全 文 ：硅藻重金属污染生态学研究进展*
丁腾达1,2 摇 倪婉敏1,2 摇 张建英1,2**
( 1浙江大学环境科学研究所, 杭州 310058; 2浙江省有机污染过程与控制重点实验室, 杭州 310058)
摘摇 要摇 硅藻是水生生态系统健康的指示生物之一,对环境变化极为敏感,某些典型硅藻已
应用于指示水体重金属污染.本文围绕地表水重金属污染,从毒性效应、生物吸附和累积、生
态适应机制及生物指示与生态修复作用等方面,综述了硅藻重金属污染生态学研究进展,阐
述重金属污染下硅藻的生长趋势和硅壳形态的变化,硅藻对重金属生物吸附和生物累积的差
别,硅藻对重金属的表面络合和离子交换等生态适应机制,以及硅藻对水体重金属污染的指
示作用和生态修复作用,为水生生态系统的重金属污染防治与预警技术提供科学依据.
关键词摇 硅藻摇 重金属摇 毒性效应摇 生物累积摇 污染生态学
文章编号摇 1001-9332(2012)03-0857-10摇 中图分类号摇 X171. 5摇 文献标识码摇 A
Research advances in heavy metals pollution ecology of diatom. DING Teng鄄da1,2, NI Wan鄄
min1,2, ZHANG Jian鄄ying1,2 ( 1 Institute of Environmental Science, Zhejiang University, Hangzhou
310058, China; 2Zhejiang Province Key Laboratory of Organic Pollution Process and Control, Han鄄
gzhou 310058, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(3): 857-866.
Abstract: Diatom, due to its high sensitivity to environmental change, is one of the bio鄄indicators
of aquatic ecosystem health, and some typical diatom species have been applied to indicate the
heavy metals pollution of water body. With the focus on the surface water heavy metals pollution,
this paper reviewed the research advances in the toxic effect of heavy metals pollution on diatom,
biosorption and bioaccumulation of heavy metals by diatom, ecological adaptation mechanisms of di鄄
atom to heavy metals pollution, and roles of diatom as bio鄄indicator and in ecological restoration of
heavy metals pollution. The growth tendency of diatom and the morphological change of frustule un鄄
der heavy metals pollution as well as the differences in heavy metals biosorption and bioaccumula鄄
tion by diatom, the ecological adaptation mechanisms of diatom on heavy metals surface complex鄄
ation and ion exchange, and the roles of diatom as bio鄄indicator and in ecological restoration of
heavy metals polluted water body were also discussed. This review could provide scientific evi鄄
dences for the prevention of aquatic ecosystems heavy metals pollution and related early warning
techniques.
Key words: diatom; heavy metal; toxic effect; bioaccumulation; pollution ecology.
*国家自然科学基金项目(21177106)、浙江省自然科学基金项目
(Y50527)、浙江省科技厅项目(2007C23040)和杭州市环保局项目
(2009007)资助 郾
**通讯作者. E鄄mail: zjy@ zju. edu. cn
2011鄄05鄄09 收稿,2011鄄12鄄06 接受.
摇 摇 重金属污染是世界各国普遍关注的问题之一,
其进入水体后会危害水体生态系统的安全. Islam和
Tanaka[1]综述了重金属进入水体的各种来源以及对
生态系统和水生生物的危害,引起众多学者对水体
重金属污染的重视.我国首个“十二五冶规划中就提
出水体重金属污染防治的问题[2],凸显了当前我国
水体重金属污染问题的严重性及治理的紧迫性. 由
于水体重金属污染会威胁水生生物的健康安全,有
必要建立水体重金属污染的防治和预警系统,防止
水生生态系统的破坏.
硅藻是水体中重要的初级生产者.因其生命周
期短而比高等水生生物更能快速地响应环境变
化[3];其能与细菌之间进行双向基因转移,产生基
因的非正规组合,在营养管理和环境信号作用中扮
演着重要的角色[4];其纳米结构及承受 106 Pa 左右
压力的性能[5],而被广泛应用于仿生学中. 有关硅
藻的研究也由原来简单的形态描述和分类发展到现
在以硅壳、单个硅藻细胞、硅藻种群和类群等不同尺
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 3 月摇 第 23 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2012,23(3): 857-866
度对象的分子学研究,诸如从种类分布与细胞膜损
害角度研究水体重金属污染的敏感性[6-7],以及从
分子水平上探讨硅藻细胞膜形成过程及其对化学污
染物胁迫的响应等[8-9] .
鉴于硅藻与水体重金属污染之间的相互关系,
本文分别从重金属污染对硅藻的生态毒性效应、硅
藻对重金属污染的生物吸附和生物累积、硅藻对重
金属污染的生态适应机制及硅藻对重金属污染的指
示作用和生态修复作用等四个方面,综述硅藻重金
属污染生态学研究进展,提出着力解决我国水体重
金属污染的硅藻生态学研究观点.
1摇 重金属对硅藻的生态毒理效应
1郾 1摇 重金属污染对硅藻生长的影响
硅藻的生长会受到重金属污染的影响,其中镉、
铅、铜、汞等能在藻细胞内大量富集而干扰细胞代谢
过程,最终影响藻类的生长和繁殖[10] . 目前重金属
污染对藻类生长的影响主要集中于蓝绿藻[11-15],但
其对硅藻的毒性研究也开始逐渐受到关注[16],主要
是从硅藻的生长速率、细胞分化速率以及胞内植物
螯合肽等 3 个方面进行探讨(表 1).研究发现,葡萄
牙废弃采矿区附近水体中铅、镉和锌的含量很高
(其平均值分别超过背景值 376、96 和 19 倍),此
时,硅藻几乎不生存,直到距离采矿区 2 km 的水体
下游,水质逐渐恢复,才慢慢出现硅藻[3],表明一定
浓度的重金属对硅藻的生存有毒性作用.
硅藻的生长状况与水体的重金属浓度有关,尤
其是镉浓度的高低不仅影响硅藻的生长速率,还会
对藻细胞内光合作用系统及遗传物质产生影响. 高
浓度镉 (8郾 4伊10-8 mol·L-1) 处理下,硅藻生长速
率 1 d 后即显著下降[17],而谷皮菱形藻(Nitzschia
palea)对镉很敏感(IC50为 2郾 5伊10-7 mol·L-1),其生
长速率会随着水体中镉浓度(0郾 89伊10-7 ~ 8郾 9伊10-7
mol·L-1)的增大而下降[18] . 随着水体中镉浓度的
增高(>2郾 2伊10-4 mol·L-1),硅藻体内遗传物质发
生变化,三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)细
胞内 ATP含量显著下降,影响细胞光合作用的正常
进行[19] .然而,镉达到一定浓度时,就会对藻类产生
遗传毒性.镉浓度为 8郾 9伊10-5mol·L-1时,结合碱性
彗星法分析发现,65%角毛藻(Chaetoceros tenuissi鄄
mus)细胞 DNA受到损伤,8 d 后结合显微镜技术观
察发现高于 50%的细胞发生凋亡[20] . 但低浓度镉
对硅藻的生长速率影响不大,相反可能会促进其生
长. Wang 等[17] 研究表明,低浓度镉 ( 1郾 3 伊 10-8
mol·L-1)污染对海洋硅藻 ( Thalassiosira norden鄄
skioeldii)生长速率没有任何影响,且在 12 d 后可能
还会轻微地促进生长.
