全 文 ：·控制技术· doi:10.3969 /j.issn.1674-6732.2011.01.014
收稿日期:2010-02-14;修订日期:2010-04-06
作者简介:张皓(1984—),男 , 助理工程师 ,硕士 ,从事环境生物监
测与研究工作。
江蓠对水体重金属铅镍的蓄积及生物修复研究
张 皓
(常州市环境监测中心站 ,江苏 常州 213001)
摘 要:以活体细基江篱繁枝变型(Gracilariatunuistipitatavar)作为研究材料 , 以 Pb、 Ni重金属离子为污染因子 , 通过室内
静态模拟实验 , 综合利用等离子发射光谱仪 , 超速离心机 ,差速离心机等实验手段研究在单一离子污染胁迫下 , 江蓠对 Pb、
Ni重金属离子的短期去除效果 , 各重金属离子在其体内蓄积效应 , 江蓠质外体 、共质体以及江蓠各功能细胞器中重金属离
子的分布情况。初步评价江蓠对重金属的净化效果 ,以及对单一重金属离子 Pb、 Ni的体内蓄积效应 , 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修复中的实际应用奠定基础。
关键词:细基江篱繁枝变型;Pb;Ni;生物修复
中图分类号:X506 文献标识码:A 文章编号:1674-6732(2011)-01-0048-06
TheCumulationandBiologicRestoretiontoPb, NibyGracilariaintheWater
ZHANGHao
(ChangzhouEnvironmentalMonitoringCentralStation, Changzhou, Jiangsu213001, China)
ABSTRACT:ThisresearchusesGracilariatunuistipitataVarasaresearchmaterialandusesPb, Niaspolutants, throughaseries
ofexperimentssuchastheindoorstaticsimulationexperiment, comprehensiveutilizationofplasma-atomicemissionspectrometer,
highspeedcentrifuge, anddiferentialspeedcentrifugeexperimentalmethods.Comparativestudyontheremovalofshort-term
effectsofGracilariatoPb, Ni, theaccumulationeffectofheavymetalionsinthebodyofGracilariaandthedistributionofheavy
metalionsinGracilariasapoplastandsymplastfromdiferentanglesinasingleheavymetalionspolutionstressofPb, Nihasbeen
studied.EvaluationofthepurifyingefectofGracilariatoheavymetalaswelastheaccumulationefectinvivoofasingleheavy
metalionaboutPb, Niisperformedsoastolaythefoundationforthefurtherexplorationofthephysiologicalandbiochemicalad-
sorptionmechanismsofGracilariatoheavymetalsanditspracticalapplicationinheavymetalpollutioninenvironmentalrecovery.
KEYWORDS:Gracilariatunuistipitatavar;Pb;Ni;bioremediation
