精油对陆生绿藻的抗藻活性：体外及建筑材料测定

《Algal Research》：Antialgal activity of essential oils against terrestrial Chlorophyta: In vitro and building material assays

　　摘要- 论文评估了未经测试的精油（EOs）对陆生藻类生物膜的抑制作用。- *蓍草*（*Achillea millefolium*）L. 和 *留兰香*（*Mentha piperita*）L. 显示出杀藻潜力。- 精油处理减少了生物膜并恢复了矿物表面的外观。- 精油抑制光合作用，诱导色素降解并造成结构损伤。- 代谢组学显示了脂质重塑、氧化应激和代谢紊乱。## 引言属于绿藻门（Chlorophyta）和链型植物（Streptophyta）的陆生（气生）绿藻，主要由丝状分类群（如 *丝藻属*（*Klebsormidium*））和单细胞属（如 *丝胞藻属*（*Stichococcus*）、*氯体藻属*（*Chloroidium*））代表，它们定殖于土壤、岩石、树皮以及城市环境中的人造矿物基质，包括外部抹灰层、屋顶、砖块和混凝土 [1], [2], [3], [4]。尽管陆生栖息地对藻类生长施加了不利条件，如水分波动、高辐射和极端温度，但气生藻类已进化出多种结构和生理适应，使其能够成功定殖。这些适应包括耐干燥性、光保护色素的合成、细胞壁修饰以及脂质和代谢调整 [4], [5], [6]。陆生绿藻与蓝细菌和异养微生物相关联，定殖于矿物建筑材料，形成嵌入胞外聚合物（EPS）基质中的持久生物膜群落，这增强了群落的稳定性和韧性 [4], [7], [8], [9]。陆生绿藻对建筑材料生物劣化的贡献主要受其生化活动介导，包括有机酸、色素和次级代谢产物的产生。这些化合物促进表面酸化、阳离子螯合以及碳酸钙等矿物成分的溶解 [3], [8], [9]。 previous 研究表明，此类生物膜群落会导致美观损伤，改变建筑材料的微结构，降低机械强度，并最终加速材料降解 [4], [9], [10]。此外，我们最近的发现表明，几种常见于温带气候地区砖块和抹灰层定殖的藻类分类群，包括 *嗜糖氯体藻*（*Chloroidium saccharophilum*）、*亮丝藻*（*Klebsormidium nitens*）、*小苞胞藻*（*Bracteacoccus minor*）和 *奇达双球藻*（*Diplosphaera chodatii*），能够产生柠檬酸、异柠檬酸、乙酸和草酸等低分子量有机酸。这表明它们可能参与了酸化和金属络合介导的过程，突出了它们在矿物建筑材料生物劣化中的潜在作用 [11]。目前用于控制建筑材料上藻类生长的常规杀藻剂，包括有机氯化合物、季铵盐和某些重金属基制剂，由于对人类、动物和环境的长期毒性而引起重大担忧 [10]。《欧盟第 528/2012 号法规》[12] 引入了对生物杀灭剂的严格控制，大幅限制了许多杀藻剂的使用，并强调需要开发更安全、环保的替代品。在此背景下，植物源化感物质，包括精油（EOs），作为可生物降解、低毒性和环境兼容的解决方案，日益受到关注 [13], [14]。源自 *百里香属*（*Thymus*） spp.、*白蒿*（*Artemisia herba-alba*）L.、*迷迭香*（*Salvia Rosmarinus*）L.（前 *迷迭香属*（*Rosmarinus officinalis*）L.）、*桉属*（*Eucalyptus*） spp.、*柽柳囊藻*（*Cystoseira tamariscifolia*）L.、*牛至*（*Origanum vulgare*）L.、*茴香*（*Foeniculum vulgare*）Mill.、*薰衣草属*（*Lavandula*） spp.、*互叶白千层*（*Melaleuca alternifolia*）Maiden & Betche、*丁香*（*Syzygium aromaticum*）L.、*鼠尾草*（*Salvia officinalis*）L. 和 *问荆*（*Equisetum arvense*）L. 等植物物种的精油，已显示出对水生和陆生藻类的广谱活性，包括 *小球藻属*（*Chlorococcum*）、*小球藻属*（*Chlorella*）、*假胞藻属*（*Apatococcus*）、*三角藻属*（*Cosmarium*）和 *丝藻属*（*Klebsormidium*）等属的代表 [10], [15], [16], [17], [18]。其主要作用机制涉及对光系统 II（PSII）的损伤，导致叶绿素 *a* 含量减少和能量转换受损 [19], [20], [21]。此外，精油诱导氧化应激，调节抗氧化酶活性，并引起超微结构改变，包括膜破坏和细胞变形 [22], [23], [24]。因此，精油抑制水生藻类生长，迅速减少生物量并改善水质参数 [25]，而在陆生环境中，它们有效地抑制藻类生物膜发育，对处理材料的颜色和结构完整性影响最小 [18], [26], [27]。中欧地区本土的其他植物物种，包括 *蓍草*（*Achillea millefolium*）L.、*洋甘菊*（*Matricaria chamomilla*）L.