硅藻细胞分化速率是重金属污染硅藻细胞中首
先被影响且最敏感的参数[21] .影响硅藻细胞分化速
率的重金属主要有汞、铅、铜等,因此分析细胞分化
速率成为检验硅藻细胞受重金属污染程度的重要指
标之一. 研究表明,中肋骨条藻( Skeletonema costa鄄
tum)的细胞分化速率随着汞浓度(2郾 5 伊10-8 ~ 5 伊
10-8 mol·L-1)增高而快速降低,但在 48 h 内细胞
生长速率将会上升. 铜 (0郾 78 伊 10-6 ~ 3郾 1 伊 10-6
mol·L-1)对细胞分化速率的影响则随其浓度变化
而改变,低浓度铜(0郾 78伊10-6mol·L-1)在暴露 72 h
内能够明显降低细胞分化速率,而高浓度铜(3郾 1 伊
10-6 mol·L-1)在暴露 48 h 内反而能够提高细胞分
化速率[22] .铅也会抑制硅藻的细胞分化速率,当其
达到一定浓度(4郾 8伊10-7 mol·L-1)时,中肋骨条藻
的细胞分化速率几近为 0[20] .
重金属污染也会导致硅藻细胞内产生植物螯合
肽(PCs)等硫醇类物质,PCs的生物合成在硅藻的耐
金属毒性过程中起着重要的作用[23] . Morelli和 Fan鄄
tozzi[24]研究了重金属浓度与三角褐指藻细胞内植
物螯合肽之间的关系,发现随着培养基中重金属离
子浓度的升高,胞内植物螯合肽浓度也会相应增加,
表 1摇 重金属对硅藻的毒性效应
Table 1摇 Toxic effect of heavy metals on diatom
重金属
Heavy metal
硅藻
Diatom
浓度
Concentration
(mol·L-1)
毒害效应
Toxic effect
文献
Reference
Cd 谷皮菱形藻
Nitzschia palea
0郾 89 ~ 8郾 9伊10-7 生长速率随其浓度增大而下降, IC50 为 2郾 5 伊 10-7
mol·L-1
[16]
Cd 三角褐指藻
Phaeodactylum tricornutum
> 2郾 2 伊10-4 浓度增大导致细胞内 ATP含量下降,影响光合作用 [18]
Pb 中肋骨条藻
Skeletonema costatum
4郾 8伊10-7 细胞分化速率几近为 0 [19]
Cu、Hg 中肋骨条藻
Skeletonema costatum
Cu: 0郾 78 ~ 3郾 1伊10-6
Hg: 2郾 5 ~ 5伊10-8
汞浓度增高会降低细胞分化速率,而铜浓度与细胞分
化速率变化不呈正比关系
[22]
858 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
表明金属暴露浓度与植物螯合肽合成之间具有线性
的剂量效应关系.但三角褐指藻胞内巯基含量也会
随着细胞内金属浓度的上升而线性增加,表明植物
螯合肽的合成可能由进入细胞内的金属离子浓度控
制[25] .进一步研究表明,PCs富含大量巯基[26],能通
过与重金属形成复合物,从而减弱重金属对硅藻的
毒性效应[27] .因而,重金属污染下硅藻细胞内植物
螯合肽可能会升高而减弱其对细胞的毒性. 随着环
境中镉离子浓度的升高,海洋硅藻细胞内 PCs 也会
相应提高[28] .汞与海链硅藻胞内 PCs之间也有显著
的剂量效应关系[29] .但硅藻细胞内其他的非蛋白硫
醇类物质(如谷胱甘肽等)也能对重金属毒性起到
耐性作用,并且不同硅藻种类还会导致金属污染下
胞内蛋白硫醇类物质的分布不同. 三角褐指藻胞内
原本含有大量的谷胱甘肽,但在重金属的暴露下将
会导致 40%的谷胱甘肽损失,合成大量的植物螯合
肽,而布氏双尾藻(Ditylum brightwellii)细胞内非蛋
白硫醇类物质含量的变化却明显不同,Cu 胁迫会导
致其细胞内谷胱甘肽含量显著上升,相反仅产生少
量的植物螯合肽[30] .
1郾 2摇 重金属污染对硅藻形态的影响
重金属污染不仅抑制藻类的生长速率,而且会
使其形态发生畸变,因而硅藻种群或群落中畸形细
胞的数量可以作为检测水体重金属污染程度的定量
指标[31] .铜、镉和锌是导致藻细胞畸形最有效的痕
量元素,其对硅藻形态的影响已有很多研究报道.铜
会导致柔弱菱形藻(Nitzschia delicatissima)细胞含有
双生瓣[32],镉(8郾 9伊10-7 mol·L-1)会导致微小异极
藻 ( Gomphonema parvulum)和谷皮菱形藻等瓣畸
形[33],还能引起硅藻细胞的异常聚集. 重金属共存
条件下对硅藻细胞形态也有损伤,结合显微镜技术
观察发现,汞(3郾 2 伊 10-8 mol·L-1 )、镉(4郾 4 伊 10-7
mol·L-1)和锌(4郾 1伊10-6 mol·L-1)共存条件下,中
肋骨条藻的细胞器及细胞膜等都发生膨胀,进一步
研究表明,质膜的损伤主要是由于汞、锌的毒性效
应,镉对细胞膜的损伤作用较小[34] . 镉对硅藻形态
的影响也会因硅藻种类不同而有所差别,绒毛平板
藻(Tabellaria flocculosa)一般呈锯齿形链状结构,镉
暴露浓度为 8郾 9伊10-9 mol·L-1时虽然不会影响其生
长,但能将其锯齿形链状结构变为直链结构,从而改
变硅藻形态而影响硅藻生长[35] .
硅藻细胞的形态损伤程度还与重金属浓度有
关,随着重金属浓度上升,硅藻细胞损伤程度也越
大.研究表明,镉浓度低于 1郾 8伊10-6 mol·L-1时,细
胞内没有很显著的损伤,反之,细胞质和叶绿体将有
严重的空泡形成. 而低浓度铜 ( 0 ~ 3郾 9 伊 10-7
mol·L-1)污染也不会引起细胞器的显著变化,随着
铜(>7郾 8伊10-7 mol·L-1 )浓度的增大,90%的细胞
将受到严重的损坏[36] .为了进一步弄清重金属暴露
对硅藻细胞结构的损伤程度,许多学者开始关注重
金属污染下硅藻细胞内部精细结构的变化. 研究表
明,镉(2郾 2伊10-4 mol·L-1)能够引起三角褐指藻细
胞内超微结构的变化,结合透射电子显微镜(TEM)
观察,硅藻细胞表面出现类螺旋结构,类囊体的表面
积也逐渐增大,藻细胞内原本含有大量的脂质内含
物也逐渐消失,同时液泡变大,出现了大量的电子致
密颗粒物[19] . 然而在水体营养元素(磷)限制条件
下,重金属对硅藻形态的影响则有所不同,主要可能
是由于氮磷等营养元素影响了水体中硅藻的组
成[37] .铅也能使小环藻(Cyclotella sp郾 )细胞形态发
生变化,使其叶绿体相对体积减小,但加入 P 或
SiO2后,将会抑制叶绿体相对体积的缩小. 同时磷、
硅和铅的共存对液泡的相对体积也有重要影响,暴
露 2 h内藻细胞液泡体积会发生膨胀,但 48 h 内液
泡将会重新回到其原始体积[38],表明营养元素浓度
的增加可能会抑制由于重金属污染造成的藻细胞形
态微变化.
