全 文 ：第 33卷第 8期
2008年 8月
环境科学与管理
ENVIRONMENTALSCIENCEANDMANAGEMENT
Vol.33 No.8
Aug.2008
收稿日期:2008-05-08
基金项目:国家自然科学基金项目(30271029);中国水产科学院渔业
水体净化技术和系统研究重点开放实验室开放基金(FWT
-200703)资助
作者简介:魏海峰(1978-),男,硕士 ,讲师 ,主要从事水环境科学研究。
文章编号:1673-1212(2008)08-0051-03
孔石莼(Ulvapertusa)对铅 、铜 、镉的吸收
魏海峰1 , 2, 3 ,刘长发 2, 3 ,张俊新2, 3 ,刘恒明 2, 3
(1.大连水产学院海洋环境工程学院 ,辽宁大连 116023;2.中国水产科学院渔业水体净化技术和
系统研究重点开放实验室 ,上海 200092;3.辽宁省高校近岸海洋环境科学与技术重点实验室 ,辽宁大连 116023)
摘　要:研究了大型藻孔石莼对铅 、铜和镉的吸收动力学和热力学过程。结果表明 , 暴露于不同浓度的重金属
体系中的孔石莼对铅 、铜和镉的积累量随着水相中的游离态浓度的增加而增加 ,可以用 Langmuir吸附等温式从
热力学平衡角度加以描述 ,铅和镉饱和结合量分别为:0.715 mg/g干重 , Cd2+为 0.037 mg/g干重;在孔石莼对
铜(0.056 mg/L)吸收动力学浓度的实验中 , 第 4天达到了吸收平衡 ,蓄积量为对照组的 9.01倍;在镉暴露浓度
为 0.028 mg/L的实验中 ,第 5天达吸收平衡 , 蓄积量为对照组的 5.06倍。
关键词:孔石莼;重金属;吸收;积累
中图分类号:X75 文献标识码:A
TheUptakeofPb2+ , Cu2+, Cd2+ byUlvapertusa
WeiHaifeng1, 2, 3 , LiuChangfa2, 3 , ZhangJunxin2, 3 , LiuHengming2, 3
(1.ColegeofMarineEnvironmentalEngineering, DalianFisheriesUniversity, Dalian116023, China;
2.KeylaboratoryofFisheryWaterTreatment, CAFS, Shanghai200092, China;
3.LiaoningProvinceKeyLaboratoryofOfshoreMarineEnvironmentalScienceandTechnology, Dalian116023, China)
Abstract:TheprocesofuptakePb2+ , Cu2+ , Cd2+byUlvapertusawerestudied.TheresultsshowedthatLangmuiradsorp-
tionisothermcanbeemployedtotheprocessofuptakingheavymetalbyUlvapertusa.ThesaturatedcapacityofPb2+ andCd2+
were0.715 mg/Land0.037 mg/L, respectively.AssimilationequilibriumofUlvatoCu2+ ofwhichtheconcentrationis0.056
mg/Lcanbeachievedin4daysandtheassimilationis9.01 timesasmanyastheassimilationofcontrolclass;equilibriumcan
beapproachedin5 daysunder0.028 mg/LofCd2+ andtheassimilationis5.06 timesasmanyascontralclas.