、*蛇麻草*（*Humulus lupulus*）L.、*杜松*（*Juniperus communis*）L. 和广泛栽培的杂交种 *留兰香*（*Mentha piperita*）L. 尚未对其对陆生光自养生物膜的活性进行全面调查。然而，它们长期以来在传统医学中的使用，加上有充分记录的抗菌和/或抗真菌特性 [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36]，表明它们是有前景的进一步评估候选者。还应指出的是，上述大多数物种表现出相当大的成分变异性，这是由大量栽培品种及其潜在的遗传多样性造成的。这种变异性可能会影响其抗菌效力，并强调了进一步研究的必要性。重要的是，尽管关于精油在水生系统中抗藻特性的研究不断增多，但在文献中仍存在显著空白，包括：(1) 鉴定对常见定殖建筑材料上的陆生藻类高度有效的精油；(2) 使用先进的代谢组学方法阐明其作用机制；(3) 评估精油对定殖建筑材料藻类的影响，包括评估处理基质的物理化学性质；以及 (4) 在建筑材料上实际应用精油以防止藻类定殖并从建筑表面去除成熟的藻类生物膜。因此，本研究旨在调查陆生藻类生物膜的生理发育（目前尚未完全了解 [3]）与所选植物源分离物的抗藻活性之间的关系，后者作为环境友好型生物杀灭剂的应用在此背景下尚未被探索。此外，还评估了基质水平的反应，以确定这些分离物适用于无机文化遗产材料的保护。## 章节摘要### 藻类本研究选择了五种藻类菌株，即 *小苞胞藻*（*Bracteacoccus minor*）PNK015、*杆菌丝胞藻*（*Stichococcus bacillaris*）PNK040、*亮丝藻*（*Klebsormidium nitens*）PNK013、*嗜糖氯体藻*（*Chloroidium saccharophilum*）PNK010 和 *奇达双球藻*（*Diplosphaera chodatii*）PNK021，这是基于它们在中欧矿物建筑材料上的频繁出现及其对这些基质生物劣化的已知相关性。采样地点、菌株分离和鉴定程序，以及这些分类群在...中的生态意义。### 结果在测试的五种植物物种中，*留兰香*（*Mentha piperita*）L. 衍生的精油产量最高（4% *v/w*），而其余植物的水蒸气蒸馏产量大约低十倍，范围从 0.17% 到 0.21%（表 1）。*留兰香*（*Mentha piperita*）L. 精油包含主要化合物薄荷酮（48.49%）和薄荷醇（21.62%），其他显著化合物包括乙酸薄荷酯（两种异构体；6.65%）、异薄荷酮（6.24%）、桉叶醇（3.98%）和异薄荷醇（2.52%）。*蓍草属*（*Achillea*）...### 讨论本研究的结...表明了所调查植物物种之间精油产量的巨大差异，其中 *留兰香*（*Mentha piperita*）L. 表现出最高的水蒸气蒸馏产量（4.0%）。虽然该值落在文献报告的范围内，但它位于其上限。根据 Hudz (2023) [41]，通过蒸汽蒸馏从风干的 *M. piperita* L. 中获得的精油产量通常在 0.5% 到 4.0% 之间。得... 明显较低的产量已被...### 结论本研究展示了所评估的精油（EOs）对陆生藻类生物膜的强...潜力，这是首次评估。*蓍草*（*Achillea millefolium*）L. 精油表现出最高的杀藻活性，而 *留兰香*（*Mentha piperita*）L. 精油由于其高得多的水蒸气蒸馏产量，显示出大规模应用的更大潜力。两种精油的处理有效地减少了矿物基质上的藻类生物膜，并部分恢复了建筑表面的自然外观。### CRediT 作者贡献声明**Micha? Komar：**写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，资源，方法论，调查，资金获取，形式分析，概念化。**Alessandro De Rosa：**写作 – 审阅与编辑，调查。**Marcelina Rupp：**可视化，调查。**Tomasz Ruman：**资源，方法论，调查，形式分析。**Joanna Nizio?：**可视化，方法论，形式分析。**Aneta P?aza-Altamer：**可视化，调查，形式分析。**Kamil**### 资金这项研究部分由波兰国家科学中心资助，基金编号 UMO-2025/57/N/NZ9/02690，为了开放获取，作者已对本提交产生的任何作者接受稿（AAM）版本应用了 CC-BY 公共版权许可证。### 竞争利益声明作者声明无利益冲突。资助者在研究设计、数据收集、分析或解释、手稿撰写或结果出版决策中均未发挥作用。### 致谢作者衷心感谢波兰罗兹大学生物与环境保护学院藻类学与真菌学系的**Paulina Nowicka-Krawczyk 博士**为本研究提供环境微藻菌株，并感谢她宝贵的**科学指导**。Micha? Komar|Alessandro De Rosa|Marcelina Rupp|Tomasz Ruman|Joanna Nizio?|Aneta P?aza-Altamer|Kamil Szymczak|Teresa Stryszewska|Beata Gutarowska