2摇 硅藻对重金属的生物吸附和生物累积作用
生物吸附和生物累积在物质的自然循环中起着
重要的作用.虽然都涉及有毒金属或有机污染物的
浓度以及与生物之间的相互作用,但生物吸附主要
关注于非生命物质,生物累积则集中于有生命的物
质[39] .近年来,由于藻类具有高吸附速率以及容易
在海洋中大量获取等优点,而被作为新型吸附材料
受到广泛关注[40],使有关其对重金属的生物吸附和
生物累积过程的研究成为当前的热点之一.
2郾 1摇 硅藻对重金属的生物吸附过程
自 20 世纪 50 年代生物吸附被提出以后,采用
生物吸附法去除环境中的污染物逐渐被大量研
究[41] .相对于传统的吸附方法,生物吸附法具有净
化废水中污染物的良好性能. 目前利用藻类吸附污
染物的研究仍然很少,尤其是重金属[42],但近年来
随着藻类生物吸附法的逐渐成熟,该方面的研究也
逐渐受到关注,其中主要是利用预处理的藻类吸附
单一金属,仅有少量是研究藻类吸附多金属系
统[40] .
硅藻细胞壁对金属阳离子的高亲和力,对金属
9583 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 丁腾达等: 硅藻重金属污染生态学研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
在水生生态系统中的形态和分布起到关键的作
用[43],而且其独特的纳米结构硅壳对表面水体许多
必需及有毒微量元素的分布和转运起到重要的作
用,这引起了众多学者致力于硅藻吸附和吸收水体
中重金属的研究[44] . Guo 等[45]研究了海洋硅藻吸
收铜的动力学方程,丰富了硅藻吸附铜的生物吸附
理论,表明硅藻吸附去除水体中重金属的可行性.硅
藻还能够自释放有机配体在其表面,保护硅藻的正
常生长,同时也可以吸附水体中污染物等. Gonz觃lez鄄
D觃vila等[46]利用微分脉冲阳极溶出伏安法研究了
两种海洋硅藻海链藻(Thalassiosira weissflogii)和三
角褐指藻及其自释放的有机配体与 Cu 之间物理化
学相互作用,结果表明,硅藻释放有机配体会随着其
种类不同而不同,从而导致硅藻对 Cu 的吸收有所
差别,其释放有机配体越多,细胞表面与重金属结合
的官能团浓度越高,从而也表现出更高的吸附效能.
为了确定硅藻细胞表面结合重金属的官能团,结合
X射线吸收光谱定量表明硅藻吸附锌的主要官能团
是 R鄄COO-配位体,这是由于锌在硅藻表面能通过
与氧形成四面体结构而稳定 (间距 2郾 00 依 0郾 02
魡) [47] .目前关于藻类吸附中重金属过程一般都是
利用简单的动力学方程(Langmuir 或 Freundlich)表
示,随着吸附研究的深入,这些方程已难以阐述污染
物分子在生物界面上的污染化学行为[48] . 因此,
Sverjensky等[49]在前人的基础上提出了三层扩展模
型(ETLM),能更好地预测砷在硅藻表面的吸附行
为,从而为硅藻吸附重金属的过程提供技术支持,也
为后续更好地揭示重金属在硅藻表面的化学行为提
供了依据.
2郾 2摇 硅藻对重金属的生物累积过程
藻类不仅具有很高的吸附效率,而且生长中的
藻细胞对水体中的重金属也有很好的去除效率[50] .
刚毛藻(Cladophora sp. )和螺旋藻(Spirulina sp. )都
对重金属具有很高的吸收容量,刚毛藻对铜、镍、铬
的吸收容量能分别达到 819、504、347 mg·g-1,而螺
旋藻对镍的吸收容量则能达到 1108 mg·g-1 [51] .而
利用活藻细胞吸收去除水体中重金属,必然会涉及
藻类对重金属的生物累积过程. 藻类对重金属具有
很高的生物累积能力. Vymazal[52]综述了藻类对镉
的生物累积过程,表明藻类能大量吸收镉和其他重
金属,且细胞内部重金属浓度高于外界环境.
硅藻对重金属的生物累积作用研究表明,其累
积能力与水体酸碱性有关.在酸性和中性 pH 下,硅
藻细胞及其硅壳都能较快地(0郾 5 ~ 24 h)累积重金
属[53] .硅藻累积重金属的能力还与重金属浓度有
关,其累积总量随着重金属浓度的增加而上升,但其
单位吸附量逐渐下降. 梁君荣等[54]研究也表明,新
月筒柱藻(Cylindrotheca closterium)处在低 Zn2+浓度
(1郾 5伊10-5mol·L-1)时,藻细胞胞内吸收 Zn2+大于
胞外吸附的 Zn2+,而在高浓度(0郾 64 mol·L-1)下,
胞外吸附的 Zn2+ 较胞内吸收的大. 铜在海链藻
(Thalassiosira weissflogii)中的累积浓度随着水体中
铜浓度(7郾 94伊10-11 ~ 2郾 51伊10-6 mol·L-1)的增加
而上升,但通过分析亚细胞结构中铜的分布发现,更
多的铜离子停留在细胞表面[55],从而也印证了硅藻
富集重金属的能力随着重金属浓度的增加反而降
低.为了进一步弄清硅藻累积重金属能力与重金属
浓度的关系,Duong等[56]研究了硅藻与镉浓度之间
的相关性,硅藻种类不同,对镉浓度的耐性机制也会
有所差别. 假微型海链藻(Thalassiosira pseudonana)
胞内和细胞器内累积的镉含量都很高,而其胞内镉
浓度与 PC鄄SH的比例却很低,这说明了假微型海链
藻胞内 PC鄄Cd容量很低,从而解释了硅藻对重金属
的耐受程度[57] .硅藻对重金属的生物累积能力还与
水体中溶解性有机碳(DOC)及形成生物膜的成熟
性等有关,随着 DOC 浓度的增大,梅尼小环藻(Cy鄄
clotella meneghiniana)对汞的富集能力逐渐减小,但
对甲基汞的富集能力逐渐增大,并且分别有 59% ~
64%的甲基汞和 9% ~ 16%的汞能进入细胞质[58] .
而硅藻形成的生物膜也会对镉有累积现象,且与时
间相关,成熟生物膜会限制硅藻对镉的累积,从而保
护硅藻群落免受重金属的毒性效应[59] .
3摇 硅藻对重金属污染的生态适应机制
硅藻对重金属污染的生态适应性是硅藻和重金
属长期相互作用的结果. 硅藻对不同程度的重金属
污染具有一定的适应性,即表现为耐重金属毒性能
力.细胞壁结构信息在吸附机制的探讨中占有重要
的地位[60],它是阻止污染物进入细胞内的天然屏
障,其组成在重金属螯合过程中起着主要作用[61] .
