全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 7 期摇 摇 2012 年 4 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
城市生态景观研究的基础理论框架与技术构架 孙然好,许忠良,陈利顶,等 (1979)……………………………
拟南芥芥子酸酯对 UV鄄B辐射的响应 李摇 敏,王摇 垠,牟晓飞,等 (1987)………………………………………
蛋白核小球藻对 Pb(域)和 Cd(域)的生物吸附及其影响因素 姜摇 晶,李摇 亮,李海鹏,等 (1995)…………
梨枣在果实生长期对土壤水势的响应 韩立新,汪有科,张琳琳 (2004)…………………………………………
产业生态系统资源代谢分析方法 施晓清,杨建新,王如松,等 (2012)……………………………………………
基于物质流和生态足迹的可持续发展指标体系构建———以安徽省铜陵市为例
赵卉卉,王摇 远,谷学明,等 (2025)
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河北省县域农田生态系统供给功能的健康评价 白琳红,王摇 卫,张摇 玉 (2033)………………………………
温郁金内生真菌 Chaetomium globosum L18 对植物病原菌的抑菌谱及拮抗机理
王艳红,吴晓民,朱艳萍,等 (2040)
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基于稳定碳同位素技术的华北低丘山区核桃鄄小麦复合系统种间水分利用研究
何春霞,孟摇 平,张劲松,等 (2047)
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云贵高原喀斯特坡耕地土壤微生物量 C、N、P 空间分布 张利青,彭晚霞,宋同清,等 (2056)…………………
水稻根系通气组织与根系泌氧及根际硝化作用的关系 李奕林 (2066)…………………………………………
苹果绵蚜对不同苹果品种春梢生长期生理指标的影响 王西存,于摇 毅,周洪旭,等 (2075)……………………
磷高效转基因大豆对根际微生物群落的影响 金凌波,周摇 峰,姚摇 涓,等 (2082)………………………………
基于 MODIS鄄EVI数据和 Symlet11 小波识别东北地区水稻主要物候期
徐岩岩,张佳华,YANG Limin (2091)
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基于降水利用比较分析的四川省种植制度优化 王明田,曲辉辉,杨晓光,等 (2099)……………………………
气候变暖对东北玉米低温冷害分布规律的影响 高晓容,王春乙,张继权 (2110)………………………………
施肥对巢湖流域稻季氨挥发损失的影响 朱小红,马中文 ,马友华,等 (2119)…………………………………
丛枝菌根真菌对枳根净离子流及锌污染下枳苗矿质营养的影响 肖家欣,杨摇 慧,张绍铃 (2127)……………
不同 R颐FR值对菊花叶片气孔特征和气孔导度的影响 杨再强,张摇 静,江晓东,等 (2135)……………………
神农架海拔梯度上 4 种典型森林凋落物现存量及其养分循环动态 刘摇 蕾,申国珍,陈芳清,等 (2142)………
黄土高原刺槐人工林地表凋落物对土壤呼吸的贡献 周小刚,郭胜利,车升国,等 (2150)………………………
贵州雷公山秃杉种群生活史特征与空间分布格局 陈志阳,杨摇 宁,姚先铭,等 (2158)…………………………
LAS测算森林冠层上方温度结构参数的可行性 郑摇 宁,张劲松,孟摇 平,等 (2166)……………………………
基于 RS / GIS的重庆缙云山自然保护区植被及碳储量密度空间分布研究
徐少君,曾摇 波,苏晓磊,等 (2174)
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模拟氮沉降增加对寒温带针叶林土壤 CO2 排放的初期影响 温都如娜,方华军,于贵瑞,等 (2185)…………
桂江流域附生硅藻群落特征及影响因素 邓培雁,雷远达,刘摇 威,等 (2196)……………………………………
小浪底水库排沙对黄河鲤鱼的急性胁迫 孙麓垠,白音包力皋,牛翠娟,等 (2204)………………………………
上海池塘养殖环境成本———基于双边界二分式 CVM法的实证研究 唐克勇,杨正勇,杨怀宇,等 (2212)……
稻纵卷叶螟绒茧蜂对寄主的搜索行为 周摇 慧, 张摇 扬, 吴伟坚 (2223)………………………………………
农林复合系统中灌木篱墙对异色瓢虫种群分布的影响 严摇 飞,周在豹,王摇 朔,等 (2230)……………………
苹果脱乙酰几丁质发酵液诱导苹果叶片对斑点落叶病的早期抗性反应
王荣娟,姚允聪,戚亚平,等 (2239)
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专论与综述
气候变化影响下海岸带脆弱性评估研究进展 王摇 宁,张利权,袁摇 琳,等 (2248)………………………………
外来红树植物无瓣海桑引种及其生态影响 彭友贵,徐正春,刘敏超 (2259)……………………………………
问题讨论
城市污泥生物好氧发酵对有机污染物的降解及其影响因素 余摇 杰,郑国砥,高摇 定,等 (2271)………………
4 种绿化树种盆栽土壤微生物对柴油污染响应及对 PAHs的修复 闫文德,梁小翠,郑摇 威,等 (2279)………
研究简报
云南会泽铅锌矿废弃矿渣堆常见植物内生真菌多样性 李东伟,徐红梅,梅摇 涛,等 (2288)……………………
南方根结线虫对不同砧木嫁接番茄苗活性氧清除系统的影响 梁摇 朋, 陈振德, 罗庆熙 (2294)……………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*322*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*37*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄04
