四氧化三铁光热纳米材料除藻方法

1.本发明属于水处理领域，特别是涉及水中蓝藻“水华”的去除技术。


背景技术：

2.蓝藻“水华”现象是一种常见的水质污染现象，多发于光照足、水温高的夏秋季节，不但损害水生态系统功能，降低水资源的利用潜力，还可产生对人及动物有害的次生代谢产物，严重影响人们的生活健康，是目前亟需解决的重大问题之一。淡水中蓝藻"水华"爆发时，大量的蓝藻会聚集、悬浮在水面阻隔阳光及氧气进入水体，导致水体中植物接收不到光照、动物缺氧而大面积死亡，从而影响饮用水源和水产品安全。特别是蓝藻的次生代谢产物
‑‑
微囊藻毒素（microcystin，简称mc）可通过干扰脂肪代谢引起非酒精性脂肪肝，长期慢性mc染毒可导致人们的肝脏损伤，具有促癌效应，严重影响了人们的健康生活。目前，国内外学者在治理或抑制蓝藻“水华”生长方面做过大量研究，探索出了物理、化学、生物治理技术。(1)物理治理技术：物理除藻是目前比较常用的治理手段，一般被用作“水华”爆发的应急控制措施，其机理主要是通过机械打捞、磁场灭杀、电场灭活等手段对蓝藻进行处理。但物理除藻很大程度依赖于外界环境，它运行成本较高，但处理能力却有限，对小型河流、湖泊具有一定的治理能力，但对于大规模湖泊、水库爆发的蓝藻“水华”的实际应用性不强，因此只能作为治理蓝藻“水华”污染的辅助方法。(2)化学治理技术：主要是向水体中投加各种化学药剂使其发生具有改性效果的化学反应从而达到抑藻杀藻的目的，化学法具有操作简单、经济、见效快、效率高等优势，是目前除藻过程中采用最多的一类方法。但是化学试剂不只对蓝藻具有杀灭性能，同时对水中的其他动植物也具有很大的危害，药品残留物也更容易造成环境污染，破坏水体生态平衡，影响人类健康。(3)生物治理技术：是指通过调节生态系统的结构，合理使用高等植物、鱼类和微生物等具有的生物特性来对蓝藻进行生物控制，与物理、化学除藻技术不同，生物除藻是通过生物生态之间的相互作用而得以控制，相对于物理、化学除藻技术，生物除藻技术是3类技术中较为安全、环保的一种技术，但生物除藻耗时较长，在蓝藻“水华”严重的地方除藻效率较差，且如何将除藻生物安全高效地引入含藻水体中，不会对原有的生态系统产生更大的危害是该技术需要考虑的重点问题。考虑到上述限制，需开发一种绿色、环保、健康的除藻方式。
3.磁性光热纳米材料在磁密封、催化领域、生物领域和水处理领域都有着广泛的应用。通过外加磁场的作用可以使吸附着重金属或有机染料的磁性纳米材料从溶液中迅速分离，这种特性使它在水处理领域有非常大的应用价值。在众多磁纳米材料的发展中四氧化三铁纳米材料（fe3o4nps）因其制备工艺简单，易于修饰和生物相容性好的特点，成为研究磁纳米材料的首选。如今基于光热效应进行水质处理已经成为一种成熟的方法。但是对水污染中的蓝藻水华现象的处理，报道较少。因此，开发新型光热纳米材料用于太阳光下水中杀藻具有重要的研究意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是制作一种可回收的fe3o4nps光热材料对藻类进行有效灭杀的fe3o4nps光热纳米材料除藻方法。
5.本发明步骤是：以下步骤是在光热转换装置中进行，s1、利用阳光或模拟太阳光源照射样品池，并用光强测量仪测量光强，调整模拟光源位置，使其符合太阳光照射到水面的光照强度范围60000-100000lux；s2、将培养好的实验藻液与配置好浓度的fe3o4nps流体以间歇或滴加的方式加入样品池中，放入隔热保护层中，调整使其一面充分接受光热；s3、通过热电偶连接样品池与数据采集器，采集不同时间实验样品液体温度；s4、通过收集的数据绘制温度-时间曲线图，并对光照完成后的藻液进行死亡率测试；s5、样品处理后，fe3o4nps使用强磁铁进行回收。
6.本发明光热转换装置包括模拟太阳光源、隔热保护层、数据采集器。