藻类对重金属污染的作用方式主要是通过胞内生物
大分子活性基团与重金属离子相结合等生物作用,
以及细胞壁上活性基团与重金属离子发生定量化合
反应等吸附作用来保护自身的正常生长,其耐性机
制主要包括表面络合、离子交换、静电吸附作用
等[62-63] .
3郾 1摇 表面络合机制
金属阳离子会与细胞内蛋白质、多糖和脂类中
068 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
带有负电的官能团(如氨基、羧基、酰胺基、硫醇等)
发生络合或螯合反应,形成络合物.而藻细胞内存在
的有机配体在一定程度上对其耐受重金属毒性能力
大小起着关键作用[64] . 研究表明,重金属污染下藻
类细胞内会大量形成植物螯合肽[一般结构为(酌鄄
Glu鄄Cys) n鄄Gly],它与重金属形成络合物 ( metal鄄
PCn),以保护藻类免受重金属的毒性作用[27] .不同
藻类对重金属胁迫的去毒机制有所差别,但总体上
基本都是重金属螯合成颗粒状化合物以及硫醇类多
肽的合成[65] .硅藻对重金属的生态适应机制则主要
是通过表面官能团络合反应以及释放的有机配体化
合物吸附重金属[47] . Yang 和 Wang[66]研究表明,胞
内结合蛋白能够与进入细胞内 40% ~ 50%的镉离
子相结合,从而限制镉在细胞内的运动,减弱其对细
胞的损害.植物螯合肽在硅藻络合重金属离子过程
中起着重要的作用,但重金属离子与其形成的络合
物结合形态却很少被研究,从而不能很好地阐述重
金属的络合过程.为了弄清植物螯合肽对重金属的
络合过程,Cruz等[67]利用微分脉冲极谱法来表征植
物螯合肽对镉、锌离子的络合过程,结合多元曲线分
辨以及交替最小二乘法 ( MCR鄄ALS)分析,表明
Cd2+ / PCs中大量存在稳定络合物 Cd3(PC3) 2,当配
体过量时,大部分镉离子仍然形成这种络合物,只有
少数重金属离子会以不同键与 2 个 PC3分子结合,
而锌离子在 Zn2+ / PCs 中的结合态却没有明显的结
论.表面络合模型的发展有利于藻类吸附重金属的
机制研究,它可以将吸附现象考虑为溶液中的化学
反应,并通过滴定分析获得表面活性反应位点和结
合参数中的平衡常数[68] . 研究表明,表面络合模型
能够确定藻类吸附重金属络合过程中起主导地位的
官能团,明确藻类吸附重金属的表面络合机制[69] .
鉴于表面络合模型在生物吸附过程中的快速发展及
重要作用,G佴labert 等[43]分析了硅藻吸附重金属的
过程,并结合吸附和电泳测量结果,建立了硅藻表面
络合模型,这也为评价自然环境中硅藻和水体中重
金属的分布提供了简便的方法[70] .
3郾 2摇 离子交换机制
离子交换作用主要是溶液中的金属离子置换出
藻类细胞壁上的质子,一些金属离子则靠静电引力
或靠细胞壁提供的配位键吸附在细胞壁表面. 藻类
表面存在的氨基酸提供自由电子具有静电吸附的特
性,从而使其更易吸收重金属.这些静电吸引作用的
发生需要类似于 Ca和 Na等金属的存在[71],或者通
过与 Cu共价结合[72],以及与特定重金属之间的氧
化还原反应[73] .目前有关硅藻在水体重金属污染下
的离子交换机制并没有被讨论,但其他藻与重金属
的离子交换作用已有研究,可以为未来硅藻与重金
属离子之间的离子交换机制探讨提供指导作用. 最
新研究表明,藻类表面拥有许多能与阳离子交换的
官能团(如羰基、磷基、羟基或氨基),结合傅里叶红
外光谱分析得知,羧基在黄藻(Vaucheria sp. )吸附
重金属过程中占主导地位,同时也阐述了黄藻在吸
附铜、锰、锌和钴离子后,会释放钙、钠、钾和镁离子,
从而表明离子交换是藻类吸附重金属离子的关
键[74] .为了更清楚地描述离子交换在生物吸附过程
中的作用,Shin 等[75]发现,细胞表面羧基可能会通
过静电引力而与镉离子相互作用,表明离子交换可
能是生物吸附机制之一,而通过分析生物吸附剂上
Ca2+释放浓度与 Cd2+吸收浓度比例确认了 Ca鄄Cd 离
子交换是吸附过程中主要的吸附机制. 为了确认
Ca2+在离子交换机制中的作用,利用 CaCl2对生物吸
附剂进行预处理,结果显示,经过预处理的生物吸附
剂能够增强其对 Pb2+的吸附性能,结合 X 射线能量
分析,观察到生物吸附剂中 Ca2+含量急剧下降,并且
释放的 Ca2+浓度是吸附 Pb2+浓度的 1郾 5 倍,从而确
认了 Ca2+在离子交换过程中占有非常重要的地
位[76] .另外,H+在离子交换过程中的作用也比较重
要,利用质子化的马尾藻(Sargassum glaucescens)吸
附铅和镉离子,生物吸附剂对镉和铅表现出相对较
高的亲和力,并且在吸收重金属的同时,同步释放
H+,表明离子交换是生物吸附的主要机制之一[77] .
然而,尽管生物吸附过程中不断发生离子交替,但吸
附离子(H+、M2+等)和释放离子(Na+、K+等)之间却
存在着较强的离子平衡,离子总量不变[78],从而维
持藻类正常生长所需离子的供给.另外,可以结合能
斯特鄄普朗克方程的质量转换模型预测离子概况,其
中 H+、 Pb2+、 Ca2+颗粒内的有效扩散系数分别为
3郾 73伊10-7、7郾 56 伊10-8和 6郾 37 伊10-8 cm2·s-1 [79],这
为明确离子交换过程中离子动态提供方便.
4摇 硅藻对水体重金属污染的指示作用
硅藻广泛分布于淡水水体中,组成水体中多样
化的微生物群落,并含有数十万分类单位[80-81] . 通
过长期研究水体营养物和有机物浓度对硅藻群落分
类组成的结构效应,使硅藻逐渐成为水体生物评价
工具发展的焦点[82] . 目前,基于硅藻分类组成的生
物评价工具已被用来评价水体营养负荷[83]、污水生
物负荷[84]以及水体整体污染[85] . 实地生态毒理研
1683 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 丁腾达等: 硅藻重金属污染生态学研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
究表明,硅藻也可以为水体杀虫剂污染提供合适的
生物评价工具[86],表明硅藻对水体污染的指示作用
具有广泛性,水体硅藻的丰度一定程度上可以说明
水体的污染程度.
