全 文 ：江蓠对重金属镉的吸附·吸收和积累特性研究
张 皓　(江苏省常州市环境监测中心站 ,江苏常州 213001)
摘要　[目的 ]为更好地利用藻类吸附重金属 ,净化水体提供参考。 [方法]以活体细基江篱繁枝变型为研究材料 , 利用等离子发射光谱
仪、超速离心机、差速离心机等从不同角度比较研究江蓠在无机氮磷及重金属镉交互作用下对重金属镉的吸附、吸收及积累的情况。
[结果]随着氮盐和磷盐浓度的升高 ,江蓠对水体中重金属Cd2+去除率、吸附效应和积累量均呈先上升后下降的趋势。适当的氮盐浓度
或磷盐浓度均有利于提高江蓠对Cd2+的去除率、吸附效应和积累量 ,而同时加入氮磷效果更为显著。 [结论 ]为进一步探讨江蓠吸附重
金属的生理生化机制及其在重金属污染环境中的实际应用奠定了基础。
关键词　江蓠;重金属镉;无机氮磷;吸附;积累
中图分类号　X703　　文献标识码　A　　文章编号　0517-6611(2010)23-12676-03
ResearchontheCharacterofAbsorptionandAccumulationofGracilariatoHeavyMetal-Cadmium
ZHANGHao　(CenterofEnvironmentalSupervisionofChangzhouCity, Changzhou, Jiangsu213001)
Abstract　[ Objective] Thereferenceforthepurificationofwater-bodybymeansoftheabsorptionofalgatoheavymetalwasprovidedthrough
theexperiment.[ Method] ThelivingGracilariabranchbeingtakenasexperimentalmaterial, theabsorptionandaccumulationofGracilariato
heavymetal-Cadmiumundertheinteractionamonginorganicnitrogen, phosphorusandcadmiumwascomparativelyresearchedandanalyzed
withtheplasmaemissionspectrometer, centrifugespeed, diferentialspeedcentrifugesandotherexperimentaltechnicalmeasures.[ Results]
TheremovalandabsorptionefectivenessofGracilariatocadmiuminwater-bodyandtheaccumulationofcadmiuminGracilariawereraised
andthenreducedwiththeincrementofinorganicnitrogenandphosphorus.Thesuitableconcentrationofinorganicnitrogenandphosphoruswas
beneficialtotheimprovementoftheremovalandabsorptionefectivenessofGracilariatocadmiuminwater-bodyandtheaccumulationofcad-
miuminGracilariaandtheapplicationofbothinorganicnitrogenandphosphoruscouldsignificantlyimproveitseficiency.[ Conclusion] The
physiologicalandbiochemicalmechanismoftheadsorptionofGracilariatoheavymetalwasfurtherexplored, whichcouldplaythesolidbasis
ofitsapplicationinthereductionofenvironmentalpolutionofheavymetal.
