全 文 :第 ! 卷#第 期环境工程学报
* ! 年 月
+,-./0/1&23.4&56.7-3&.8/.946.:-.//3-.:
12. (* ! 钝顶螺旋藻和小球衣藻富集6> [
李彩云#高鹏程!#同延安#周旭东#孔#杰
西北农林科技大学资源环境学院! 杨凌 @!*!摘#要#为了探究我国北方水体中藻类对 +T* c的富集行为!选取常见的蓝藻钝顶螺旋藻和绿藻小球衣藻!模拟天然藻类对+T∗c的吸附和吸收!研究藻液浓度(时间([值(温度(共存阳离子类型对富集过程的影响@>FC!K*!$$$F*CC@FK#!# !(!*>MN(ON//(*!B!!$K
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基金项目!农业部公益性行业科研专项*!*>AB$
收稿日期!*!B _! _*># 修订日期!*!B _A _*@
作者简介!李彩云!CKC&$!女!硕士研究生!研究方向废水处理与
资源清洁利用% 6F84->K*@>A@`jj(O&8
!
通讯联系人! 6F84-[/.:O,/.:!C$C`.Z0245(/T2(O.
##镉是主要的水体重金属污染物之一!多以 +T* c
形式存在% +T* c在水环境中具有较高的移动性 )!* !
进入水体后易被胶体颗粒和藻类所富集!尤其在富
营养化水体中!藻类富集 +T* c已有大量报道 )*FB* %
作为水体中的初级生产者!藻类细胞与 +T* c结合分
为生物吸附和生物吸收 * 个阶段 )A* % 生物吸附主要
是物理吸附和化学吸附#生物吸收主要依靠沉积在
细胞表面的 +T* c与质膜上的膜转移酶(水解酶等结
合!通过主动运输转移至胞内!进而储藏在细胞质或
网络出版时间:2016-06-04 15:55:53
网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.5591.X.20160604.1555.046.html
环 境 工 程 学 报 第 ! 卷
细胞器内 )B* % 在吸附和吸收的过程中!细胞壁结构
与形态(藻类的浓度(富集时间([^值(温度以及共
存阳离子的类型等胞内外环境因素发生变化!易增
加或减少吸附位点!改变物质的运输方式!从而影响
藻类富集 +T* c的效率%
国外在 * 世纪 K 年代就开始进行有关藻类富
集重金属的研究 )$F@* !国内则于 * 世纪末开始进行
专业研究 )KF!* % 现阶段!国内对于藻类富集 +T* c的
研究已有报道!但对北方地区藻类富集 +T* c的规律
研究还不是很多% 北方水体受工业污染较严重!近
几年陕西省的镉排放量呈上升趋势 )!!* % 由于水流
量小!+T* c易被富集!造成污染% 本研究选择陕西
省杨凌水体中具有代表性的蓝藻钝顶螺旋藻$和
绿藻小球衣藻$进行实验!探究地表水中藻类富集
+T
* c的性能及影响因素!以期为北方水体镉污染的
防治提供基础资料%
;<实验材料与方法
;=;<实验材料与试剂
钝顶螺旋藻 BA#$:#0, A:,()0*#*!R;+^
藻采用 ID培养液培养!小球衣藻采用 I6<3&09&,0
0&29-&.培养液培养
*
+A^
*
a!配制 !
8:MP作标准储备液!置于冰箱保存备用% +T* c使
用液浓度为 ! 8:MP%
;=><实验方法
!=*=!#藻类接种与培养
采用半开放非循环纯培养方式!制备好培养液!
分装到 *B 8P锥形瓶中!用 DWR6无菌封口膜封住
瓶口% 高压蒸汽灭菌 !*! e(> 8-.!冷却后将培养
液和移液器(锥形瓶等仪器在超净工作台中紫外灭
菌 > 8-.!双手用酒精棉擦拭!在超净工作台上接
种% 采用液体接种法!接种量为 *?%
接种后!置于 IDLF*B
=Be振荡!8−.左右
(4(
!式中 & 为藻类的比生长速率!T _!#( 为藻类生长阶 段的初始时刻!T#(为藻类生长阶段的某一时刻!T# 5 为藻类在初始时刻的数量!个MP#5 ( 为藻类在 ( 时刻的数量!个MP% !=*=>#藻类富集性能研究 !藻的清洗% 每种藻液 约 =! 8:M8P取 ! P!置于离心管!A 3M8-. 离心 B 8-.!倒掉上清 液#用蒸馏水定容到 ! P!离心!弃上清液!重复 * 次# 再用蒸馏水定容到 ! P% 为避免实验误差!建立藻 液吸光度F浓度关系!通过测定吸光度!用稀释或浓 缩的方法控制藻浓度在 =! p=!8:M8P% 调
节藻类的 [^至 @=!备用%
*富集性能研究 加入装有 ! 8P! 8:MP
+T
* c溶液的玻璃试管中![^调为 @=!充分振荡!设
置温度 *B e!光照强度为 ! X!在光照培养箱中分别放置B8−.(!8−.(∗8−.(A8−.( 8-.(* ,(
A ,(K ,(!* , 和 *A ,!用 =AB
!
