《Journal of Environmental Management》：Changes of intracellular and extracellular organic matter in
Microcystis colonies after ultrasonic stress and during recovery cultivation
编辑推荐：
藻类生态调控|超声处理|Microcystis藻华|胞外聚合物|溶解有机物
贾亮|段志鹏|刘雷|邢超|谭晓|孙军|徐阳雪|朱瑞
中国江苏省南京市河海大学环境学院，教育部浅水湖泊综合调控与资源开发重点实验室，210098
摘要
蓝藻有害藻华（CyanoHABs）会破坏水生生态系统并限制水资源利用。超声波是控制微囊藻（
Microcystis）藻华的有效方法。然而，这种处理方式可能会将细胞外和细胞内有机物释放到环境中，从而可能造成二次污染。在本研究中，使用超声波发生器（35 kHz，0.035 W cm
?3）对微囊藻菌落进行处理0–600秒，以评估其即时反应，包括菌落形态、EPS（胞外聚合物）的变化以及DOM（溶解有机物质）的释放情况。此外，还在不同温度下培养经过处理的蓝藻，以确定其恢复生长过程中EPS和释放DOM的变化模式。结果表明，超声波诱导的空化作用和活性氧可能会降低EPS中易降解的酪氨酸类物质，削弱细胞粘附力，并使大菌落分裂成小菌落（<50 μm，
< 0.05）。超过60秒的超声波处理促进了DOM的释放，其中氨基酸类物质可能为受损的蓝藻细胞提供氮源用于蛋白质合成。而30秒处理的藻类在氮缺乏条件下通过增加类腐殖质物质的产生提高了抗逆性。较高温度（>25°C）可能促进经过超声波处理的微囊藻的新陈代谢和存活能力，增加EPS和有色DOM（CDOM）的分泌。本研究强调了优化超声波参数和监测经过处理的微囊藻藻华加速恢复的必要性，尤其是在高温条件下。本研究的结果将有助于促进基于超声波的CyanoHABs控制技术的实际应用和水环境质量的管理。
引言
近年来，随着气候变化加剧和水生生态系统富营养化问题恶化，蓝藻有害藻华（如微囊藻藻华）呈明显上升趋势（Cai等，2025；Gobler等，2024）。这一现象对全球水资源的保护、可持续利用和管理带来了前所未有的挑战（Qin等，2010）。超声波作为一种控制富营养化水体中藻华的方法，可以有效抑制微囊藻菌落的生长并进一步减少有害藻华的形成（Rajasekhar等，2012）。该技术的原理是通过诱导空化效应破坏微囊藻细胞的气泡，并伴随•OH（活性氧）的产生（Wu等，2025b）。这种破坏作用降低了藻类的浮力，从而减少了它们在水柱中的上升运动，最终抑制了有害藻华的形成（Tang等，2004）。因此，由于其设备要求简单且环保特性，该技术在有害藻华控制方面具有显著的发展潜力和广泛应用前景（Kibuye等，2021）。
然而，超声波在控制有害藻华的应用可能带来环境污染的风险。在过度的超声波压力下，蓝藻可能会发生严重破坏，导致细胞内溶解有机物质（DOM）释放到水环境中，包括碳水化合物、蛋白质、脂类、核酸和有害蓝藻毒素（Liu等，2016）。一方面，这些含氮有机物质会积极参与水生氮循环（He等，2023；Liang等，2024；Liu等，2016）。另一方面，有毒微囊藻产生的微囊藻毒素对水生生物和水资源的安全使用构成威胁（Codd等，2005；Paerl和Otten，2013）。微囊藻可以分泌胞外聚合物（EPS），这些聚合物包围着它们的细胞并形成菌落（Duan等，2018）。当微囊藻菌落受到超声波压力时，这种黏液可以提供必要的保护，例如减轻自由基的氧化作用（Kong等，2019）。因此，在控制有害藻华时选择适当的超声波参数非常重要，包括超声波频率、强度和处理时间（Rajasekhar等，2012）。过强的超声波处理不仅可能导致蓝藻细胞严重破裂，还会造成能量浪费。因此，建议使用低频率和低强度的超声波处理（Tan等，2018a，2018b）。例如，35 kHz和0.035 W cm?3的超声波处理参数组合可以有效抑制微囊藻菌落的生长（Tan等，2017）。然而，不同的超声波处理时间可能会直接影响有害藻华控制的效果，因为较长的处理时间通常伴随着更强的空化和更严重的蓝藻细胞损伤（Rajasekhar等，2012）。因此，研究超声波处理时间对微囊藻菌落形成和细胞内有机物释放的影响至关重要。此外，随着全球变暖，需要进一步研究不同处理时间的超声波处理微囊藻在去除超声波压力后的恢复情况。
本研究旨在探讨微囊藻菌落形成的变化模式以及超声波压力后和恢复培养期间细胞内外物质的变化。实验中，微囊藻菌落接受了不同时间的低频率和低强度超声波处理。随后，在不同温度下培养经过处理的微囊藻菌落。在超声波处理结束时以及整个恢复培养过程中，监测了EPS的含量和组成以及细胞内有色DOM（CDOM）的释放情况。本研究的结果将有助于选择基于超声波的有害藻华控制技术的实用参数，并评估该技术在有害藻华控制和水环境管理方面的应用前景。
实验设置
实验设置
2020年10月，在中国太湖贡湖（31°40’ N，120°36’ E）的表层水中收集了蓝藻样本，当时正处于严重的微囊藻藻华期间。分类鉴定结果见文本S1，图S1展示了鉴定结果。微囊藻是贡湖、太湖乃至全球淡水区域的主要有害藻华物种（Jiao等，2014；Zhu等，2016）。使用混合藻类群落而不是单一物种可以提供更全面的
超声波处理后的大小和浓度变化
太湖表层水中的微囊藻菌落中，SP（小型颗粒）的大小主要集中在3–4.5 μm范围内，约占47.72%（图S2a）。而在LP（大型颗粒）中，110–150、190和230 μm大小的颗粒比例相对较高（合计约69.66%）（图S2b）。暴露于超声波压力后，5–10 μm大小的SP比例增加，而3–5 μm和10–50 μm大小的菌落比例减少（图
微囊藻菌落对超声波压力的即时反应
微囊藻依靠EPS分泌来连接细胞并形成菌落（Duan等，2022）。超声波处理改变了藻类颗粒的大小，但没有改变其分布（图1和S2）。较长的超声波处理时间与更高的SP浓度相关（
< 0.05），尤其是处理时间超过60秒时，而LP浓度在各组间没有显著差异（图2a和b）。这种现象可能是由于超声波的物理和化学效应所致。
结论
本研究探讨了超声波处理后微囊藻菌落中EPS的变化及其释放的CDOM的变化，旨在促进基于超声波的有害藻华控制技术的实际应用。微囊藻菌落接受了35 kHz和0.035 W cm?3的超声波处理，处理时间为0、30、60、300和600秒。较长的超声波处理通常伴随着更强烈的空化效应和更多的ROS（如•OH）产生，导致
CRediT作者贡献声明
贾亮：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学研究，数据分析，概念化。段志鹏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学研究，数据分析，概念化。刘雷：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究。邢超：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究。谭晓：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。孙军：撰写 –
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了安徽省扬子江-淮河调水工程项目的支持（YJJH-ZT-ZX-202506）。