硅藻对重金属污染也有指示作用,重金属污染
浓度不同,水体硅藻的种类会有所不同,结合扫描电
子显微镜(SEM)和能量色散 X 射线光谱仪( SEM鄄
EDS)分析表明,重污染河流中的底栖硅藻[主要是
谷皮菱形藻(Nitzschia palea)]能够清晰地显示重金
属的元素组成(Cu、Zn、Cr 等),而中度污染和轻度
污染河流中的底栖藻类[分别主要是桥弯藻(Cym鄄
bella turgidula)、异极藻(Gomphonema globiferm)和
等片藻(Diatoma vulgare)]并不能检测到任何重金
属元素,室内试验也表明,这些优势硅藻均能够在单
独配置的 Cu、 Zn 和 Cr 溶液 (60 mg·L-1 )中存
活[87],进一步验证了底栖硅藻可以作为评价水体
Cu、Zn、Cr等重金属污染的指示生物.硅藻对重金属
污染的耐性作用会因种类不同而有所差别,其相对
丰度在一定程度上可以反映水体重金属污染程度.
Nakanishi等[88]发现,重金属(Cu、Zn、Pb和 Cd)浓度
和硅藻相对丰度之间具有显著的相关性,河流环境
中重金属浓度越高,极小曲壳藻(Achnanthes minutis鄄
sima)的相对丰度就会越高,表明极小曲壳藻可以作
为重金属污染的一种生物指示物. 底栖硅藻中高度
耐重金属的生物指示硅藻在水体生态系统中生物监
测污染是非常有意义的. 为了进一步了解硅藻与重
金属浓度之间的相关性,Duong 等[89]研究了硅藻与
镉浓度之间的相关性,发现谷皮菱形藻、内丝藻
(Encyonema minutum)、双菱藻(Surirella angusta)及
微小异极藻(Gomphonema parvulum)与镉浓度之间
呈正相关,表明这些硅藻能够耐受高浓度的镉污染.
相反,梅尼小环藻、舟形藻(Navicula gregaria)、Na鄄
vicula lanceolata、细端菱形藻(Nitzschia dissipata)和
变异直链藻(Melosira varians)与镉浓度之间呈负相
关,表明它们对镉污染很敏感.而这些藻类在水体中
分别有着不同的指示功能,并且在一定程度上起到
对水体重金属污染的生态修复作用.
硅藻对重金属(Cd、Pb、Hg和 Cr)的富集及其群
落组成会随着季节变化而变化.通过监测发现,硅藻
体内 Cd、Pb、Hg 和 Cr 含量分别在冬、春、冬和冬季
达到最高,在秋、冬、秋和秋季最低,其中 Hg 含量最
低(0郾 25伊10-7 ~ 1郾 3伊10-7 mol·L-1),Pb 含量最高
(0郾 92伊10-6 ~ 1郾 2伊10-6 mol·L-1). 同时,水体中曲
壳藻(Achnanthes sp郾 )的相对丰度与重金属浓度之
间具有很好的相关性,在湖泊的生物多样性修复中
具有重要的作用[90-91] . 而在重金属污染下,硅藻群
落组成也会不断再变化,谷皮菱形藻和羽纹藻(Pin鄄
nularia parvulissima)常出现于夏季和秋季,而双菱
藻、窄双菱藻 ( Surirella angusta)、曲壳藻 ( Achnan鄄
thidium minutissimum)和披针舟形藻(Navicula lan鄄
ceolata)出现于冬季和春季[92] . 这也为不同时期监
测水体重金属污染的指示硅藻的筛选提供了理论
参考.
随着重金属污染加重,硅藻群落组成会随之不
断变化,水体中主要优势种从浮游硅藻逐渐向底栖
硅藻变迁. Cattaneo 等[93]研究了加拿大矿区湖泊中
重金属污染下硅藻群落和种群水平变化,表明硅藻
群落对重金属污染具有很高的耐受能力,中度污染
下具星小环藻(Cyclotella stelligera)生物量下降,但
仍然是水体中的优势藻种. 另外,具星小环藻和
Brachysira vitrea 沿着重金属浓度梯度分别与金属浓
度呈负和正相关,是该地区金属污染最有潜力的指
标,可以作为该地区湖泊重金属污染的指示生物.
5摇 展摇 摇 望
硅藻是监测河流、湖泊等水体水质好坏的良好
生物指标,在维持水体生态系统稳定上有着重要的
作用.随着重金属污染的加剧,加强重金属对硅藻的
污染生态学、污染进化生态学和保护生态学研究将
具有重要意义.今后,应加强以下几方面研究:
1)重金属和其他污染物对硅藻的毒害效应. 虽
然在重金属污染对硅藻生长以及硅藻形态变化方面
已经做了大量工作并取得丰硕成果,但环境中还存
在多种其他污染物. 随着水体中污染物种类和数量
的增加,研究重金属和其他污染物对硅藻的联合毒
理效应是今后研究的重点内容之一.
2)硅藻重金属污染进化及其分子机制. 重金属
污染条件下硅藻的适应与进化将成为污染生态学的
重要研究内容,也可以为筛选监测水体耐重金属污
染的硅藻提供理论依据.已有研究表明,硅藻吸附重
金属过程主要是表面络合过程,但由于水体中硅藻
的多样性以及其他污染物的交互影响,使硅藻吸附
重金属的机制复杂化,因此从分子水平上揭示硅藻
重金属污染进化的机制,具有重要的科学价值.
3)硅藻的生态修复功能技术即类硅藻结构材
料的人工合成.硅藻对水体重金属污染具有指示和
修复功能,是监测和修复水体重金属污染很好的材
料,但某些硅藻的提取很难,因此,结合实际情况,合
268 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
成类硅藻材料用于重金属污染水体中的生态修复是
今后的重要任务之一.
参考文献
[1] 摇 Islam MS, Tanaka M. Impacts of pollution on coastal
and marine ecosystems including coastal and marine
fisheries and approach for management: A review and
synthesis. Marine Pollution Bulletin, 2004, 48: 624 -
649
[2]摇 Ministry of Environmental Protection of the People爷s Re鄄
public of China (中华人民共和国环境保护部). 12 th
Five鄄year Plan for the Pollution Prevention of Major Wa鄄
tershed and Immediate Offshore Area[EB / OL]. (2010鄄
08鄄01) [2011鄄05鄄09]. http: / / wfs. mep. gov. cn / zdly鄄
shew /
[3]摇 Silva EFD, Almeida SFP, Nunes ML, et al. Heavy
metal pollution downstream the abandoned Coval da M佼
mine (Portugal) and associated effects on epilithic dia鄄
tom communities. Science of the Total Environment,
2009, 407: 5620-5636
[4]摇 Bowler C, Allen AE, Badger JH, et al. The phaeodac鄄
tylum genome reveals the evolutionary history of diatom
genomes. Nature, 2008, 456: 239-244
[5]摇 Almqvist N, Delamo Y, Smith BL, et al. Micromechan鄄
ical and structural properties of a pennate diatom inves鄄
tigated by atomic force microscopy. Journal of Microsco鄄
py, 2001, 202: 518-532
[6] 摇 Medley CN, Clements WH. Responses of diatom com鄄
munities to heavy metals in streams: The infiuence of
longitudinal variation. Ecological Applications, 1998,
8: 631-644
[7]摇 Paulsson M, Nystr觟m B, Blanck H. Long鄄term toxicity
of zinc to bacteria and algae in periphyton communities
from the river G觟ta 魧lv, based on a microcosms study.