随着社会经济的发展 ,铅镍等重金属的排放十
分普遍 ,导致环境中的重金属含量大大超标 ,给人
们的生活和健康带来极大危害 ,环境中重金属污染
的修复研究已成为当前比较活跃的领域之一[ 1] 。
由于重金属的自然净化过程十分漫长 ,人们相继提
出了化学修复 、物理和工程等人工净化修复手段 ,
但效果不尽如人意 [ 2] 。生物修复作为一门新兴技
术 ,由于具有明显的生态效益 、经济效益和景观功
能 ,商品化的植物修复系统已被应用于污染水体 、
土壤和沉积物的治理 ,在近海污染修复方面也显现
了广阔的应用前景[ 3] 。
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 。利用藻类修复重金属
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 ,而且可以选择性去除低浓度
重金属 ,尤其是一般方法不易去除的重金属 ,具
有显著而独特的环境生态效益 。以活体细基江
篱繁枝变型(Gracilariatunuistipitatavar)作为研究
材料 ,从不同角度比较研究其在单一重金属离子
Pb、 Ni污染胁迫下 ,江蓠对 Pb、 Ni重金属离子的
短期去除效果 、各重金属离子在其体内蓄积效
应 、江蓠质外体 、共质体以及江蓠各功能细胞器
中重金属离子的分布情况 。初步评价江蓠对重
金属的净化效果 ,以及对单一重金属离子 Pb、 Ni
的体内蓄积效应 ,从而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
的实际应用奠定基础 。
—48—
第 3卷 第 1期
2011年 2月
环 境 监 控 与 预 警
EnvironmentalMonitoringandForewarning
Vol.3, No.1
February2011
1 材料与方法
1.1 供试材料
将购买的新鲜细基江篱繁枝变型(Gracilaria-
tenuistipitatavar)移入装有海水的培养箱(50 cm×
30cm×40cm)中 ,培养期间保持海水的质量密度
在 1.015 ～ 1.020kg/L之间 ,添加必要的营养盐和
维生素 ,用适量碳酸氢钠盐或稀盐酸调节 pH值在
7.8 ～ 8.5之间 ,采用恒温加热棒调节江蓠的培养
水温将至 20 ～ 25℃,光照 4 000lx(L∶D=12∶12)。
每天早晚轻微搅动江蓠和海水 ,使江蓠接受均匀的
光照 ,正常生长。挑选粗壮 ,分枝繁茂整齐 ,颜色较
浓 ,且藻体完整 ,无损伤腐烂现象的江蓠进行实验
研究。
1.2 处理试验
本实验研究江蓠对单一 Pb、 Ni重金属离子的
短期去除效果 ,各重金属离子在其体内蓄积效应 ,
江蓠质外体 、共质体以及江蓠各功能细胞器中重金
属离子的分布情况。
将单一 Pb、 Ni重金属离子均设为 5个处理组
和 1个空白对照组 ,每组设 3个重复 ,质量浓度梯
度为 0, 0.05, 0.5 , 2.5, 5, 10mg/L。Pb和 Ni分
别以 PbCl2和 NiCl2· 6H2O形式添加 。实验各组
均精确称取鲜活江蓠 3.0±0.05g,放入含有藻类
培养液的 500 mL海水和相应浓度梯度 Pb、 Ni离
子的三角瓶内 ,同一光照培养箱中恒温培养 ,培养
条件为:光照 4 000 lx(L∶D=12∶12),温度 25℃,
盐度 25左右 , pH7.5±0.2,每 2天加入 2/f营养
盐 ,早晚各摇荡 1次。每天监测并调节 pH值至适
宜范围 。
1.3 江蓠形态学观察
从处理当天开始 ,每天观察江蓠在不同浓度的
重金属离子处理下外表形态的变化。
1.4 江蓠鲜重测定
在各处理第 1 d和第 7 d,用吸水纸吸干江蓠
体表水分 ,称其质量 ,记录 。
1.5 江蓠细胞膜透性测定
参照李振国的方法 ,取同一部位的藻体 ,用去
