一种温度智能感知抑藻黄酮缓释微球及其制备方法

技术领域

本发明属于水体污染控制领域，尤其涉及一种温度智能感知抑藻黄酮缓释微球及其制备方法。

背景技术

在水体富营养化、全球升温的大背景下，有害蓝藻快速大量繁殖形成水华，不仅破坏生态系统平衡，还危害内陆和近岸海域的可持续发展，对水产养殖业造成巨大损失，甚至危害人体健康。近年来，由于蓝藻水华的巨大危害，精准高效、长期动态并且生态危险低的藻类防控技术已经得到研究学者的广泛关注。申请人在2011年申请的专利(专利号为：ZL2012102108685，名称为：大麦化感抑藻旋光异构体赛克灵的制备方法和应用)中明确指出大麦秸秆中的黄酮木质素赛克林起主要抑藻作用，同时也有大量研究表明黄酮类化合物是具有较好抑藻效果的化感物质，其中5,4’-二羟基黄酮的抑藻作用较强，具有作为抑藻剂应用于藻化防控的潜力。

在抑藻的实际应用中，将黄酮类化合物作为抑藻剂直接投入水体，容易造成水体局部黄酮浓度过高，干扰非靶向生物正常生长，对水生态系统产生不利影响，并且抑藻持效期短。此外，现实水体中藻类暴发受到诸多环境因素的影响，其中温度是藻类暴发的重要影响因素之一。在夏季水温较高时，蓝藻的光合速率和生长速率显著增加，可以快速繁殖形成水华；在冬季温度较低时，蓝藻则生长缓慢，通常无法形成水华。目前已有的缓释抑藻制剂/微球均只能实现抑藻剂以一定速率在水体中缓慢释放，无法响应由于温度导致蓝藻生长速率的变化而调控抑藻剂的释放速率，使得抑藻剂利用不充分，抑藻持效期降低，同时增加了抑藻剂对水体产生副作用的概率。

针对上述不足，本发明在前期研究基础上，借鉴农药智能缓控释体系，开发温度智能感知抑藻黄酮缓释微球，使其可以感知响应环境温度变化而动态精准调控抑藻剂黄酮类化合物的释放速率，达到提升抑藻剂利用率、延长抑藻持效期、提高抑藻剂生态安全性的目的，有助于实现智能、精准、动态的藻化防控。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种温度智能感知抑藻黄酮缓释微球及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种温度智能感知抑藻黄酮缓释微球，其中有效抑藻物质为5,4’-二羟基黄酮，温控材料选自正十七烷和正十八烷中的一种或两种，包埋材料包括海藻酸钠、壳聚糖和氯化钙。

上述温度智能感知抑藻黄酮缓释微球在环境温度范围为20-30℃内能够精准线性调控抑藻剂5,4’-二羟基黄酮的累积释放量，其中抑藻剂5,4’-二羟基黄酮的累积释放量与温控材料中正十七烷含量呈正向线性关系，公式为：y＝0.11x+33.30，R

上述温度智能感知抑藻黄酮缓释微球的制备方法包括以下步骤：

(1)将海藻酸钠粉末溶于去离子水中得到海藻酸钠的水溶液，将5,4’-二羟基黄酮粉末、温控材料和海藻酸钠的水溶液混合，配置成黄酮-温控材料-海藻酸钠混合溶液，其中5,4’-二羟基黄酮和海藻酸钠的浓度分别为10-15g/L和20-25g/L，温控材料的体积分数为15-25％，所述温控材料选自正十七烷和正十八烷中的一种或两种；

(2)将壳聚糖和无水氯化钙粉末溶解于体积分数为1％的乙酸溶液中，配制成壳聚糖-氯化钙混合溶液，其中壳聚糖和氯化钙的浓度分别为20-30g/L和15-25g/L；

(3)将步骤(1)制备的黄酮-温控材料-海藻酸钠混合溶液逐滴滴入步骤(2)制备的壳聚糖-氯化钙混合溶液中进行固定，边滴入边搅拌，得到成型的微球并过滤收集；

(4)将步骤(3)得到的微球使用去离子水进行冲洗，然后进行冷冻干燥，即可得到温度智能感知抑藻黄酮缓释微球。

进一步地，所述温控材料中正十七烷和正十八烷的体积比分别为0:1,1:3,1:1,3:1,1:0。

进一步地，步骤(1)中，使用电动搅拌器将5,4’-二羟基黄酮粉末、温控材料和海藻酸钠的水溶液充分混合。

进一步地，步骤(3)中，使用注射器将黄酮-温控材料-海藻酸钠混合溶液逐滴滴入壳聚糖-氯化钙混合溶液中进行固定，同时使用磁力搅拌器进行搅拌，转速为500rpm，搅拌30分钟后，将已经成型的微球使用筛网过滤收集。