Aquatic Toxicology, 2000, 47: 243-57
[8]摇 Liu Y, Guan YT, Gao QT, et al. Cellular responses,
biodegradation and bioaccumulation of endocrine disrup鄄
ting chemicals in marine diatom Navicula incerta.
Chemosphere, 2010, 80: 592-599
[9] 摇 Scheffel A, Poulsen N, Shian S, et al. Nanopatterned
protein microrings from a diatom that direct silica mor鄄
phogenesis. Proceedings of the National Academy of Sci鄄
ences of the United States of America, 2011, 108: 3175
-3180
[10]摇 Xu Q鄄S (徐勤松), Shi G鄄X (施国新). The toxic
effects of single Cd and interaction of Cd with Zn on
some physiological index of [ Oenanthe javanica
(Blume) DC]. Journal of Nanjing Normal University
(Natural Science) (南京师范大学·自然科学版),
2000, 23(4): 97-100 (in Chinese)
[11]摇 Surosz W, Palinska KA. Effects of heavy鄄metal stress on
cyanobacterium Anabaena flos鄄aquae. Archives of Envi鄄
ronmental Contamination and Toxicology, 2004, 48: 40
-48
[12]摇 Mohammed M, Markert B. Toxicity of heavy metals on
Scenedesmus quadricauda ( Turp. ) de Br佴bisson in
batch cultures. Environmental Science and Pollution Re鄄
search, 2006, 13: 98-104
[13]摇 Tripathi BN, Mehta SK, Amar A, et al. Oxidative
stress in Scenedesmus sp. during short鄄 and long鄄term
exposure to Cu2+ and Zn2+ . Chemosphere, 2006, 62:
538-544
[14]摇 Ba觬kor M, Pawlik鄄Skowro俳ska B, Bud侔v觃 J, et al. Re鄄
sponse to copper and cadmium stress in wild鄄type and
copper tolerant strains of the lichen alga Trebouxia erici:
Metal accumulation, toxicity and non鄄protein thiols.
Plant Growth Regulation, 2007, 52: 17-27
[15] 摇 Scheidegger C, Behra R, Sigg L. Phytochelatin forma鄄
tion kinetics and toxic effects in the freshwater alga
Chlamydomonas reinhardtii upon short鄄 and long鄄term
exposure to lead (II) . Aquatic Toxicology, 2011, 101:
423-429
[16]摇 Morin S, Duong TT, Herlory O, et al. Cadmium toxici鄄
ty and bioaccumulation in freshwater biofilms. Archives
of Environmental Contamination and Toxicology, 2008,
54: 173-186
[17]摇 Wang MJ, Wang WX. Cadmium sensitivity, uptake,
subcellular distribution and thiol induction in a marine
diatom: Exposure to cadmium. Aquatic Toxicology,
2011, 101: 377-386
[18]摇 Branco D, Lima A, Almeida SFP, et al. Sensitivity of
biochemical markers to evaluate cadmium stress in the
freshwater diatom Nitzschia palea (K俟tzing) W. Smith.
Aquatic Toxicology, 2010, 99: 109-117
[19]摇 Torres E, Cid A, Herrero C, et al. 摇 Effect of cadmium
on growth, ATP content, carbon fixation and ultrastruc鄄
ture in the marine diatom Phaeodactylum Tricornutum
Bohlin. Water, Air, and Soil Pollution, 2000, 117: 1-
14
[20]摇 Desai SR, Verlecar XN, Goswami NU. Genotoxicity of
cadmium in marine diatom Chaetoceros tenuissimus using
the alkaline Comet assay. Ecotoxicology, 2006, 15:
359-363
[21]摇 Rivkin RB. Effects of lead on growth of the marine dia鄄
tom Skeletonema costatum. Marine Biology, 1979, 50:
239-247
[22]摇 Berland BR, Bonin DJ, Gu佴rin鄄Ancey OJ, et al. Action
of sublethal doses of heavy metals on the growth charac鄄
teristics of the diatom Skeletonema costatum. Marine Bi鄄
3683 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 丁腾达等: 硅藻重金属污染生态学研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
ology, 1977, 42: 17-30
[23]摇 Kobayashi I, Fujiwara S, Saegusa H, et al. Relief of
arsenate toxicity by Cd鄄stimulated phytochelatin synthe鄄
sis in the green alga Chlamydomona sreinhardtii. Marine
Biotechnology, 2005, 8: 94-101
[24]摇 Morelli E, Fantozzi L. Phytochelatins in the diatom
Phaeodactylum tricornutum Bohlin: An evaluation of
their use as biomarkers of metal exposure in marine wa鄄
ters. Bulletin of Environmental Contamination and Toxi鄄
cology, 2008, 81: 236-241
[25]摇 Morelli E, Pratesi E. Production of phytochelatins in the
marine diatom Phaeodactylum tricornutum in response to
copper and cadmium exposure. Bulletin of Environmen鄄
tal Contamination and Toxicology, 1997, 59: 657-664
[26]摇 Grill E, Winnacker EL, Zenk MH. Phytochelatins: The
principal heavy鄄metal complexing peptides of higher
plants. Science, 1985, 230: 674-676
[27]摇 Scarano G, Morelli E. Characterization of cadmium鄄 and
lead鄄phytochelatin complexes formed in a marine mi鄄
croalga in response to metal exposure. BioMetals,
2002, 15: 145-151
[28]摇 Wang MJ, Wang WX. Temperature鄄dependent sensitivi鄄
ty of a marine diatom to cadmium stress explained by
subcellular distribution and thiol synthesis. Environmen鄄
tal Science & Technology, 2008, 42: 8603-8608
[29]摇 Morelli E, Ferrara R, Bellini B, et al. Changes in the
non鄄protein thiol pool and production of dissolved gase鄄
ous mercury in the marine diatom Thalassiosira weissfio鄄
gii under mercury exposure. Science of the Total Envi鄄
ronment, 2009, 408: 286-293
[30]摇 Rijstenbil JW, Wijnholds JA. HPLC analysis of non鄄
protein thiols in planktonic diatoms: Pool size, redox
state and response to copper and cadmium exposure.
Marine Biology, 1996, 127: 45-54
[31]摇 Falasco E, Bona F, Ginepro M, et al. Morphological
abnormalities of diatom silica walls in relation to heavy
metal contamination and artificial growth conditions.