8滤膜过滤!测定滤
液中的 +T* c含量% 用下列公式计算藻类对 +T* c的
富集率和单位富集量
Y
/
3
8
48
(
3
8
48
(
8H!I>
式中
为藻类的富集率!?#8
为藻类富集前零时
刻的 +T* c浓度!8:MP#8
(
为藻类在 (时刻达到平衡
状态的 +T* c浓度!8:MP#Y
/
为藻类在 (时刻的单位
富集量!8:M:#J为溶液的总体积!* 8P#%为加入
+T
* c溶液的藻干重!:%
以 ! 8:活性炭粒状!天津科密欧化学试剂有
限公司作为参照!探究∗种藻对+T∗c的富集性能!每组设>个平行!将富集时间设置为 *A
,!每组实验设 > 个平行%
改变其中的某一因素!控制其他条件不变!进行
单因素影响研究% 藻浓度处理设 =!A( =>(=@!(=!A∗(=>BB和=@!:MP共 个梯度#[^处
理设置 >=(B=(@= 和 C= 共 A 个梯度!酸碱度用
KCC*
第 期 李彩云等钝顶螺旋藻和小球衣藻富集 +T* c 分析纯 )4a^ 和 +^调节#温度处理设置 B(*B 和 A e共 > 个梯度#共存阳离子处理为 >= 88&MP )4+溶液!!=B 88&MP+4+ * 溶液和 != 88&MP R/+ > 溶液% 各计算结果以不加藻的处理作为空白 对照组% ;=@<测定方法及数据处理 藻数量采用 LIDF*+;型光学显微镜计数 )!** ! +T * c浓度用火焰原子吸收光谱仪]F*测定%
数据采用 6XO/*>( a3-:-. @=B 进行统计
分析%
><结果与讨论
>=;<藻的生长周期
绘制生长曲线!如图 !4所示 天达到
峰值 *=! g!K 个MP(!=B g!C 个MP!随后藻数量开
始减少!镜检出现细胞裂解衰亡现象% 对数生长期
的藻细胞具有较强的生命力!有利于研究藻对 +T* c
的富集%
同样!图 !$中比生长速率
&
的变化表现出类
似的规律% 在第 K 天以后!生长速率迅速提高!藻细
胞快速分裂!大量繁殖% 钝顶螺旋藻通过游离同化
丝不断生长形成的网状结构来增加藻体的长度和厚
度% 单细胞小球衣藻一般依靠原生质体的有丝分裂
形成 A 个子原生质体!待母细胞破裂后长成新个体%
第 !* 天时!生长速率
&
达到最大值 =!B T _!!并趋
于稳定% 直到第 !天!藻细胞分裂速度减缓!死亡速率大于繁殖速率!导致生长速率下降6> [的性能研究
在众多的吸附研究中!活性炭是常用的一种吸
附剂!因其廉价易得(化学稳定性好(易再生(较大的
比表面积和发达的孔隙结构被广泛应用 )K!!>F!B* %
活性炭和 * 种藻类对 +T* c的富集结果如图 *
所示!* 种藻类的单位富集量高于活性炭!且存在极
显著差异6r=!=! 8:M:!而活性炭
的单位吸附量仅有约 >=B 8:M:% 这种差异来源于
活藻体的细胞壁组分(富含多糖的代谢产物以及主
动运输作用% 陈丽丹等 )!*用 *=B :MP的马尾藻对 图 !#钝顶螺旋藻(小球衣藻的生长曲线和 比生长速率 R-:=!#H3&Z9, O237/04.T :3&Z9, 349/0&5BA#:#0,
A:,()0*#*4.T 89:,%>.-%-0,*%#&−∗A9,),
=* 88&MP的 +T* c进行 A= , 富集!单位富集量达
到 C= 8:M:左右% 曾文炉等 )!@*研究发现!野生聚
球藻对 +T* c的富集量为 >=A 8:M:!8fWFY聚球藻细
胞的富集量也仅为 !=@ 8:M:% 可见!钝顶螺旋藻
和小球衣藻作为活体微生物!具有很好的富集性能%
图 *#钝顶螺旋藻(小球衣藻(活性炭对 +T* c的富集性能
R-:=*#;OO28249-&. O4[4\--9V&5+T
* c