离子水冲洗干净 ,称取 0.1 g藻体装入三角瓶中 ,
加去离子水 20mL浸没样品 ,真空泵反复抽气 3 ～
4次 ,使藻体完全浸入水中 ,在 25℃温度条件下震
荡保温 2 ～ 3h,测定电导率 EC1 ,然后在沸水浴中
煮沸 15 min,冷却后测定电导率 EC2 ,电解质的相
对外渗率(%)=(EC1 /EC2)×100[ 4] 。
1.6 江蓠对水体中 Pb和 Ni重金属离子去除效率
测定
培养后的第 1 , 3, 5, 7d,取各组水样 5mL,密
封保存 ,用等离子发射光谱仪(VistaMPX)测定水
体中各重金属离子的含量 。
江蓠对水体中各重金属去除率 (%)=
(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。
1.7 江蓠对水体中 Pb和 Ni重金属离子吸附效应
测定
按 1.6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 。
江蓠对各重金属离子的吸附量(mg/g)=
(重金属离子的起始浓度 -培养后重金属的
浓度)×500 mL/江蓠质量(g),质量以湿重
表示。
1.8 Pb和 Ni重金属离子在江蓠体内的积累量
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 5mmol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 (Vista
MPX)测定各重金属离子的含量 。
1.9 Pb和 Ni重金属离子在江蓠质外体 、共质体
中积累量的测定
参照 BIPASHA和 SHEELA方法[ 5]区分江蓠质
外体(以细胞壁为主)、共质体(以细胞质 、液泡为
主)组分。称新鲜样品 0.5 g,加入 1 mL0.1mol/L
Tris-HCl缓冲液(pH=7.0),置于冰上研磨均匀 ,
匀液在10 000g、 4℃下离心 20min,沉淀为质外体
组分 ,上清液为共质体组分。以上各组分采用
HNO3 -HClO4湿法消化后用等离子发射光谱仪测
定各重金属离子的含量。
1.10 Pb和 Ni重金属离子在江蓠各功能细胞器
中的分布
取新鲜的江蓠样品 0.5 g,参照 BROOKS等差
速离心法 [ 6]区分各功能细胞器组分。将新鲜样品
加入 0.1mol/LTris-HCl缓冲液(pH=7.5,料液比
1∶10)研磨匀液 ,匀液在 200 g下离心 2min, 4层
纱布过滤。去滤液在 1 500g下离心 10min,沉淀为
叶绿体部分 ,取上清液在 5 000g下离心 20min,沉
淀为细胞核部分 ,取 2次上清液在 10 000g下离心
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第 3卷 第 1期 张 皓.江蓠对水体重金属铅镍的蓄积及生物修复研究 2011年 2月
60min,沉淀为线粒体部分 , 3次上清液在 100 000g
下离心 3 h,沉淀为核糖体部分。以上各部分 (叶
绿体 、细胞核 、线粒体 、核糖体)处理样品在等离子
发射光谱仪上测定各重金属离子的含量。
所有待测样品均平行检测 3次取平均值。数
据用统计软件 Excel2003和 SPSS13.0处理 ,进行
显著性检验(p<0.05, n=3)。
2 结果与分析
2.1 Pb和 Ni重金属离子对江蓠外观形态的影响
江蓠外观形态的变化是反映江蓠受重金属胁
迫的最直观指标 ,综合分析实验 7d期间江蓠外观
形态的变化可以比较这 4种重金属离子对江蓠毒
害的影响。经过 7d的连续观察发现 , Ni各浓度梯
度处理组的藻体外观形态基本没有什么变化;而对
于 Pb,在 0 ～ 2.5mg/L处质量浓度范围内 ,江蓠的
外观形态没有显著性影响 ,在 2.5 ～ 5mg/L处质量