Water SA, 2009, 35: 595-605
[32] 摇 Thomas WH, Hollibaugh JT, Seibert DLR. Effects of
heavy metals on the morphology of some marine phyto鄄
plankton. Phycologia, 1980, 19: 202-209
[33]摇 Morin S, Coste M, Hamilton PB. Scanning electron mi鄄
croscopy observations of deformities in small pennate di鄄
atoms exposed to high cadmium concentrations. Journal
of Phycology, 2008, 44: 1512-1518
[34]摇 Smith MA. The effect of heavy metals on the cytoplasmic
fine structure of Skeletonema costatum ( Bacillariophy鄄
ta) . Protoplasma, 1983, 116: 14-23
[35]摇 Adshead鄄Simonsen PC, Murray GE, Kushner DJ. Mor鄄
phological changes in the diatom Tabellaria flocculosa
induced by very low concentrations of cadmium. Bulletin
of Environmental Contamination and Toxicology, 1981,
26: 745-748
[36]摇 Nassiri Y, Mansot JL, We魣ry J, et al. Ultrastructural
and electron energy loss spectroscopy studies of seques鄄
tration mechanisms of cd and cu in the marine diatom
Skeletonema costatum. Archives of Environmental Con鄄
tamination and Toxicology, 1997, 33: 147-155
[37]摇 Qu K鄄M (曲克明), Chen B鄄J (陈碧鹃), Yuan Y鄄X
(袁有宪), et al. A preliminary study on influence of N
and P on population constituent of planktonic diatoms in
seawater. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生
态学报), 2000, 11(3): 94-98 (in Chinese)
[38] 摇 Sicko鄄Goad L, Ladewski BG, Lazinsky D. Synergistic
effects of nutrients and lead on the quantitative ultra鄄
structure of Cyclotella (Bacillariophyceae). Archives of
Environmental Contamination and Toxicology, 1986,
15: 291-300
[39]摇 Chojnacka K. Biosorption and bioaccumulation: The
prospects for practical applications. Environment Inter鄄
national, 2010, 36: 299-307
[40]摇 Feng D, Aldrich C. Adsorption of heavy metals by bio鄄
materials derived from the marine alga Ecklonia maxi鄄
ma. Hydrometallurgy, 2004, 73:1-10
[41]摇 Romera E, Gonz佗lez F, Ballester A, et al. Biosorption
with Algae: A statistical review. Critical Reviews in Bio鄄
technology, 2006, 26: 223-235
[42]摇 Aksu Z, Acikel 譈, Kutsal T. Application of multicom鄄
ponent adsorption isotherms to simultaneous biosorption
of iron( III) and chromium(VI) on C. vulgaris. Jour鄄
nal of Chemical Technology & Biotechnology, 1997,
70: 368-378
[43]摇 G佴labert A, Pokrovsky OS, Viers J, et al. Interaction
between zinc and freshwater and marine diatom species:
Surface complexation and Zn isotope fractionation.
Geochimica et Cosmochimica Acta, 2006, 70: 839-857
[44]摇 Sunda WG, Huntsman SA. Processes regulating cellular
metal accumulation and physiological effects: Phyto鄄
plankton as model systems. Science of the Total Environ鄄
ment, 1998, 219: 165-181
[45] 摇 Guo JA, Annett AL, Taylor RL, et al. Copper鄄uptake
kinetics of coastal and oceanic diatoms. Journal of Phy鄄
cology, 2010, 46: 1218-1228
[46] 摇 Gonz觃lez鄄D觃vila M, Santana鄄Casiano JM, Laglera LM.
Copper adsorption in diatom cultures. Marine Chemis鄄
try, 2000, 70: 161-170
[47]摇 Pokrovsky OS, Pokrovski GS, Ge覿labert A, et al. Spe鄄
ciation of Zn associated with diatoms using x鄄ray absorp鄄
tion spectroscopy. Environmental Science & Technology,
2005, 39: 4490-4498
468 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
[48]摇 Kanematsu M, Young TM, Fukushi K, et al. Quantifi鄄
cation of the effects of organic and carbonate buffers on
arsenate and phosphate adsorption on a goethite鄄based
granular porous adsorbent. Environmental Science &
Technology, 2011, 45: 561-568
[49]摇 Sverjensky DA, Fukushi K. Anion adsorption on oxide
surfaces: Inclusion of the water dipole in modeling the
electrostatics of ligand exchange. Environmental Science
& Technology, 2006, 40: 263-271
[50]摇 Malik A. Metal bioremediation through growing cells.
Environment International, 2004, 30: 261-278
[51]摇 Doshi H, Seth C, Ray A, et al. Bioaccumulation of
heavy metals by green algae. Current Microbiology,
2008, 56: 246-255
[52]摇 Vymazal J. Toxicity and accumulation of cadmium with
respect to algae and cyanobacteria: A review. Toxicity
Assessment, 1987, 4: 387-415
[53]摇 Li R, Chen GZ, Tam NFY, et al. Toxicity of bisphenol
A and its bioaccumulation and removal by a marine mi鄄
croalga Stephanodiscus hantzschii. Ecotoxicology and
Environmental Safety, 2009, 72: 321-328
[54]摇 Liang J鄄R (梁君荣), Tang C鄄N (唐川宁), Chen C鄄P
(陈长平), et al. The toxic effects of zinc on a benthic
diatom Cylindrotheca closterium. Journal of Xiamen Uni鄄
versity (Natural Science) (厦门大学学报·自然科学
版), 2006, 45(suppl. 1): 225-229 (in Chinese)
[55]摇 Miao AJ, Wang WX. Predicting copper toxicity with its
intracellular or subcellular concentration and the thiol
synthesis in a marine diatom. Environmental Science &
Technology, 2007, 41: 1777-1782
[56]摇 Duong TT, Morin S, Herlory O, et al. Seasonal effects
of cadmium accumulation in periphytic diatom communi鄄
ties of freshwater biofilms. Aquatic Toxicology, 2008,
90: 19-28
[57]摇 Wang MJ, Wang WX. Cadmium in three marine phyto鄄
plankton: Accumulation, subcellular fate and thiol in鄄
duction. Aquatic Toxicology, 2009, 95: 99-107
[58]摇 Pickhardt PC, Fisher NS. Accumulation of inorganic
and methylmercury by freshwater phytoplankton in two
contrasting water bodies. Environmental Science & Tech鄄
nology, 2007, 41: 125-131
[59]摇 Duong TT, Morin S, Coste M, et al. Experimental tox鄄
icity and bioaccumulation of cadmium in freshwater per鄄
iphytic diatoms in relation with biofilm maturity. Science
of the Total Environment, 2010, 408: 552-562
[60]摇 Farooq U , Kozinski J A, Khan M A, et al. Biosorption
of heavy metal ions using wheat based biosorbents: A
review of the recent literature. Bioresource Technology,
2010, 101: 5043-5053
[61] 摇 Davis TA, Volesky B, Mucci A. A review of the bio鄄
chemistry of heavy metal biosorption by brown algae.