Keywords　Gracilaria;Heavymetal-cadmium;Inorganicnitrogenandphosphorus;Absorption;Accumulation
作者简介　张皓(1984-),男 ,江苏镇江人 ,助理工程师 ,从事生物多样
性和生态毒理学研究。
收稿日期　 2010-04-21
　　重金属多为非降解型有毒物质 ,水体中的重金属浓度即
使很小也可产生毒性 ,具有高度危害性和难治理性 ,它可沿
着食物链被生物吸收 、富集 ,最终造成人体积累和慢性中毒 。
目前 ,人们已经发展了一系列用于处理含重金属离子废水的
技术 。如化学沉淀法 、化学氧化还原法 、过滤 、离子交换 、电
解 、膜处理技术及蒸发回收技术等。但是这些方法一般只适
用于重金属离子含量较高的情况 ,而不适用于重金属离子含
量较低的情况。因此 ,研究和开发利用廉价且资源丰富的重
金属分离和回收处理系统 ,更有效地除去废水中的重金属离
子 ,具有学术和实际运用的意义。生物吸附法是一种成本低
廉 、吸附剂来源丰富 、去除效率高的新型处理方法 ,特别适用
于低浓度废水的处理 ,它能有效地将废水中的重金属离子降
到非常低的浓度 ,而且所用的生物材料易得 、价格便宜。藻
类修复重金属污染水体具有投资小 、针对性强 、吸附量大 、污
染小 、效率高等特点 ,尤其对于低浓度及一般方法不易去除
的重金属可以选择性地去除 ,因而具有显著而独特的经济价
值和生态效益。藻类细胞壁主要是由多糖 、蛋白质和脂肪等
组成的多层网状结构 ,具有较大的表面积 ,使其对环境中的
重金属有较强的富集和吸附作用 ,并且可在短时间内达到吸
附平衡。同时 ,带有一定电荷和黏性 ,增加了其对重金属离
子的吸附能力 。因此 ,近年来 ,藻类被认为是理想的生物吸
附材料而受到人们的广泛关注。笔者对其进行了研究 ,旨在
为更好地利用藻类吸附重金属 、净化水体提供参考。
1　材料与方法
1.1　材料　试验用细基江篱繁枝变型采自福建沿海 ,经空
运带回实验室后的鲜活藻体除去表面附着杂藻 ,用过滤海水
冲洗干净 ,移植到光照条件下盛有 15 L水体的水族箱(容积
为 20L)中预培养 ,加入 f/2配方的微量元素并保持 N、P饥饿
(不加 N、P),水体盐度为 28, pH值为 8.0,水温为(23.0±0.5)
℃;光照周期为 12L∶12D,强度为 80 μmolphotons/(m2·s)。期
间每隔 2d添加除 N、P以外的营养盐 1次 ,每天不定时搅水
或充气 4 ～6次以保持藻体健康。
1.2　方法　根据预先进行的 N、P和 Cd2+单因子试验结果 ,
设定 Cd2+为 0.5mg/L, N、P均设定为零 、中 、高 3个水平 , N
按 NH+4 -N∶NO-3 -N为 1∶1、P以 PO3-4 -P形式添加 ,均为每 2 d
加富 1次 ,以保持浓度。按表 1所示进行组合并分组 ,每组
设 2个平行。在每个 500 ml水体的三角瓶内分别装入健康
藻体 3 g,并按照试验设计的浓度梯度分别加入培养液和
CdCl2 。试验结果采用 F值方差分析法进行显著性差异分
析。取 α=0.05,此时 F>19时 ,有显著性差异;F≤19时 ,无
显著性差异。
表 1　Cd2+胁迫条件下无机氮磷变化对江蓠吸附、吸收和积累重金属镉
特性影响试验分组
Table1　TheexperimentgroupingoftheeffectonGracilariasresorp-
tion, absorptionandaccumulationwithregardtoCd2+ when
itsundertheinteractionofinorganicnitrogenandphosphor-
usandthestressofheavymetalcadmium μmol/L
组号
GroupNo. N P
组号
GroupNo. N P
1 0 216 5 560 216
2 0 0 6 560 56
3 2 160 0 7 0 56
4 560 0 8 2 160 56
　注:Cd2+均为 0.5mg/L。
　Note:Cd2+ alare0.5mg/L.
1.2.1　江蓠对水体中重金属离子 Cd2+去除效率的测定。培