&. BA#:#0, A:,()0*#*! 89:,%>.-%-0,*%#&-*A9,),! 4O9-7/O43\&. 图 * 显示!钝顶螺旋藻对 +T* c的富集在 A , 基 本上达到饱和#小球衣藻也达到饱和富集量的 B? 以上!随后富集量缓慢上升!K , 后几乎不发生变 CCC* 环 境 工 程 学 报 第 ! 卷 化% 将藻对 +T* c的富集量 Y / 和时间 (进行动力学 拟合!得到关系式 钝顶螺旋藻 Y / o@=>B g! _/ _=!@(
!6o=* !# 小球衣藻 Y / oB*=BA g! _/ _=*! (!6o=*! K%
由动力学方程可以看出!随着 (的增大!Y
/
逐
渐增大!直到 (无限大时!Y
/
为常数!即饱和富集
量% 由于藻类的细胞壁含有大量的多糖!使得细胞
表面暴露出各种带负电的基团!比如羟基(羧基(羰
基(巯基(氨基(硫酸盐(磷酸盐(硫醇等 )!K* !与溶液
中的 +T* c发生离子交换(络合配位等化学吸附% 同
时!细胞壁特有的粘性和褶皱结构!也会通过物理作
用使 +T* c沉积在藻细胞表面% 藻细胞上的吸附位
点达到饱和以后!处于一个动态的平衡状态!生物吸
附过程基本完成% 随着细胞表面 +T* c的积累!藻类
通过胞外的水解酶(转移酶等将 +T* c或者含 +T* c
基团主动运送到胞内!从而被吸收(转化(储存在细
胞器官中% 钝顶螺旋藻和小球衣藻是北方天然水体
中的优势藻种!+T* c进入富营养化水体以后!很快
被藻类富集!对其他以藻类为食的生物产生毒害作
用!甚至通过食物链的富集影响到人体健康%
>=@<藻浓度对 6>[富集特征的影响由于藻类富集+T∗c属于界面上的非均相固液反应!因此溶液中藻类的浓度与最终富集率(单位富集量有一定的相关性)!C∗o=CCC B#小球衣藻的富集量与藻
浓度的关系式为Y
/
o>@=** c@=*CM8
/
!o=CC !%
这与陈丽丹等 )!∗研究结果相似!说明藻浓度与藻对+T∗c的富集率成正比!与单位富集量呈负相关性A=A?%
E4.:04V49&3. 等 )*>* 研究发现!活体钝顶螺旋藻对
+T
* c有很高的富集性能% 究其原因!钝顶螺旋藻细
胞具有较大的比表面积!使吸附位点增多!富集效率
显著高于其他藻类% 此外!钝顶螺旋藻具有气囊!可
以在水体中垂直运动!加快藻细胞的分裂!同时也增
加了吸附位点与 +T* c结合的几率% 小球衣藻的富
图 >#钝顶螺旋藻(小球衣藻浓度对 +T* c的
富集量和富集率的影响
R-:=>#65/O9&5BA#:#0, A:,()0*#*! 89:,%>.-%-0,* %#&-*A9,), O&.O/.9349-&. &. 4OO28249-&. O4[4O-9V4.T 4OO28249-&. 349/&5+T * c 集率达到 >*=K?以上!但单位富集量远高于钝顶螺 旋藻和相关报道% 小球衣藻的细胞个体比较小!具 有胶被!且能借助鞭毛游动!增加了藻细胞与 +T* c 吸附的几率#胞内的核膜(叶绿体外被以及类囊体膜 有利于 +T* c的主动吸收!提高了单位富集量% 钝顶 螺旋藻是多层单列细胞形成的网状结构丝状体!体 积大!但单位面积吸附点位较少#选择透过性膜较 少!生物吸收作用较弱!导致单位富集量较低% 相同 质量干重的藻!由于藻体形态特征不同!比表面
积不同!吸附位点的多少存在差异!造成 * 种藻的富
集量不同%
>=A<7W对藻富集 6>[的影响自然水体的[通常介于B=hC=之间!故设置了A个[梯度>=(B=(@=和C= 期 李彩云等钝顶螺旋藻和小球衣藻富集 +T* c
B= 升到 C= 时表现出富集量缓慢上升的趋势!从
BB=! 8:M:提高到 @=@8:M:
图 A#[^对钝顶螺旋藻和小球衣藻富集 +T* c的影响
R-:=A#65/O90&5[^&. 4OO28249-&. &5+T