Keywords:Ulvapertusa;heavymetals;uptake;accumulation
　　重金属是目前海洋环境中重要的污染物之一 ,每
年由于重金属污染对海洋渔业 、海洋生物资源造成了
巨大的损失。重金属铅 、铜 、镉因与生物必需元素竞
争结合酶活性位点 ,所以具有很高的生物毒性。天然
水中铜 、镉的形态分布受各种生物和非生物因素的影
响 ,一般认为只有重金属的水合离子和羟基络合离子
才具有生物有效性 ,大量研究都表明藻类对金属具有
较强的富集能力[ 1-3] 。ContiME等人(2003年)用石
莼作为一种指示生物作为衡量海洋中重金属污染的
程度 [ 4] , CostasRC(2001年)等用连续监测的方法测
定了铜和镉在石莼细胞内的定位 ,发现大型藻类细胞
壁中的果胶质为结合重金属离子提供了大量的交换
位点 [ 5] 。所有这些研究为海洋重金属污染的生物治
理提供了新的思路 。目前国内外重金属对藻类的毒
性作用研究较多 ,取得很大的进展 ,但是大型藻类吸
收重金属的研究报道还不多见。本文以孔石莼为研
究对象 ,研究了孔石莼对铅 、铜和镉的吸收和积累。
从吸收动力学和热力学的角度 ,探讨孔石莼对水体中
重金属离子的吸收过程和吸收能力。为海洋重金属
污染生物修复研究提供参考依据。
1　材料与方法
孔石莼(Ulvapertusavar),取自黑石礁海区近岸
采集并经过实验室驯化后的长势良好的当地野生孔
石莼。培养用海水经沉淀砂滤过的海水 , 按照 PES
营养盐配方添加氮磷及微量元素 。孔石莼在实验室
驯化培养 1周 ,于实验前一天移入环境箱。
·51·
第 33卷第 8期
2008年 8月 魏海峰等·孔石莼(Ulvapertusa)对铅 、铜 、镉的吸收
Vol.33 No.8
Aug.2008
1.1　实验方法
1.1.1　孔石莼吸收铅 、镉热力学
实验共设置 5个不同的金属浓度 ,实验在 250
ml锥形瓶中进行 ,每瓶放海水 200 ml,每组 3个平
行 ,取长势良好的经过实验室暂养的孔石莼 ,用滤纸
将表面的水分吸干 ,用电子称称取孔石莼 0.50 g±
0.01g放到各锥形瓶中 ,然后将放藻后的锥形瓶移
入环境箱中 ,控制温度 20℃ ±0.1℃,光照 3 000 lx
±200 lx,光暗比为 12:12。实验持续时间 24 h, 24h
后取样 ,按照 《海洋监测规范 》(GB3097)中 “阳极溶
出伏安法样品消化 ”方法将样品消化 。用 746/747
型极谱仪测重金属含量。
1.1.2　孔石莼吸收铜 、镉动力学
实验共设置 6个不同的金属浓度比 , 实验在
250ml锥形瓶中进行 ,每瓶放海水 200ml,每组 3个
平行 ,每瓶中放孔石莼 0.50 g±0.01 g(取长势良好
的经过实验室暂养的孔石莼 ,用滤纸将表面的水分
吸干 ,用电子天平称取),然后将放藻后的锥形瓶移
入环境箱中 ,控制温度 20℃ ±0.1℃,光照 3 000 lx
±200 lx,光暗比为 12:12。每天取样 ,将孔石莼取
出 ,用高纯水冲冼表面后 ,置于 50 ml烧杯中 ,盖上
表面皿 ,在烘箱中于 105℃下烘 2 h以上至恒重 ,并
用分析天平称重 。样品处理及测定方法同上。
1.1.3　孔石莼对铜和镉的吸收研究
设置铜的浓度为 0.056 mg/L海水 ,在自然光照
下 ,温度 20℃ ±1℃条件下 ,于 40 cm×30 cm×40
cm的玻璃缸中进行 ,设置 2个平行试验组 ,试验时
间分别持续 7 d,取样约 0.5g鲜置于 105℃下烘干 ,
样品处理方法同上。
1.2　测定方法
铅 、镉的测定用 746/747型极谱仪 ,测定条件:
曝气时间 300 s,富集时间 120 s,扫描范围 -1 150