进一步地，步骤(4)中，将微球使用去离子水进行冲洗，然后置于冷冻干燥机中干燥12小时，得到温度智能感知抑藻黄酮缓释微球。

制备得到的温度智能感知抑藻黄酮缓释微球，可应用于控制或治理湖泊藻类水华的暴发。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明将抑藻剂5,4’-二羟基黄酮和温控材料包裹在海藻酸钠-壳聚糖骨架中，使其可以感知响应环境中温度变化而精准动态调控抑藻剂5,4’-二羟基黄酮的释放速率，提升抑藻剂的有效利用率，避免浪费；延长抑藻持效期，节约人力；提高抑藻剂的生态安全性，降低毒副作用。

2.本发明制备温度智能感知抑藻黄酮缓释微球中的温控材料组分配比发生变化时，抑藻剂5,4’-二羟基黄酮的累积释放量与正十七烷的含量呈正向线性关系。通过更改温控材料配比，可以精准线性调控水体中抑藻剂5,4’-二羟基黄酮的浓度，因此可以根据不同水体的实际控藻需求“量身定制”温度智能感知抑藻黄酮缓释微球，使其对不同水体具有更广的适配性。

3.本发明制备温度智能感知抑藻黄酮缓释微球所使用的抑藻剂5,4’-二羟基黄酮为化感物质，容易降解，无残留风险，不会造成二次污染；温控材料正十七烷和正十八烷对水生生物无明显毒副作用；包埋材料壳聚糖和海藻酸钠为天然多糖，具有较高生态安全性。上述材料使用方便，来源广泛，成本低廉，适于大规模推广。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中的温度智能感知抑藻黄酮缓释微球在15℃、20℃、25℃下5,4’-二羟基黄酮的释放速率；

图2中的(a)为温控材料组分不同的温度智能感知抑藻黄酮缓释微球在20℃至30℃的升温过程中的5,4’-二羟基黄酮的释放速率；(b)为5,4’-二羟基黄酮的累积释放量与温控材料中正十七烷所占百分含量的拟合曲线；

图3中的(a)、(b)和(c)分别为本发明实施例中的温度智能感知抑藻黄酮缓释微球和5,4’-二羟基黄酮溶液在15℃、20℃、25℃的抑藻率。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。

实施例1

通过正交试验优化温度智能感知抑藻黄酮缓释微球的制备工艺参数，以海藻酸钠、壳聚糖、氯化钙、5,4’-二羟基黄酮和正十七烷作为正交试验的五要素，各要素分别设置三个水平，如表1所示。

表1正交试验设计

称取海藻酸钠粉末并将其溶入去离子水中，分别配置为浓度是20g/L、22.5g/L和25g/L的海藻酸钠的水溶液。使用电动搅拌器将5,4’-二羟基黄酮粉末、正十七烷和海藻酸钠的水溶液混合，分别配置成不同浓度的黄酮-正十七烷-海藻酸钠混合溶液，其中5,4’-二羟基黄酮的浓度分别为10g/L、12.5g/L和15g/L，正十七烷的体积分数分别为15％、20％和25％。称取壳聚糖和无水氯化钙，并将其溶解于体积分数为1％的乙酸的去离子水溶液中，分别配制成不同浓度的壳聚糖-氯化钙混合溶液，其中壳聚糖在混合溶液中的浓度分别为20g/L、25g/L和30g/L，氯化钙在混合溶液中的浓度分别为15g/L、20g/L和25g/L。使用注射器将制备的黄酮-正十七烷-海藻酸钠混合溶液逐滴滴入壳聚糖-氯化钙混合溶液中进行固定，同时使用磁力搅拌器进行搅拌，转速为500rpm，搅拌30分钟后，将已经成型的微球使用筛网过滤收集，并使用去离子水进行冲洗，然后将其置于冷冻干燥机中干燥12小时，即可得到温度智能感知抑藻黄酮缓释微球。其中，温度智能感知抑藻黄酮缓释微球的最优制备方案为：浓度20g/L的海藻酸钠、15g/L的氯化钙、25g/L的壳聚糖、15g/L的5,4’-二羟基黄酮溶液和体积分数15％的正十七烷。在最优条件下制备的温度智能感知抑藻黄酮缓释微球的包封率为92.18％。通过常规的藻类抑制实验，发现得到的产品具有显著的抑藻活性。