责任编辑　张杨林　责任校对　李岩安徽农业科学 , JournalofAnhuiAgri.Sci.2010, 38(23):12676-12678
养后的第 1、3、5、7天 ,取各组水样 5 ml,密封保存 ,用等离子
发射光谱仪(VistaMPX)测定水体中重金属离子的含量 。江
蓠对水体中重金属去除率按以下公式计算:去除率(%)=
(重金属离子的起始浓度 -培养后重金属离子的浓度)/重金
属离子起始浓度 ×100。
1.2.2　江蓠对水体中重金属离子 Cd2+吸附效应的测定 。按
“1.2.1”方法取样并测定后 ,计算江蓠对水体中不同重金属
离子吸附效应 。计算公式为:江蓠对重金属离子的吸附量
(mg/gFW)=(重金属离子的起始浓度 -培养后重金属的浓
度)×500ml/江蓠质量。
1.2.3　重金属离子 Cd2+在江蓠体内积累量的测定。取新鲜
的藻体样品 1 g,先用自来水和蒸馏水分别冲洗 ,然后用 5
mmol/L的 EDTA浸泡清洗 ,最后用去离子水洗净 ,研磨粉
碎 ,样品采用 HNO3-HClO4湿法消化后 ,用等离子发射光谱
仪(VistaMPX)测定各重金属离子的含量。
2　结果与分析
2.1　氮 、磷浓度变化对江蓠对水体中重金属离子 Cd2+去除
率的影响　由表 2可知 ,当磷盐浓度为 0 μmol/L时 ,第 4组
的重金属 Cd2+去除率显著高于第 2组和第 3组(P<0.05),
第 2组的重金属 Cd2+去除率显著低于第 3组和第 4组(P<
0.05);当磷盐浓度为 56 μmol/L时 ,第 6组的重金属 Cd2+去
除率显著高于第 7组和第 8组(P<0.05),第 7组的重金属
Cd2+去除率显著低于第 8组和第 6组(P<0.05),这说明随
着氮盐浓度的升高 ,江蓠对水体中重金属 Cd2+去除率呈先
上升后下降的趋势。当氮盐浓度为 0 μmol/L时 ,第 7组的
重金属 Cd2+去除率显著高于第 1组和第 2组(P<0.05),第
2组的重金属 Cd2+去除率显著低于第 1组和第 7组(P<
0.05);当氮盐浓度为 560 μmol/L时 ,第 6组的重金属 Cd2+
去除率显著高于第 4组和第 5组(P<0.05),第 5组的重金
属 Cd2+去除率显著低于第 4组和第 6组(P<0.05),这说明
随着磷盐浓度的升高 ,江蓠对水体中重金属 Cd2+去除率也
呈先上升后下降的趋势。此外 ,第 6组 、第 7组和第 8组的
重金属 Cd2+去除率显著高于第 4组 、第 2组和第 3组(P<
0.05);第 4组 、第 5组和第 6组的重金属Cd2+去除率显著
表 2　氮磷浓度变化对江蓠对水体中重金属 Cd2+去除率、吸附效应和
积累量的影响
Table2　TheeffectonGracilariasremovalefficacy, adsorptionandac-
cumulationwithregardtoCd2+ inthewaterwhenthecon-
centrationofnitrogenorphosphoruschanges
组号
GroupNo.
去除率∥%
Removalrate
吸附量∥mg/gFW
Adsorption
积累量∥mg/L
Accumulation
1 22.60±1.13g 0.410±0.013c 0.390±0.019e
2 20.60±1.02h 0.170±0.008h 0.240±0.012f
3 34.10±1.47e 0.260±0.012f 0.090±0.004h
4 43.80±2.15bc 0.330±0.017de 0.470±0.022b
5 26.90±1.35f 0.210±0.011g 0.400±0.019de
6 64.20±3.21a 0.470±0.027a 0.490±0.024a
7 39.80±1.54d 0.440±0.022b 0.420±0.022c
8 43.20±2.15c 0.320±0.018e 0.180±0.009g
　注:同列数据后不同小写字母表示在 0.05水平存在差异。
　Note:Diferentlowercasesinthesamecolumnstandfordiferencesat0.05