mV～ 50 mV,扫描速率 60 mV/s。
2　实验结果
2.1　孔石莼对铅和镉的吸收热力学
暴露于不同金属浓度体系中的孔石莼对铅 、镉
的吸收量随着游离态 Pb2+、Cd2+的浓度增加而增
加 。从图 1、2可知 ,孔石莼组织内蓄积量随游离态
金属离子浓度增加而增加 ,但增加幅度随浓度增加
而减缓 。这一关系可用 Langmuir吸收等温式从热
力学平衡角度加以描述:
BPb =0.715 2 ×6.744 1 ×[ Pb
2+]
1 +6.744 1 ×[ Pb2+]
R=0.911 1
BCd =0.037 485 ×32.470 7 ×[ Cd
2+]
1 +32.470 7 ×[ Cd2+]
R=0.993 2
图 1　孔石莼对铅的吸收量
图 2　孔石莼对镉的吸收量
　　从拟合结果可以看出 ,近似平衡条件下孔石莼
细胞对铅 、镉的蓄积量与游离态 Pb2+、Cd2+的浓度
的定量关系可以用简单的吸收平衡关系表述。据此
可求得孔石莼对 Pb2+单层饱和结合量为 0.715 2
mg/g干重 , Cd2 +为 0.037 485 mg/g干重。国外有研
究认为活的藻类细胞对金属的吸收更适用 Freundli-
ch吸收等温式 ,潘进芬认为该方程是海洋藻类 ,尤
其是单胞藻吸收金属的普遍模式 [ 6] ,但本实验从图
1、2可以直接看出这一线性关系符合 Langmuir吸收
等温式。尽管生物配位体模型可用来预测金属的蓄
积 ,但在特定的水质 ,如 pH、碱度 、硬度条件下可用
Langmuir吸收等温式的热力学平衡模型描述 。
等温曲线在开始阶段有较大的斜率 ,表明对重
金属离子很强的吸收能力 ,通过 Langmuir方程进行
拟合 , Pb2+、Cd2+的亲和力常数分别为 6.744 L/mg、
32.47L/mg,即孔石莼对铅和镉的吸收能力强弱顺
序是 Cd2+ >Pb2+。尹平河(2000年)等研究发现利
用预处理的海藻对 Pb2+、Cu2+、Cd2+等吸附容量分
别为 1.0 mol/g～ 1.6mol/g、1.0mol/g～ 1.2 mol/g、
0.8 mol/g～ 1.2 mol/g,而且吸附速度快 , 10分钟去
除速率可达 90%[ 7] 。赵玲 (2001年)研究表明 ,海
·52·
第 33卷第 8期
2008年 8月 魏海峰等·孔石莼(Ulvapertusa)对铅 、铜 、镉的吸收
Vol.33 No.8
Aug.2008
洋原甲藻的死体和活体对 Cu2+、Pb2+、Ni2+、Zn2 +、
Ag+、Cd2 +具有相似的吸附能力 ,吸附速度较快 ,一
般可在 30min内达到平衡 [ 8] 。
2.2　孔石莼对铜和镉的吸收动力学
图 3　Cu2+吸收动力学
图 4　Cd2+吸收动力学
孔石莼对 Cu2+和 Cd2+的吸收动力学曲线见图
3、4。从图中可看出 Cu2+和 Cd2+的吸收速度是先快
后慢的 ,最后近似达到吸收平衡 。孔石莼在铜浓度
为 0.056 mg/L的实验中 ,暴露时间为 7天 ,第 4天
达到了吸收平衡 ,蓄积量为对照组的 9.01倍 ,之后
吸收量趋于稳定。镉在暴露浓度为 0.028 mg/L的
实验中 ,暴露时间为 6天 ,也已达到了吸收平衡 ,第
5天后蓄积量为对照组的 5.06倍。
杨芬(2002年)用干态海藻吸附金属离子的动
力学实验表明 ,海藻类吸附重金属在 10 min内基本
完成 ,大约有 90%的金属被吸收[ 9] 。由于实验材料
是干态孔石莼或单细胞藻类 ,一般认为吸附主要是
一个物理的表面吸附和胞外结合与沉积的过程。本
实验结果表明 ,对活体大型藻类而言 ,它的表面吸附
只是占了一小部分 ,而以体内主动吸收为主 ,所以达
到吸收平衡一般需要几天的时间 ,在一定浓度中暴