浓度范围内 ,从第 3d开始 ,江蓠体开始受到毒害 ,
主支开始变黄变细 ,分支开始变白变细 ,在 10mg/
L的 Pb处理 6d时 ,江蓠的主支部分已经变黄 ,分
支部分变白 ,并开始脱落。
2.2 Pb和 Ni重金属离子对江蓠鲜重的影响
由图 1可以发现 ,在不同浓度的 Pb和 Ni处
理相同鲜重的江蓠 7d后 , Pb对江蓠鲜重的影响
较大;Ni对江蓠鲜重的影响较小 ,在各浓度处理
中 ,未发生显著性影响 ,与对照组无显著性变化
(p>0.05)。对于 Pb处理 , 在质量浓度为 0 ～
5mg/L的范围内 ,对江蓠的鲜重影响不大 ,在 10
mg/LPb处理时 ,发生了显著性的变化 ,鲜重只有
对照组的 86%(p<0.05)。
图 1 不同浓度的铅和镍胁迫对江蓠鲜重的影响
2.3 Pb和 Ni重金属离子对江蓠细胞膜透性的
影响
细胞膜透性的测定常作为植物抗性研究中的
一个重要生理指标。实验结果如图 2所示 ,江蓠在
不同浓度的 Pb和 Ni重金属离子处理 7d后 ,细胞
膜透性均有所变大 , Ni处理对江蓠细胞膜透性的
影响很小 ,与对照组无显著性变化(p>0.05);在
Pb质量浓度达 2.5 ～ 10mg/L范围内 ,细胞膜透性
发生了显著性变化(p<0.05)。
图 2 不同浓度的铅和镍胁迫对江蓠细胞膜透性影响
2.4 江蓠对水体中 Pb和 Ni重金属离子的去除
效率
图 3显示了江蓠对水体中 Pb、 Ni的去除效果
随培养时间而变化的情况 。可以看出 ,江蓠能够一
定程度地吸收水体中的 Pb和 Ni, 随着时间的延
长 ,水体中重金属离子浓度量呈下降趋势并逐渐趋
于稳定。其去除水体中重金属的能力与重金属的
种类有关 ,对于 Pb、 Ni离子表现出不同的吸收能
力。江蓠对重金属离子的去除效果与重金属离子
的浓度相关 ,在低质量浓度(0.05 mg/L)下 ,江蓠
对 Pb和 Ni1d后的去除率就分别达到了 92.8%、
91.09%, 7d后分别达到 93.19%、 92.98%, 对 2
图 3 江蓠对水体中铅(a)和镍(b)的去除效果
—50—
第 3卷 第 1期 张 皓.江蓠对水体重金属铅镍的蓄积及生物修复研究 2011年 2月
种重金属离子的去除效果基本一致 ,均有很好的效
果 。但水体中重金属离子质量浓度较高 (10 mg/
L)时 ,江蓠对这 2种重金属离子的去除效果有了
明显变化 , 7d后江蓠对 Pb和 Ni的累积去除率分
别为 64.32%和 41.97%,这可能与各重金属元素
的结构和化学性质有关。
2.5 江蓠对水体中 Pb和 Ni重金属离子的吸附量
实验研究了江蓠对 Pb、 Ni离子处理 7 d时的
吸附量 ,由图 4可见 ,在低质量浓度(0.05 mg/L)
重金属离子情况下 ,江蓠对 Pb、 Ni的吸附量分别
为 0.007 76, 0.007 74mg/gFW。对 Pb和 Ni的吸
附量基本一致(p>0.05)。而在较高重金属离子
质量浓度(10mg/L)下 ,江蓠对 Pb和 Ni的累积吸
附量分别为 1.072, 0.699mg/gFW,其吸附效果的
变化显著(p<0.05)。
图 4 江蓠对不同浓度铅和镍的吸附量
2.6 Pb和 Ni重金属离子在江蓠体内的积蓄
Pb和 Ni在江蓠体内的蓄积量见图 5, 2种重
金属离子在江蓠体内的积蓄量均随着溶液中重金
属离子的浓度增加而增大 ,低质量浓度下(0.05
mg/L),江蓠体内对 Pb和 Ni的蓄积量基本相同;
但在较高质量浓度(10 mg/L)时 ,江蓠对 Pb的蓄
积量大于对 Ni的蓄积量 。
图 5 不同浓度的铅和镍在江蓠体内的蓄积
2.7 Pb和 Ni重金属离子在江蓠质外体 、共质体
中的积蓄
图 6反映了江蓠质外体和共质体对 Pb和 Ni
的蓄积情况 。江蓠质外体对 2种重金属离子的蓄
积趋势和江蓠体内对各重金属离子的积累趋势基
本相同 ,均随处理浓度的提高而逐渐提高 ,呈直线