7.本发明所述的fe3o4nps制备方法，fe3o4nps即四氧化三铁光热纳米材料：称取fecl3·
6h2o溶解在乙二醇中，缓慢搅拌使其完全溶解，得到溶液a；称量co(nh2)2，在剧烈搅拌下加入溶液a，得到溶液b；将溶液b加入密封的聚四氟隆内衬高压釜，在烘箱内，200℃下水热处理12小时，将密封高压釜中的溶液自然冷却到室温，用乙醇和去离子水磁分离洗涤后，收集褐黑沉淀，获得平均尺寸100nm的fe3o4nps。
8.本发明fecl3·
6h2o和co(nh2)2的物质的量比为2.5mmol:25mmol,乙二醇用量为30ml。
9.本发明模拟太阳光源采用疝气灯，规格为12v,500w,达到样品池的光照强度约80000-100000lux。
10.本发明盛装纳米水分散液的样品池为玻璃比色皿，尺寸大小为 12.5 mm
×
12.5 mm
×
45 mm，比色皿外包自制的隔热保护层，隔热保护层由墙体隔热板制成，尺寸大小为40 mm
×
40 mm
×
100 mm，以隔绝样品池与外界环境之间的能量交换，样品池纳米材料光热转换时水溶液温度能达到45-53℃。本专利所用比色皿可以放大为能透过阳光的一系列能盛装藻液的样品池。
11.本发明所述的fe3o4nps在藻类去除技术的应用。
12.本发明可以利用太阳光作为光源，以解决现有杀藻技术维护费用高、杀藻不彻底、除藻剂副产物二次污染、能源浪费等问题，通过自搭建的光热转换装置进一步解决光热转换能力和可重复利用性能差等问题。可广泛运用与蓝藻“水华”处理领域。与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)纳米材料制备过程简单，条件温和；(2)纳米材料的呈现平滑的球形，有较为温和的团聚，产品轮廓清晰，结晶度较高；(3)光热转换装置搭建简单快捷；(4)隔热保护层隔绝样品池与外界能量交换，提高光热转换效率。(5)所设计的可回收的fe3o4nps光热材料杀藻技术具有良好的磁回收性能、光热升温能力和优异的光热杀藻特性。
附图说明
13.图1是本发明自搭建光热转换测试装置的简单示意图；图中
①
是太阳光或者模拟
太阳光源；
②
是带有隔热保护层的样品池；
③
是数据采集器；
④
是生成的曲线图；图2是本发明制备的fe3o4nps的扫描电镜图；图3是fe3o4nps材料磁响应性能光学照片；左图为fe3o4nps材料水中分散光学照片，右图为fe3o4nps材料磁性回收光学照片；图4是fe3o4nps材料磁滞回线图；图5是不同浓度fe3o4nps材料水分散液的光热升温曲线；图6是不同光照时间下1mg/ml浓度的fe3o4nps与集胞藻pcc6803光热效应后的存活率；图7是fe3o4nps材料对藻细胞杀伤效果电镜图；图8是光热杀藻后的集胞藻pcc6803，6孔板再接种（3组对照）后的光学图片以未光热处理的集胞藻pcc6803作空白对照，（1）、（2）、（3）分别对应集胞藻pcc6803三组平行实验；图9是本发明对藻细胞（三种藻类：集胞藻pcc6803、弯曲栅藻和小椿藻-sp-ukm1）叶绿素及线粒体功能的影响效果图；图10是本发明对藻细胞（三种藻类：集胞藻pcc6803、弯曲栅藻和小椿藻-sp-ukm1）生长率影响效果图；图11是藻细胞（三种藻类：集胞藻pcc6803、弯曲栅藻和小椿藻-sp-ukm1）光热除藻后6孔板再接种实验；（a）集胞藻pcc6803（b）弯曲栅藻（c）小椿藻-sp-ukm1；图12是fe3o4nps材料三次循环除藻率和回收率曲线图。
具体实施方式