* c
\VBA#:#0, A:,()0*#*4.T 89:,%>.-%-0,*%#&-*A9,),多数研究结果表明!藻类对重金属的最大富集量发生在弱酸性的环境中)>!∗A∗* % 基于实际应用的考虑!+T* c在 [^ xC=! 开
始与 a^ _形成沉淀!限制了藻类对 +T* c的富集!且
[^
%
K= 是西北地区水体的常态!因此!弱碱性环
境有利于钝顶螺旋藻和小球衣藻对 +T* c的富集%
>=B<温度对藻富集 6>[的影响温度变化会对溶液中微粒的无规则运动产生影响!促进或阻碍藻细胞壁上的负电性基团与+T∗c的结合:#0, A:,()0*#*4.T 89:,%>.-%-0,*%#&−∗A9,),
当温度为 A e时!由于温度过高!抑制了藻细
胞中的酶活性!阻碍了酶促反应的进行#较高的温
度容易导致细胞壁的结构发生变化!内含的化学
物质也部分电离 )*@* #溶液中的微粒进行剧烈的热
力学运动!有利于解吸的进行!因此!藻类在 A e
的富集量反而有轻微下降% 这与潘进芬 )*K* (+32S
等 )*C*的研究结果相似!即在低温阶段!升高温度有
利于富集#在高温阶段!升高温度不利于富集率的
升高%
>=P<共存阳离子对藻富集 6>[的影响自然水体中存在大量无机盐!其中的R/>cMf.∗c(+4∗cMf:∗c()4cMbc等阳离子往往会影响藻类富集+T∗c的过程表明!)4c(+4∗c和R/>c对钝顶螺旋藻和小球衣藻吸附+T∗c起抑制作用%
!>
环 境 工 程 学 报 第 ! 卷
图 #金属阳离子对钝顶螺旋藻和小球衣藻富集 +T* c的影响 R-:=#65/O90&58/94-OO49-&. &. 4OO28249-&. &5+T
* c
\VBA#:#0, A:,()0*#*4.T 89:,%>.-%-0,*%#&-*A9,)$,
表 ; [S)@ [$6> [的离子特征
?&12);
项目
)4
c
+4
* c
R/
> c
+T
* c
相对分子质量 **=CC A=K BB=KB !!*=A!
电负性 =C> != !=K> !=C离子半径[8 CB CC AC@对于钝顶螺旋藻和小球衣藻!)4c电负性小于+T∗c见表!!吸附电子的能力较弱!与 +T* c的竞
争作用不强!因此!对藻类富集 +T* c均有一定的抑
制作用!但与 +b无显著差异% +4* c电负性介于
)4
c和 +T* c之间!且是二价离子!与 +T* c的竞争作
用加强!减少了吸附结合位点!导致富集量显著降
低% R/> c对小球衣藻富集 +T* c的拮抗作用特别明
显!这是由于 R/> c的电负性大于 +T* c!与 +T* c产生
强烈的竞争吸附!且较高浓度的 R/> c容易造成藻类
细胞的破裂和自溶现象!吸附位点减少#但钝顶螺旋
藻对 +T* c的富集!在 R/> c环境中则表现出轻度抑制
作用% 一方面!R/> c与 +T* c相互竞争藻细胞上的吸
附位点!使富集量下降#另一方面! 钝顶螺旋藻细胞
可能存在蓝藻特有的 R+E之类的还原酶和专一性
螯合因子!可将 R/> c转换成有效态铁!或形成铁F噬
铁素复合物以及原核生物细胞常有的 R/FIaG!容易
被藻类主动吸收!从而缓解 R/> c与 +T* c的拮抗
作用%
一般情况下!R/> c在水溶液中多以水合氧化铁
的形式存在!R/ a^ > 胶体在碱性条件下带负电! 在酸性条件下带正电% 为了进一步验证 R/> c与 +T * c的竞争吸附是否由于 [^变化的影响!测定了 阳离子影响实验中藻液 [^的变化% 结果发现!钝 顶螺旋藻的 [^值从 @= 上升到 C= 左右!说明藻液 中形成较多的带负电 R/a^
>
胶体!易吸附金属阳
离子!且优先吸附含铁离子!故 R/> c和 +T* c的拮抗