上升趋势。共质体对这 2种重金属离子的蓄积呈
饱和动力学曲线趋势;质外体中的重金属离子的含
量远大于共质体 ,说明江蓠对重金属的蓄积主要以
质外体为主 。这可能是由于江蓠质外体与共质体
对各种重金属离子的积累存在着不同的机制 。质
外体主要包括细胞壁 、细胞间隙 ,其对重金属离子
的积累以电化学势梯度介导的扩散方式为主 。共
质体对重金属离子的积累可能以载体蛋白介导的
协助扩散或主动吸收为主 ,因载体蛋白数量的限制
而呈饱和现象 [ 7] 。江蓠质外体 、共质体对 Pb和 Ni
的积蓄趋势基本相同 。但蓄积量是不一样的 ,质外
体对 Pb积蓄能力大于对 Ni积蓄能力。
图 6 不同浓度的铅和镍在江蓠质外体(a)、
共质体(b)中的积蓄
2.8 Pb和 Ni重金属离子在江蓠各功能细胞器中
的分布
具有光合作用的叶绿体 、遗传物质主要贮存部
位的细胞核 、进行呼吸作用的线粒体以及蛋白质合
成工厂核糖体 ,由于其生理功能的重要性 ,在重金
属的离子稳态平衡研究中越来越受到重视 [ 8] 。本
实验研究了江蓠在 5 mg/L的重金属离子中处理
7d时 ,在不同功能的细胞器中的 Pb和 Ni的分布
情况(图 7)。可以看出 , Pb分布在江蓠体内叶绿
—51—
第 3卷 第 1期 张 皓.江蓠对水体重金属铅镍的蓄积及生物修复研究 2011年 2月
体中的含量最高 ,核糖体中次之 ,线粒体及细胞核
中最少 。Ni分布在江蓠体内叶绿体和核糖体的含
量基本相同 ,在线粒体及细胞核中的含量也较叶绿
体和核糖体少 ,表明 Pb和 Ni在江蓠体内细胞质中
的各功能细胞器中的分布主要集中在叶绿体和核
糖体中 ,这将对江蓠的光合作用和蛋白质的合成造
成较大影响 。
图 7 铅和镍在江蓠各功能细胞器中的分布
3 讨论
利用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 ,可以选
择性去除低浓度重金属 ,尤其是一般方法不易去除
的重金属 ,具有显著而独特的环境生态效益[ 9] 。
实验生物大型海藻江蓠具有适应性强 、生长快 、产
量高 、栽培方法简单 ,容易推广等优点。在重金属
对江蓠生长的影响研究中 ,实验观察分析 7d时江
蓠外观形态 、鲜重 、细胞膜透性的变化 ,可以初步反
映各重金属对江蓠生长的影响 。结果表明 , Pb对
江蓠的生长影响较 Ni对江蓠的生长影响大 。
(1)通过江蓠对水体中 2种重金属离子的去
除效率的研究 ,在低质量浓度(0.05 mg/L)下 ,江
蓠对 Pb和 Ni1d后的去除率就分别达到了
92.8%、 91.09%。表明江蓠对低浓度重金属污染
的废水有良好的短期修复效果 ,为目前比较棘手的
低浓度重金属污染的治理途径提供了理论参数 。
(2)经 7 d吸附效应比较 ,江蓠对 Pb的吸附
能力大于对 Ni的吸附能力 ,与目前很多相关的研
究结果 [ 10-13]相吻合。说明 Pb具有很强的配位能
力 ,能与生物大分子的众多配位点结合 ,迅速生成
金属有机配合物 ,亲脂性较强 ,很容易穿过细胞膜
直接进入有机体内 ,与酶 、谷胱胺肽 、类金属硫蛋白
和叶绿素等结合;而 Ni与其他重金属离子相比 ,是
一种反抗性较强的污染物 ,可能在生物吸附过程中
形成的离子结构的空间阻碍 ,因此很多对其他重金
属离子具有较强吸附能力的微藻对 Ni的结合力却
很低 。
(3)在重金属胁迫下 ,植物细胞膜的修复在其
对重金属的解毒过程起到十分重要的作用 。本次
实验发现 ,不同浓度的 Pb和 Ni对江蓠细胞膜透性
都有一定的影响 ,其中 Pb表现较为严重 。这与
SALT和 SILVER的研究结果相吻合 [ 14, 15] ,说明在
细胞膜质上存在一些蛋白可将特定的重金属转移
到细胞内 ,而另一些蛋白能将一些重金属转运至细
胞外 , 2者的相互作用调控着细胞内外重金属的稳
态平衡;同时也验证了另外一些学者研究得出的结
论 ,认为细胞质膜上的一些蛋白 ,如 YCF1(依赖于