14.本发明用fe3o4nps杀藻的步骤是：以下步骤是在光热转换装置中进行，s1、利用阳光或模拟太阳光源照射样品池，并用光强测量仪测量光强，调整模拟光源位置，使其符合太阳光照射到水面的光照强度范围60000-100000lux；s2、将培养好的实验藻液与配置好浓度的fe3o4nps流体以间歇或流加的方式加入样品池中，放入隔热保护层中，调整使其一面充分接受光热；s3、数据热电偶连接样品池与数据采集器，采集不同时间实验样品液体温度；s4、通过收集的数据绘制温度-时间曲线图，并对光照完成后的藻液进行死亡率测试；s5、样品处理后，fe3o4nps使用强磁铁进行回收。
15.本发明光热转换装置包括模拟太阳光源、隔热保护层、数据采集器。
16.本发明所述的fe3o4nps制备方法，fe3o4nps即四氧化三铁光热纳米材料：称取fecl3·
6h2o溶解在乙二醇中，缓慢搅拌使其完全溶解，得到溶液a；称量co(nh2)2，在剧烈搅拌下加入溶液a，得到溶液b；将溶液b加入密封的聚四氟隆内衬高压釜，在烘箱内，200℃下水热处理12小时，将密封高压釜中的溶液自然冷却到室温，用乙醇和去离子水磁分离洗涤后，收集褐黑沉淀，获得平均尺寸100nm的fe3o4nps。
17.本发明fecl3·
6h2o和co(nh2)2的物质的量比为2.5mmol:25mmol,乙二醇用量为30ml。
18.本发明模拟太阳光源采用氙气灯，规格为12v,500w,达到样品池的光照强度约
80000-100000lux。
19.本发明盛装纳米流体的样品池为玻璃比色皿，尺寸大小为 12.5 mm
×
12.5 mm
×
45 mm，比色皿外包自制的隔热保护层，隔热保护层由墙体隔热板制成，尺寸大小为40 mm
×
40 mm
×
100 mm，以隔绝样品池与外界环境之间的能量交换，样品池纳米材料光热转换时水溶液温度能达到45-53
°
c。
20.本发明所述的fe3o4nps在藻类杀除技术的应用。
21.以下对本发明做进一步详细的说明：本发明制备方法包括以下步骤：将fecl3·
6h2o溶解在乙二醇中，缓慢搅拌使其完全溶解得到溶液a；在剧烈搅拌下，在溶液中加入25mmol的co(nh2)2，将混合物剧烈搅拌30min得到溶液b，加入高温反应釜；使用密封的聚四氟隆内衬高压釜在200℃下水热处理12小时；将密封高压釜中的溶液自然冷却到室温。用乙醇和去离子水磁分离洗涤后，收集褐黑沉淀，获得fe3o4nps。所得到的纳米材料为粒径100-200nm，形貌光滑的球形颗粒。
22.制备溶液a时，所述fecl3·
6h2o溶解在乙二醇用量比为2.5mmol：30ml。
23.制备溶液b时，所述co(nh2)2用量为25 mmol所述fe3o4nps粒径为100-200nm。
24.所述fe3o4nps子水分散液的制备方法为：去离子水作为基液分别配制1mg/mlfe3o4nps水分散液，然后通过向纳米水溶液中加入不同量的去离子水搅拌超声至完全分散，即可得到不同浓度纳米水溶液。
25.可回收fe3o4nps在水质杀藻领域的应用自搭建光热转换测试装置用于光热杀藻藻的方法，装置由模拟光源、隔热保护层、数据采集器组成，其按以下步骤依次进行；模拟太阳光源为疝气灯（12v 500w)，光照强度约为80000-100000lux；盛装纳米水溶液的样品池为玻璃比色皿，尺寸大小为12.5 mm
ꢀ×ꢀ
12.5 mm
ꢀ×ꢀ
45 mm，透光度大于99%。
26.比色皿外包有绝热保护层，除受光面外，隔绝样品池与外界环境之间的能量交换。
27.用热电偶将样品池与数据采集器连接起来，用来采集时间和温度数据，然后就能得到温度与时间的函数关系曲线。
28.在一个典型的过程中，将fecl3·
6h2o(2.5mmol)溶解在乙二醇(30.0ml)中，完全溶解。在剧烈搅拌下，在溶液中加入co(nh2)2(25mmol)。将混合物剧烈搅拌30min后，使用密封的聚四氟隆内衬高压釜在200℃下水热处理12 h。之后，将密封高压釜中的溶液自然冷却到室温。用乙醇和去离子水磁分离洗涤后，收集褐黑沉淀，获得fe3o4nps材料，备用。