露几十分钟后 ,还是一个快速吸收过程 ,因此可以认
为活体大型藻类对重金属的吸收过程是一个胞内吸
收与转化的过程 。
由图 5可知 ,在不同暴露浓度的实验中 ,随时间
的延长 ,吸收速率逐渐降低。在 Cu2+浓度约 0.5mg/
L时 ,不同时间的吸收速率几乎没有变化 ,低于此浓
度则吸收速率出现随时间的延长升高的趋势。从每
条曲线的最高点还可看出 ,浓度约 0.8 mg/L时的孔
石莼对 Cu2+吸收速率都达到最大值 ,金属浓度继续
升高孔石莼对 Cu2+吸收速率下降。说明 0.8 mg/L
的铜为最佳吸收浓度 ,浓度大于 0.8mg/L后 , Cu2+就
会对藻体产生毒害作用从而影响对铜的吸收速率。
图 5　对 Cu2+吸收速率关系
3　讨论
上述研究表明 ,以大型海藻孔石莼作为生物吸
附剂可以有效吸收海水水中的重金属 ,吸收经历了
快速的表面吸附和细胞内的缓慢吸收两个阶段。吸
收过程符合 Langmuir等温方程 。
虽然大型藻类应用于海洋重金属污染生态修复
的研究起步较晚 ,但对其在该领域的一些探索性研究
工作表明 ,将藻类作为重金属污染修复具有广阔的应
用前景。从孔石莼对铅 、镉 、铜的吸收研究可以看出 ,
藻类对金属离子的吸附是一个复杂的生物过程 ,尽管
Langmuir等温式成功地描述了孔石莼对铅和镉的吸
附行为 ,并得到较好效果 ,但由于细胞表面的复杂性 ,
这仅是一种现象模式 ,并不能反映真正的吸收机理 ,
因此 ,进一步研究重金属在藻类体内的形态 、分布以
及释放对了解藻类对重金属吸收有着重要的意义。
参考文献:
[ 1]刘长发 , 陶澍 , 龙爱民.金鱼对铅和镉的吸收蓄积
[ J] .水生生物学报 , 2001, 25(4):344-349.
[ 2]潘如圭.三种经济植物对重金属吸收积累的研究
[ J] .环境科学学报 , 1991, 11(2):231-235.
[ 3]姜彬慧 , 林碧琴.纤维藻(Askistrodesmussp.)对镍的
吸附 、吸收作用及镍对其细胞形态结构影响 [ J] .应用与环境
生物学报 , 2000, 6(6):535-541.
[ 4] ContiME, CecchetiG.Abiomonitoringstudy:trace
metalsinalgaeandmoluscsfromTyrrheniancoastalareas[ J] .
Environmentalresearch, 2003, 93(1):99-112.
[ 5] CostasRC, LópezJ.Applicationofthesequentialelu-
tiontechniquetodetermineCdandCucellularlocationinUlva
lactucaLinnaeus[ J] .Archivesofenvironmentalcontamination
andtoxicology, 2001, 41 (4):427-435.
[ 6] PANJin-fen, LINRong-gen, MALi.Areviewof
heavymetaladsorptiononbymarinealgae[ J] .ChineseJournalof
OceanologyandLimnology, 2000, 18(3):260-264.
[ 7]尹平河 , 赵玲.海藻生物吸收废水中铅 、铜和镉的研
究 [ J] .海洋环境科学 , 2000, 19(3):11-15.
[ 8]赵玲 , 尹平河 , QimingYu, 等.海洋赤潮生物原甲藻
对重金属的富集机理 [ J] .环境科学 , 2001, 4(22):42-45.
[ 9]杨芬.藻类对重金属的生物吸收技术研究及其进展
[ J] .曲靖师范学院学报 , 2002, 21(3):47-49.
·53·