level.
高于第 2组 、第 1组和第 7组(P<0.05),这说明同时加入氮
磷对加强江蓠对金属 Cd2+的去除率效果更明显。
　　大量 Cd2+主要被江蓠藻体的细胞壁吸附 ,这是因为植
物的细胞壁是阻挡污染物的第一道屏障 ,细胞壁中的果胶质
成分如多聚糖醛酸和纤维素分子中的羧基 、醛基等都为污染
物提供了大量的交换位点 [ 1] 。由于 Cd2+的配位能力较强 ,
因此大部分 Cd2+都被表皮细胞阻挡 ,不易透过细胞壁和质
膜进入细胞液中。而氮磷营养元素是藻体壁细胞再生的必
需元素 ,所以加入适当的氮磷营养元素有利于江蓠藻体保持
细胞壁的健康活性 ,抵御重金属离子的毒害 ,故能增强江蓠
对水体中 Cd2+的去除率。
2.2　氮 、磷浓度变化对江蓠对水体中重金属离子 Cd2+吸附
效应的影响　由表 2可知 ,当磷盐浓度为 0 μmol/L时 ,第 4
组的重金属 Cd2+吸附量显著高于第 2组和第 3组(P<
0.05),第 2组的重金属 Cd2+吸附量显著低于第 3组和第 4
组(P<0.05);当磷盐浓度为 56μmol/L时 ,第 6组的重金属
Cd2+吸附量显著高于第 7组和第 8组(P<0.05),第 8组的
重金属 Cd2+吸附量显著低于第 7组和第 6组(P<0.05),这
说明随着氮盐浓度的升高 ,江蓠对水体中重金属 Cd2+吸附
量呈先上升后下降的趋势。当氮盐浓度为 0 μmol/L时 ,第 7
组的重金属 Cd2+吸附量显著高于第 1组和第 2组(P<
0.05),第 2组的重金属 Cd2+吸附量显著低于第 1组和第 7
组(P<0.05);当氮盐浓度为 560 μmol/L时 ,第 6组的重金
属 Cd2+吸附量显著高于第 4组和第 5组(P<0.05),第 5组
的重金属 Cd2+吸附量显著低于第 4组和第 6组(P<0.05),
这说明随着磷盐浓度的升高 ,江蓠对水体中重金属 Cd2+去
除率也呈先上升后下降的趋势 。此外 ,第 6组 、第 7组和第 8
组的重金属 Cd2+吸附量显著高于第 4组 、第 2组和第 3组(P
<0.05);第 4组 、第 6组的重金属 Cd2+吸附量显著高于第 2
组和第 7组(P<0.05),这说明同时加入氮磷更有利于提高
江蓠对金属 Cd2+的吸附效应。
在多数情况下 , 80% ～ 90%的重金属被吸附到藻细胞表
面 [ 2-3] 。藻类细胞壁含有一些功能基团如羟基 、羧基 、氨基 、
巯基和磷酸根等 [ 4-5] ,因而细胞壁带负电荷 ,通过离子交换
或其他机制可以与水中的重金属离子结合。此外重金属能
与藻类细胞的胞外成分结合 ,从而减少了进入胞内的重金属
离子数量 ,使胞内细胞器免受重金属的毒害。Cd2+被江蓠吸
收后 ,大部分由藻体细胞壁和质膜吸附 ,小部分透过细胞壁
和质膜进入藻体细胞内。藻体细胞壁是抵御重金属离子毒
害的最主要防线。当水体中重金属离子浓度过高时 ,藻体细
胞壁吸附重金属离子达到饱和 ,剩余的大量重金属离子则通
过了细胞壁侵入藻体内 ,对其造成毒害。故壁细胞再生对于
抵抗重金属毒害有十分重要的意义 [ 6] 。而壁细胞再生则需
要藻体摄入大量的氮源与磷源。因此加入适当的氮磷营养
元素有利于保护藻体的细胞壁 ,增强其吸附重金属离子的
能力。
2.3　氮 、磷浓度变化对江蓠体内重金属 Cd2+积累量的影
响　由表 2可知 ,当磷盐浓度为 0 μmol/L时 ,第 4组的重金
属 Cd2+积累量显著高于第 2组和第 3组(P<0.05),第 3组
的重金属 Cd2+积累量显著低于第 2组和第 4组(P<0.05);
1267738卷 23期　　　　　　　　　　　　　　　　张皓　江蓠对重金属镉的吸附·吸收和积累特性研究
当磷盐浓度为 56 μmol/L时 ,第 6组的重金属 Cd2+积累量显
著高于第 7组和第 8组(P<0.05),第 8组的重金属 Cd2+积
累量显著低于第 7组和第 6组(P<0.05),这说明随着氮盐
浓度的升高 ,江蓠对水体中重金属 Cd2+积累量呈先上升后
下降的趋势。当氮盐浓度为 0μmol/L,第 7组的重金属 Cd2+
积累量显著高于第 1组和第 2组(P<0.05),第 2组的重金