29.称取10 mg的fe3o4nps材料，添加不同量的去离子水作为基液，超声处理10min,分别配制0.25mg/ml、0.5mg/ml和1mg/ml的fe3o4纳米粒子水分散液。fe3o4纳米粒子水分散液配置：（1）称取10 mg的fe3o4nps材料，加入盛有10 ml去离子水的50 ml的烧杯中，玻璃棒搅拌30 s后，放入超声波清洗机中进行超声处理15 min，超声处理时，每隔3 min 玻璃棒搅拌30 s，最后得到1.0 mg/ml fe3o4nps材料。
30.（2）吸取1.0 mg/ml fe3o4nps材料10 ml入盛有10 ml去离子水的50 ml的烧杯中玻璃棒搅拌30 s后，放入超声波清洗机中进行超声处理15 min，超声处理时，每隔3 min 玻璃棒搅拌30 s，最后得到0.5 mg/ml fe3o4nps材料。
31.（3）吸取0.5 mg/ml fe3o4nps材料10 ml入盛有10 ml去离子水的50 ml的烧杯中玻璃棒搅拌30 s后，放入超声波清洗机中进行超声处理15 min，超声处理时，每隔3 min 玻璃棒搅拌30 s，最后得到0.25 mg/ml fe3o4nps材料。
32.实验藻的生长曲线测定：按 6 %接种量，将微藻种子液加入到植物细胞反应器中，连续18天，每天同一时间点采集培养液，进行吸光值的测定，检测波长为 680 nm，根据每天测得的吸光值绘制微藻的生长曲线。
33.图1给出了自搭建光热转换测试装置的简单示意图。实验所用光源为模拟太阳光(氙气灯），光照强度约为80000-100000lux；盛装纳米流体的样品池为玻璃比色皿，尺寸大小为 12.5 mm
ꢀ×ꢀ
12.5 mm
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45 mm，比色皿外包有绝热保护层，以隔绝样品池与外界环境之间的能量交换。用热电偶将样品池与数据采集器连接起来，用来采集时间和温度数据，然后就能得到温度与时间的函数关系曲线。
34.图2为本发明制备的fe3o4nps的扫描电镜图，纳米材料呈平滑的球形，有较为温和的团聚，产品轮廓清晰，结晶度较高，存在大小不一的球体，平均粒径约为150nm。
35.图3为fe3o4nps材料磁响应性能的光学照片；配置浓度为1.0 mg/ml的fe3o4nps水分散液10 ml，吸取4ml入玻璃比色皿，外加强磁铁进行收集。左图为fe3o4nps材料水中分散性能图，可以看出四氧化三铁水分散液十分均匀，证明在水中具有良好的分散性；右图为fe3o4nps材料磁性回收性能图，可以看出粒子迅速聚集到磁铁一侧，证明fe3o4nps材料具有优异的可回收性和可重复利用性。
36.图4为四氧化三铁光热纳米材料磁滞回线图，在磁化的过程中，随着外加磁场强度的增大，fe3o4nps材料的磁化强度(m)也随之增大，但最终趋于饱和；这表明fe3o4nps颗粒具有典型的超顺磁性行为，饱和磁化值为31.3686emu/g，达到用磁铁收集的磁强度，具有良好的磁性。
37.图5为不同浓度fe3o4nps材料水分散液的光热升温曲线，配置不同浓度的fe3o4nps水溶液(0、0.25、0.5和1.0mg/ml)取2ml置于比色皿中，光照60min，用热电偶检测这一系列不同浓度的分散液在这期间的升温情况。照射60min后，温度升高遵循碾米剂量和辐照时间依赖的方式。当浓度在0.25、0.5、0.5和1.0mg/ml之间变化时，温度升高越来越明显，温度从21℃增加到47℃；照射时间越长温度升温越高，1.0mg/ml的fe3o4nps在60min照射后温度从21℃增加到55℃。原因可能为纳米材料尺寸小，比表面积大，在水溶液中分散的时间长，能长时间的进行光热效应，具有很高的反应活性，将吸收的近红外区域的光转化成热能，对局部区域进行加热产生热效应，从而杀死藻细胞。