Water Research, 2003, 37: 4311-4330
[62]摇 Veglio F, Beolchini F. Removal of metals by biosorp鄄
tion: A review. Hydrometallurgy, 1997, 44: 301-316
[63]摇 Park D, Yun YS, Park JM. The past, present and fu鄄
ture trends of biosorption. Biotechnology and Bioprocess
Engineering, 2010, 15: 86-102
[64]摇 Pistocchi R, Mormile AM, Guerrini F, et al. Increased
production of extra鄄 and intracellular metal鄄ligands in
phytoplankton exposed to copper and cadmium. Journal
of Applied Phycology, 2000, 12: 469-477
[65]摇 Lavoie M, Faucheur SL, Fortin C, et al. Cadmium de鄄
toxification strategies in two phytoplankton species: Met鄄
al binding by newly synthesized thiolated peptides and
metal sequestration in granules. Aquatic Toxicology,
2009, 92: 65-75
[66]摇 Yang H鄄Y (杨红玉), Wang H鄄X (王焕校). A prima鄄
ry study on the Cd鄄binding proteins of two green algae
and their cadmium tolerance. Acta Phytopnysiologia Sin鄄
ica (植物生理学报), 1985, 11 (4): 357 -365 ( in
Chinese)
[67]摇 Cruz BH, Di覿az鄄Cruz JM, Ari觡o C, et al. complexation
of heavy metals by phytochelatins: voltammetric study of
the binding of Cd2+ and Zn2+ ions by the phytochelatin
(觭鄄glu鄄cys) 3gly assisted by multivariate curve resolu鄄
tion. Environmental Science & Technology, 2005, 39:
778-786
[68]摇 Kim YH, Park JY, Yoo YJ. Modelling of biosorption by
marine brown Undaria pinnatifida based on surface com鄄
plexation mechanism. Korean Journal of Chemical Engi鄄
neering, 1998, 15: 157-163
[69]摇 Han X, Wong YS, Tam NFY. Surface complexation
mechanism and modeling in Cr ( III) biosorption by a
microalgal isolate, Chlorella miniata. Journal of Colloid
and Interface Science, 2006, 303: 365-371
[70] 摇 G佴labert A, Pokrovsky OS, Schott J, et al. Cadmium
and lead interaction with diatom surfaces: A combined
thermodynamic and kinetic approach. Geochimica et
Cosmochimica Acta , 2007, 71: 3698-3716
[71]摇 Crist RH, Oberholser K, Schwartz D, et al. Interaction
of metals and protons with algae. Environmental Science
& Technology, 1988, 22: 755-760
[72] 摇 Crist DR, Grist RH, Martin JR, et al. Ions exchange
systems in proton鄄metals interactions with algal cells
walls. FEMS Microbiology Reviews, 1994, 14: 309 -
313
[73]摇 Guha H, Jayachandran K, Maurrasse F. Microbiological
reduction of chromium (VI) in presence of pyrolusite鄄
coated sand by Shewanella alga Simidu ATCC 55627 in
laboratory column experiments. Chemosphere, 2003,
5683 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 丁腾达等: 硅藻重金属污染生态学研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
12: 175-183
[74]摇 Michalak I, Chojnacka K. Interactions of metal cations
with anionic groups on the cell wall of the macroalga
Vaucheria sp. Engineering in Life Science, 2010, 10:
209-217
[75]摇 Shin EW, Karthikeyan KG, Tshabalala MA. Adsorption
mechanism of cadmium on juniper bark and wood.
Bioresource Technology, 2007, 98: 588-594
[76]摇 Southichak B, Nakano K, Nomura M, et al. Marine
macroalga Sargassum horneri as biosorbent for heavy
metal removal: Roles of calcium in ion exchange mecha鄄
nism. Water Science and Technology, 2008, 58: 697-
704
[77]摇 Naddafi K, Nabizadeh R, Saeedi R, et al. Biosorption
of lead(II) and cadmium(II) by protonated Sargassum
glaucescens biomass in a continuous packed bed col鄄
umn. Journal of Hazardous Materials, 2007, 147: 785
-791
[78] 摇 Verma VK, Tewari S, Rai JPN. Ion exchange during
heavy metal bio鄄sorption from aqueous solution by dried
biomass of macrophytes. Bioresource Technology, 2008,
99: 1932-1938
[79]摇 Costa JFS, Vilar VJP, Botelho CMS, et al. Application
of the Nernste鄄Planck approach to lead ion exchange in
Ca鄄loaded Pelvetia canaliculata. Water Research, 2010,
44: 3946-3958
[80] 摇 Mann DG, Droop SJM. Biodiversity, biogeography and
conservation of diatoms. Hydrobiogia, 1996, 336: 19-
32
[81]摇 Gao Y鄄H (高亚辉), Yu Q鄄B (虞秋波), Qi Y鄄Z (齐
雨藻), et al. Species composition and ecological distri鄄
bution of planktonic diatoms in the Changjiang River es鄄
tuary during Spring. Chinese Jounal of Applied Ecology
(应用生态学报), 2003, 14(7): 1044-1048 (in Chi鄄
nese)
[82]摇 Rimet F, Bouchez A. Use of diatom life鄄forms and eco鄄
logical guilds to assess pesticide contamination in rivers:
Lotic mesocosm approaches. Ecological Indicators,
2011, 11: 489-499
[83]摇 Kelly MG, Juggins S, Guthrie R, et al. Assessment of
ecological status in UK rivers using diatoms. Freshwater
Biology, 2007, 53: 403-422
[84] 摇 Kelly MG. Role of benthic diatoms in the implementa鄄
tion of the Urban Wastewater Treatment Directive in the
River Wear, North鄄East England. Journal of Applied
Phycology, 2002, 14: 9-18
[85]摇 Resende PC, Resende P, Pardal M et al. Use of biolog鄄
ical indicators to assess water quality of the Ul River
(Portugal) . Environmental Monitoring and Assessment,
2010, 170: 535-544
[86]摇 Tlili A, Dorigo U, Montuelle B, et al. Responses of
chronically contaminated biofilms to short pulses of di鄄
uron: An experimental study simulating flooding events
in a small river. Aquatic Toxicology, 2008, 87: 252 -
263
[87]摇 Lai SD, Chen PC, Hsu HK. Bethnic algae as monitors
of heavy metals in various polluted rivers by energy dis鄄
persive X鄄ray spectrometer. Journal of Environmental
Science and Health Part A, 2003, 38: 855-866
[88]摇 Nakanishi Y, Sumita M, Yumita K, et al. Heavy鄄metal
pollution and its state in algae in kakehashi river and go鄄
dani river at the foot of Ogoya Mine, Ishikawa Prefec鄄
ture. Analytical Sciences, 2004, 20: 73-78
[89]摇 Duong TT, Morin S, Herlory O, et al. Seasonal effects
of cadmium accumulation in periphytic diatom communi鄄
ties of freshwater biofilms. Aquatic Toxicology, 2008,
90: 19-28
[90]摇 Atici T, Ahiska S, Altinda A, et al. Ecological effects
of some heavy metals (Cd, Pb, Hg, Cr) pollution of
phytoplanktonic algae and zooplanktonic organisms in
Sarlyar Dam Reservoir in Turkey. African Journal of Bi鄄
otechnology, 2008, 7: 1972-1977
[91]摇 Atici T, Obali O, Altindag A, et al. The accumulation
of heavy metals (Cd, Pb, Hg, Cr) and their state in
phytoplanktonic algae and zooplanktonic organisms in
Beysehir Lake and Mogan Lake, Turkey. African Jour鄄
nal of Biotechnology, 2010, 9: 475-487
[92]摇 Morin S, Duong TT, Dabrin A, et al. Long鄄term survey
of heavy鄄metal pollution, biofilm contamination and dia鄄
tom community structure in the Riou Mort watershed,
South鄄West France. Environmental Pollution, 2008,
151: 532-542
[93]摇 Cattaneo A, Couillard Y, Wunsam S. Sedimentary dia鄄
toms along a temporal and spatial gradient of metal con鄄
tamination. Journal of Paleolimnology, 2008, 40: 115-
127
作者简介摇 丁腾达,男,1989 年生,硕士研究生,主要从事生
态毒理化学研究. E鄄mail: dingtengda@ zju. edu. cn
责任编辑摇 肖摇 红
668 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