属 Cd2+积累量显著低于第 1组和第 7组(P<0.05);当氮盐
浓度为 560μmol/L时 ,第 6组的重金属 Cd2+积累量显著高
于第 4组和第 5组(P<0.05),第 5组的重金属 Cd2+积累量
显著低于第 4组和第 6组(P<0.05),这说明随着磷盐浓度
的升高 ,江蓠对水体中重金属 Cd2+去除率也呈先上升后下
降的趋势。此外 ,第 6组 、第 7组和第 8组的重金属 Cd2+积
累量显著高于第 4组 、第 2组和第 3组(P<0.05);第 4组 、
第 6组的重金属 Cd2+积累量显著高于第 2组和第 7组(P<
0.05),这说明同时加入氮磷更有利于提高江蓠体内重金属
Cd2+的积累量。
Cd2+被江蓠吸收后 ,大部分被细胞壁吸附 ,仅少量向细
胞内转移。而进入细胞的一部分 Cd2+会与谷胱苷肽和类金
属硫蛋白等结合 ,生成无毒的金属络合物 ,再随藻体的生理
代谢排出体外 [ 7] 。另一部分则沉积在藻体细胞内 ,对细胞产
生毒害作用。而藻体本身具有一定的耐金属离子抗性 ,当体
内金属离子浓度超过其耐受程度时 ,藻体就会死亡。当藻体
生理活性较低时 ,各类代谢不能正常进行 ,进入体内的 Cd2+
无法顺利被结合成金属络合物排出体外 ,故大量离子被沉积
在体内 ,很容易达到藻体耐受上限 。而加入适当浓度的氮
磷 ,为藻体提供了生长和生理代谢必需的营养元素 ,使体内
各类代谢得以正常运行 ,谷胱甘肽及类金属硫蛋白等物质被
顺利合成 ,进入藻体的 Cd2+可以顺利地被结合成无毒金属
络合物 ,减轻了 Cd2+对藻体的毒害作用 ,也增加了江蓠对
Cd2+的积累量。
3　结论与讨论
镉在土壤 、空气 、水和生物系统中以微量存在 ,地壳中镉
的平均含量为 0.15 ～ 0.20 mg/kg,空气中为 0.002 ～ 0.050
μg/m3[ 8-9] 。正常条件下 ,植物体内 Cd2+含量很低 ,一般不
超过 1mg/kg。由于自然因素和人类活动 , Cd2+施放量日益
增加 , Cd2+进入生物圈的速率约为每年 30 000 t;同时酸雨作
用使得土壤 Cd2+的可溶性增加 ,导致土壤 Cd2+毒性增
强 [ 10] 。区域性的土壤 Cd2+污染严重 ,直接导致农作物减产
和高 Cd2+积累 , Cd2+经食物链进入人体 ,则危害人类健康 ,
甚至引发公害病 “骨痛病 ”[ 11] 。大型藻类本身具有较强的耐
金属能力 ,能大量吸附金属离子 ,因此利用其吸附回收废水
中金属离子的技术作为一种生物吸附方法是近年来热门研
究的项目 ,这也是目前国外研究较多的一种处理重金属污染
的新方法。因为藻类具有吸附容量大 、选择性强 、效率高 、消
耗少 ,并能有效处理含低浓度重金属离子废水等优点而值得
推广应用。廉价而蕴藏丰富的海藻对多种金属表现出很强
的吸附能力 ,对藻类吸附及回收工业废水中金属的研究 ,不
仅具有理论的意义 ,而且具有广泛的应用前景 ,展开藻类生
物吸附剂的研究无疑具有很高的经济价值与社会效益。海
藻吸附重金属离子的效率是受到一些条件制约的 ,这包括生
物体特殊的表面结构与性质 ,溶液的物理化学特性如 pH值 、
温度 、金属离子浓度 、离子强度等 ,对于活性生物体还取决于
某些生理条件 ,如某些重金属的吸附可能与某些酶的参与有
关。已有的研究表明 ,具有生物活性的生物体及非活性生物
体均具有较强的生物吸附性能 [ 12] 。但较非活性生物 ,活性
生物具有更大的应用局限性。除去以上所述条件外 ,营养因
子对活性生物吸附重金属能力具有重要影响。而该研究选
用江蓠作为试验材料 ,通过氮磷浓度变化对江蓠对金属镉离
子吸收吸附积累效率的研究 ,直观地了解了江蓠对重金属镉
的耐受性及净化效率。试验结果表明 ,适当的氮盐浓度或磷
盐浓度均有利于提高江蓠对 Cd2+的去除率 、吸附效应和积
累量 ,而同时加入氮磷效果更为显著。当然 ,营养元素的加
入主要是通过在藻体内一系列生理生化反应帮助藻体建立
一系列抗金属离子的生理机制 ,从而达到净化水体中重金属
离子的效果 ,这方面的研究尚未进行 ,需进一步深入探讨。
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