38.图6.是经过对纳米光热实验后得到的集胞藻pcc6803存活率，可以看出实验组光照60min后，藻细胞存活率13%，对照组（未加纳米材料）保持99%以上的细胞活性。表明fe3o4nps纳米材料具有优异的光热除藻效果。
39.图7可以看出原藻细胞（图7a）中的藻细胞形状饱满、匀称、呈圆形，藻细胞粒径在2~3 μm之间，图7b中显示出大量的fe3o4nps聚集在藻细胞的表面，形成了一个非常密集的藻絮体，藻细胞的部分结构在一定程度上被破坏，藻细胞的轮廓和表面从紧凑、规则、光滑的
发生了显著变化，但是整体结构并没有解体。同时进一步也验证了部分fe3o4nps可能是通过局部产生的高温破坏藻细胞结构完整性，从而导致藻细胞死亡。
40.图8为光热杀藻后经过再接种得到集胞藻pcc6803存活情况的光学图片，可以看出实验组光热除藻后，藻细胞存活率几乎为0 %，表明fe3o4nps具有优异的光热除藻效果。
41.fe3o4nps对外环境藻液的光热除藻效果光热转换装置装置由模拟光源、隔热保护层、数据采集器组成，如图1所示。实验所用光源为氙气灯，光照强度约为100000lux；盛装纳米流体的样品池为玻璃比色皿，尺寸大小为 12.5 mm
ꢀ×ꢀ
12.5 mm
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45 mm，比色皿外包有绝热保护层，以隔绝样品池与外界环境之间的能量交换。
42.实验步骤如下：（1）将培养好的实验藻液与配置好的不同浓度fe3o4纳米水分散液加入样品池中，放入隔热保护层中，调整使其一面充分能充分接受光热；设置三个对照组；（2）用热电偶将样品池与数据采集器连接起来，用来采集时间和温度数据，然后就能得到温度与时间的函数关系曲线；（3）将2ml 1.0mg/ml浓度fe3o4nps材料水分散液与2ml集胞藻pcc6803加入玻璃比色皿，放入光热转换装置，光照60min，标为实验组；无纳米材料的比色皿为对照组；（4）将2ml 1.0mg/ml浓度fe3o4nps材料水分散液与2ml小椿藻-sp-ukm1加入玻璃比色皿，放入光热转换装置，光照60min，标为实验组；无纳米材料的比色皿为对照组；（5）将2ml 1.0mg/ml浓度fe3o4nps材料水分散液与2ml弯曲栅藻加入玻璃比色皿，放入光热转换装置，光照60min，标为实验组；无纳米材料的比色皿为对照组；（6）实验开始时，连接电源，调整模拟光源位置，使光照能充分达到样品池受光面，并用光强测量仪测量到达样品池表明光强，使其达到太阳光到达地面的光照强度60000-100000lux。
43.光热除藻实验藻细胞存活率检测为了更准确的分析光热fe3o4nps除藻效果及其实际运用。作者选择集胞藻pcc6803以及外环境混和藻（小椿藻-sp-ukm1、弯曲栅藻）作为实验藻种。并对光热除藻实验后对藻细胞叶绿素及线粒体功能影响进行研究。通过叶绿素荧光、叶绿素提取、mtt实验以及在接种实验来综合反应藻细胞的存活率。
44.3.1荧光显微镜观察藻细胞叶绿素荧光在设置好的不同的实验时间（0、30、45、60 min）段吸取藻液10
µ
l，滴加到载玻片上，并添加盖玻片，放置在预热好的荧光显微镜置物台上进行观察。荧光显微镜采用紫外激发光，存在叶绿素荧光的藻细胞在荧光照射下会反射红色荧光；反之，反射淡蓝色荧光。
45.3.2叶绿素提取实验反应藻细胞存活率通过对实验后的藻细胞进行叶绿素提取，处理光热实验后的藻细胞，对荧光显微镜检测藻细胞进行补充说明。
46.实验方法如下：在不同的时间段（0、30、45、60 min）吸取实验后的藻液2 ml进行高速离心（转速：10000rpm，时间：5min），去掉上清液，添加2 ml，95%的乙醇摇匀重悬，4℃恒温冰箱保存24 h后再次离心（转速：12000rpm，时间：5min），取上清使用酶标仪在649 nm和665 nm处测吸光
