感物质的用量，延长其有效性，并减少对生态系统的风险。烷烃是一类较好的温度敏感材料，具有相变温度可调、化学性质稳定且无腐蚀性的优点（Sharma等人，2009）。它已被用于农药的温控释放系统中，当温度从15°C升高到25°C时，其累积释放量可增加50%以上（Eickelmann等人，2021；Xiao等人，2021）。同样，以累积释放率为衡量标准，T-SRMs在较高温度下也有望实现50%以上的释放量增加。为此，本研究以具有温度响应特性的正十七烷（熔点为22°C）和对铜绿微囊藻具有高效抑制作用的5,4′-二羟基黄酮作为核心材料，再结合无毒且具有生物相容性的海藻酸盐和壳聚糖作为包封材料，来制备T-SRMs（Huang等人，2015；Yu等人，2019）。我们提出以下假设：（1）T-SRMs在不同温度下都具有较高的杀藻活性，其抑制时间显著长于传统缓释微球；（2）T-SRMs能够根据水温变化调节DHF的释放速率，且通过更换温度响应材料可以精确控制其释放行为；（3）T-SRMs较低的DHF释放速率能够确保水生生态系统的安全，不会干扰非目标生物的生长。