实施例2

配置适合蓝藻生长的BG11培养基，将实施例1中最优条件下制备的温度智能感知抑藻黄酮缓释微球浸泡在8mL的BG11培养基中，然后将其分别置于15℃、20℃、25℃的恒温培养箱中检测温度智能感知抑藻黄酮缓释微球在不同水温下5,4’-二羟基黄酮的释放速率，监测前10天每天对培养基中的5,4’-二羟基黄酮浓度进行检测；在11-30天内，每5天进行检测；在31-60天内，每10天进行检测，每次取样检测浓度后，补充相同体积的BG11培养基以维持释放环境一致。

实验结果如图1所示，数据表明温度智能感知抑藻黄酮缓释微球在25℃条件下的5,4’-二羟基黄酮释放速率显著高于在15℃和20℃下的释放速率，具有感知环境温度变化动态精准调控抑藻剂5,4’-二羟基黄酮释放速率的特点，使其可以提高5,4’-二羟基黄酮的有效利用率，延长抑藻持效期。

实施例3

将温度智能感知抑藻黄酮缓释微球的温控材料正十七烷，更换为正十七烷与正十八烷体积比分别为0:1,1:3,1:1,3:1,1:0的混合温控材料，按照实施例1中得到的温度智能感知抑藻黄酮缓释微球的最优制备方案，只更改温控材料组成成分，其他步骤不变，制作含有不同温控材料的温度智能感知抑藻黄酮缓释微球。将制作好的温度智能感知抑藻黄酮缓释微球在20℃的条件下在BG11培养基中浸泡5天，以去除温度智能感知抑藻黄酮缓释微球表面的5,4’-二羟基黄酮，保持5,4’-二羟基黄酮的稳定释放。然后，每24小时进行取样，监测样品5,4’-二羟基黄酮的浓度，同时将培养箱温度升高1℃，从20℃升至30℃，实验时间为11天。

实验结果如图2所示，数据表明当温控材料改变时，温度智能感知抑藻黄酮缓释微球的5,4’-二羟基黄酮释放速率在高于温控材料熔点温度时显著增加。并且，5,4’-二羟基黄酮的累积释放量与温控材料中正十七烷含量呈正向线性关系。因此，通过更改温控材料成分，可以有效调节温度智能感知抑藻黄酮缓释微球对温度变化的响应阈值，精准调控水体中5,4’-二羟基黄酮的浓度，可以根据不同水体的实际控藻需求“量身定制”温度智能感知抑藻黄酮缓释微球，对不同水体具有较广的适配性。

实施例4

铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa，FACHB 905)购自中国科学院水生生物研究所，使用BG11培养基进行培养，恒温光照培养箱，培养条件为25±1℃、光照3000lux、光暗比12:12。在100mL锥形瓶中加入50mL的BG11培养基、0.1mL对数生长期的铜绿微囊藻和适量实施例1中的温度智能感知抑藻黄酮缓释微球，使藻初始密度最终为5×10

抑藻率的计算公式：抑藻率％＝(C

其中C

实验结果如图3所示，数据表明与低温相比，直接投加5,4’-二羟基黄酮溶液的抑藻率在温度为25℃条件下显著下降，无法保持长期高效抑藻；而温度智能感知抑藻黄酮缓释微球在不同温度下(15℃、20℃、25℃)均可长期高效抑藻，这是因为温度智能感知抑藻黄酮缓释微球具有温度感知响应释放特性，当温度升高，铜绿微囊藻生长速率增加，温度智能感知抑藻黄酮缓释微球可以增速释放5,4’-二羟基黄酮，使其在温度较高的条件下，仍然可以有效维持抑藻效果。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。