ATP膜蛋白转运家族的一种)、ZntA(一种 Pb、 Cd、
Zn转运的 ATPase)对重金属离子有排斥作用 ,阻
止了重金属 Pb和 Ni进入原生质[ 16-18] 。这也说明
了江蓠体内可能也存在着这样类型的蛋白而使共
质体中的重金属离子比质外体中含量要少得多。
4 结论
通过本实验研究发现江蓠对低浓度 Pb和 Ni
重金属污染的废水有良好的短期修复效果 ,为目前
比较棘手的低浓度重金属污染的治理途径提供了
理论参数。从江蓠对各重金属的耐性来看 ,江蓠对
Ni的耐性较对 Pb的耐性好;而从江蓠对各重金属
的积累量来看 ,对 Pb的积累量大于对 Ni的积累
量。说明江蓠对不同的重金属有不同的积累机制 ,
这和江蓠在耐重金属污染的生理生化机制密切相
关。而目前对于各重金属离子以何种方式同江蓠
细胞壁的那些物质结合尚不清楚。仍需要不懈地
深入研究。江蓠对各重金属的积蓄和在质外体 、共
质体中的分布协调统一 ,开展江蓠体内重金属离子
稳态平衡的研究工作 ,对江蓠修复重金属水体污染
具有十分重要的理论意义 。
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(本栏目编辑 熊光陵)
(上接第 43页)
水库支流入口处 ,也建有一些规模 、面积 、数量较小的
工程。在资金允许的情况下 ,水库上游各支流适当建
立一定数量和规模的河塘 、溪坝 、半人工自然型湿地 ,
利用其特有功能来净化或拦截水中的氮 、磷物质。
3.4 加快引水工程建设
保持高水位对水体置换和控制营养元素具有
积极的作用。 2004年 7月之前 ,由于水库年久失
修 ,水位较低 ,水质逐年下降。水库大坝加固维修
之后 ,水量增加 ,水质明显得到改善。因此加快饮
水工程建设 ,引水进库 ,加快换水周期 ,是改善水质
的有效方法 。
3.5 疏浚底泥
疏挖底泥污染源 ,在湖泊富营养化治理方面有
一定的作用 ,国内外科技工作者对此方面的研究也
较多 ,但这一方法在大型湖泊 、水库处理过程中 ,由
于往往疏挖不彻底 ,所以效果不十分理想 。杭州市
政府曾经对西湖采用这一方法 ,但效果甚微[ 4] 。
同时考虑到水库的特殊功能 ———以饮用水源水为
主 ,在工程方面投资也较大 ,据估算 ,去除底泥费用
需要 4 ～ 5亿元 ,所以这一工程要全面考虑 ,细致规
划 。另外 ,可增建水库自动排泥沙工程。
3.6 进一步削减工业点源和农业面源
虽然库区上游企业较少 ,但仍有几家老企业 ,
因此应加强对企业的监管力度 ,尽一切可能减少污
染物的排放量。
集雨面积内有近 30 km2土地 ,农业生产面源
也不可忽视 。要控制生产面源 ,在这一区域尽快开
展农业生态建设 。提高农民的农业科学知识 ,以此
来带动科学生产 、合理施肥 、少用农药 ,这样有助于
减少农业面源污染。
3.7 加强旅游业的环境管理
随着库区生态的改善 ,旅游业也开始兴起 ,所
以一定要防止旅游业带来的生活源直接污染水体 。
旅游业开发一定要有计划 ,规模大小不能超出环境
承载容量。要加强对游客废弃物的管理 ,及时收集
污染物并运出库区。改善或更换现有交通工具 ,防
止有机污染 。
3.8 生物控制
在库内用水生生物控制富营养化 、藻类的方
法 ,国内外学者也有较多研究 ,常用的方法有放养
鲢鱼 、鳙鱼和一些沉水植物。一定密度和比例的鲢
鱼 、鳙鱼能有效去除某些藻类 [ 5] 。在库内浅水区
种植一些沉水植物 ,也能有效吸收底质中的营养
素 ,减少底质与水体某些物质的循环。
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(本栏目编辑 周立平)
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第 3卷 第 1期 张 皓.江蓠对水体重金属铅镍的蓄积及生物修复研究 2011年 2月