度，根据公式（3-1）测量叶绿素含量：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3-1）式中 c—叶绿素含量，mg/la649nm—叶绿素在649 nm处的吸光度a665nm—叶绿素在665 nm处的吸光度整理数据，绘制叶绿素含量柱状图，间接反应藻细胞存活率。
47.3.3 mtt实验反应藻细胞存活率mtt实验，其检测原理为活细胞线粒体中的琥珀酸脱氢酶(sdh)能使外源性mtt还原为水不溶性的蓝紫色结晶甲瓒并沉积在细胞中，而死细胞无此功能。
48.光照实验结束后，进行mtt实验，取出1.0 ml样品放入1.5 ml离心管，3组平行实验；每一个离心管加入50
ꢀµ
l mtt染液，避光放置4h；10000rpm离心10min后；取沉淀物使用150
µ
l dmso重悬，摇床上低速震荡10min；重悬后吸取样液入96孔板；使用酶标仪测试490nm处吸光度。该实验能反应藻细胞存活情况。整理数据，绘制sdh酶含量柱状图间接反应藻细胞存活率。
49.3.3再接种反应藻细胞存活率再接种实验为了证明光热杀藻实验后的藻液能否在现实环境中继续生长繁殖。光热处理后的藻液，通过磁铁收集样品池里的磁性纳米材料，将剩余样液，按照藻细胞接种流程再次接种于bg11培养基中，为了便于观察，本部分实验使用6孔板接种。6孔板中培养基：藻液(光照后)=15ml：1ml, 然后放置于培养箱中进行培养，培养条件是：
①
温度为25℃；
②
光照为白色日光灯2000 lux；
③
光暗时间比为12h：12h。白天每4个小时摇动一次,每24h通过酶标仪测其在680nm的吸光度，从而反应细胞的生长情况，持续18天。
50.3.4纳米材料循环利用及回收率研究将光热杀藻实验后的纳米材料通过磁铁收集，置于盛有50 ml去离子水的烧杯中，超声10 min使其分散在水中，磁铁吸引分离，去除上清液，放置于60℃的真空干燥箱中干燥8h。即可得到回收后的除藻材料，回收的纳米材料进行回收率计算，然后利用回收后的纳米材料再次进行上述除藻实验，并计算除藻率，循环三次，进而研究杀藻纳米材料的循环利用及回收率。
51.实验结果4.1 纳米水分散液升温情况如图5所示，纳米材料升温遵循光照实时间与纳米浓度的影响。浓度越大，升温越快，温度越高；光照时间越长，升温越高。1mg/ml的fe3o4纳米水分散体在60 min后可达到50℃以上的高温，足以杀死藻细胞。
52.4.1.2藻细胞存活率经过60min的光热实验结果如图9所示，三种藻细胞的叶绿素、线粒体中的sdh酶活80%以上被严重破坏，而藻类失去了叶绿素将不能进行光合作用；线粒体失去功能将不能进行细胞内能量反应。藻细胞在接种后的实验结果如图10、图11所示，被纳米材料处理的三种藻细胞不再生长繁殖，对照组正常生长繁殖证明纳米材料对藻细胞生长抑制达到了100%。并且也证明了光热纳米材料不仅对藻细胞叶绿素、线粒体有影响，对藻细胞外结构或细胞内结构造成破坏从而影响了藻细胞的生长繁殖。
53.4.1.4循环回收率如图3所示，fe3o4纳米水分散体具有优秀的磁响应性能，在20s内就足以被磁铁收集。如图12是基于纳米材料优秀的磁回收性能，进行的三次循环实验结果。结果显示，纳米材料通过三次回收实验后任然具有80%以上回收率，并且三次回收后任然具有78.6%以上的除藻率。
54.结论实验证明fe3o4纳米材料在光照的影响下能对藻细胞的存活率及生长繁殖造成影响。在60min的光照后1mg/ml的fe3o4纳米水分散体，能100%的抑制除藻，且藻细胞在接种不再生长繁殖，而无纳米材料的对照组，藻细胞正常生长繁殖。