作用很弱#小球衣藻液的 [^值仅从 @= 上升到 @=A
左右!说明藻液中大多 R/ a^ > 胶体带正电!极少 数 R/a^
>
胶体带负电!故 R/> c和 +T* c之间的拮
抗作用比较明显!表现为小球衣藻对 +T* c的富集量
明显下降%
@<结<论
!藻类的生长周期大约为 * T!在第 K 天进 入对数生长期!是实验取样的最佳时期% *藻类对 +T* c的富集在 K , 后达到饱和!小
球衣藻的富集量高达 =! 8:M:!是活性炭的 !@ 倍 左右% >当水体为偏碱性环境 [^为 C=时!小球 衣藻对 +T* c的富集量为 @=@ 8:M:!钝顶螺旋藻的
富集量也达到约 >= 8:M:%
A温度在 *B e时!藻对 +T* c的富集量较高# B e或 A e时富集量均下降% B溶液中共存阳离子对 +T* c富集量的影响要
依藻的种类而分% 对于钝顶螺旋藻而言!+4* c(
)4
c
(R/
> c的抑制作用依次减弱#对于小球衣藻!则
随着离子价态的升高!抑制作用明显加强%
参 考 文 献
)!* 刘璐! 闫浩! 夏文彤! 等(镉对铜绿微囊藻和斜生栅藻
的毒性效应(中国环境科学! >L;A! >A* A@KFAKA P-2 P2! Q4. 4^&! L-4J/.9&.:! /94(W&X-O/5/O9&5O4TF 8-28&. ;#&-&>*#*,)1#0-*, 4.T B&)0).)*%*-7:#F*( +,-.46.7-3&.8/.94IO-/.O/! >L;A! >A* A@KFAKA-.
+,-./0/ )** 李国新! 李庆召! 薛培英! 等(黑藻吸附 +T* c和 +2* c 的拓展 P4.:82-3模型研究(农业环境科学学报! >L;L! *C! !ABF!B!
P-H2&X-.! P-i-.:S,4&! L2/D/-V-.:! /94(6X9/.T/T
4.:82-38&T/05&3+T
* c
4.T +2
* c
\-&0&3[9-&. \V!>.#:, <)(#&#:,(,(1&23.4&5;:3&F6.7-3&.8/.9IO-/.O/! >L;L!
*C! !ABF!B!-. +,-./0/
)>* 田丹! 赵文! 魏杰! 等(蛋白核小球藻对铅(镉和汞吸附
速率及其影响因素的研究(农业环境科学学报! >L;;!
>!* *BAKF*BB> W-4. G4.! ],4&J/.! J/-1-/! /94(<-&0&3[9-&. 349/4.T -.52/.O/54O9&30&5D* c ! +T * c 4.T :^ * c \V89:-):, A>)/ 0-#.-*,(1&23.4&5;:3&F6.7-3&.8/.9IO-/.O/! >L;;! > *> 第 期 李彩云等钝顶螺旋藻和小球衣藻富集 +T* c
!* *BAKF*BB>-. +,-./0/
)A * E4&E(;(b(! b40,-52TT-. f(b-./9-O04.T -0&9,/38
092T-/0&5+TYY 4T0&3[9-&. 53&84j2/&200&29-&. 29--S-.: 0//T0&5\&9/\320, [4.98,:#*()%-0 &9#*9-:%#(;[F
[-/T J49/3IO-/.O/! >L;A! AA >@!F>K> )B* 汪苹! 胡章立(衣藻细胞的重金属结合特性及其抗性机 制(环境科学与技术! >LLN! >*! KAFKC
J4.:D-.:! 2^ ],4.:-(f/O,4.-08&5,/47V8/949&/3F
4.O/4.T \-.T-.:[3&[/39-/0-. 89:,%>.-%-0,*(6.7-3&.F
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