封面图说: 站立的仓鼠———仓鼠为小型啮齿类动物,栖息于荒漠、荒漠草原等地带的洞穴之中。 白天他们往往会躲在洞穴中睡
觉和休息,以避开天敌的攻击,偶尔也会出来走动,站立起来警惕地四处张望。 喜欢把食物藏在腮的两边,然后再走
到安全的地方吐出来,由此得仓鼠之名。 它们的门齿会不停的生长,所以它们的上下门齿必须不断啃食硬东西来磨
牙,一方面避免门齿长得太长,妨碍咀嚼,一方面保持门牙的锐利。 仓鼠以杂草种子、昆虫等为食。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 7 期
2012 年 4 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 7
Apr. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2009CB119006);浙江省教育厅项目(Y200908183)
收稿日期:2011鄄08鄄30; 摇 摇 修订日期:2012鄄01鄄05
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: lifeili@ zjut. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201108301268
姜晶,李亮,李海鹏,李非里.蛋白核小球藻对 Pb(域)和 Cd(域)的生物吸附及其影响因素.生态学报,2012,32(7):1995鄄2003.
Jiang J, Li L, Li H P, Li F L. Biosorption of lead (域) and cadmium (域) from aqueous solution by Chlorella pyrenoidsa and its influential factors. Acta
Ecologica Sinica,2012,32(7):1995鄄2003.
蛋白核小球藻对 Pb(域)和 Cd(域)的
生物吸附及其影响因素
姜摇 晶,李摇 亮,李海鹏,李非里*
(浙江工业大学生物与环境工程学院, 杭州摇 310032)
摘要:藻类吸附作用影响重金属在水生生态系统中的迁移过程及其环境行为。 同时,利用藻类吸附能力是修复重金属污染水体
和重金属废水处理的一项清洁、廉价和高效的技术。 测定了蛋白核小球藻对 Pb2+和 Cd2+的吸附和脱附动力学,表明吸附是快
速表面过程,吸附 4 h后基本达到平衡,不易脱附。 研究了蛋白核小球藻对 Pb2+和 Cd2+的吸附热力学,绘制了吸附等温线,并用
Langmuir模型进行拟合,相关系数 R2 分别为 0. 9906 和 0. 9827,计算得到最大吸附量分别为 0. 373 mmol Pb / g 和 0. 249 mmol
Cd / g。 考察了 pH值、离子强度和温度等环境因素对蛋白核小球藻吸附 Pb2+和 Cd2+的影响。 结果表明,蛋白核小球藻对 Pb2+和
Cd2+的吸附量在 pH值 5. 0—6. 0 之间达到最大值,并随着溶液离子强度的增加而降低,随着溶液温度的升高而增加。 温度的影
响还表明,蛋白核小球藻对 Pb2+和 Cd2+的吸附是吸热过程。 实验还考察了水体环境中普遍存在的溶解性有机质主要成分鄄富里
酸的影响,表明富里酸会抑制蛋白核小球藻对 Pb2+和 Cd2+的吸附,重金属离子浓度较低时的抑制效果更明显,最大抑制率分别
达到了 34. 2%和 34. 9% 。 由于其对重金属的较高吸附量和吸附本身快速完成的特性,蛋白核小球藻有望成为较理想的生物吸
附剂,在重金属污染水体的生物修复及废水处理中发挥重要作用。
关键词:生物吸附;蛋白核小球藻;铅离子;镉离子;富里酸
Biosorption of lead (域) and cadmium (域) from aqueous solution by Chlorella
pyrenoidsa and its influential factors
JIANG Jing, LI Liang, LI Haipeng, LI Feili*
(College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032, China)
Abstract: The remains of aquatic algae are widespread and constitute an important organic fraction in natural freshwater
environments. Accordingly, their adsorption of heavy metals may influence or determine the environmental processes and
behavior of the metals. Conversely, they may be developed into low cost biosorbents for the removal of heavy metals from
water, thus serving as green adsorbents for industrial heavy metal wastewater treatment and remediation of metal polluted
natural water bodies. This study investigated the adsorption of two toxic heavy metals that are of great concern, Pb(域) and
Cd(域), from water by the freshwater alga Chlorella pyrenoidsa. In addition, the factors that influence the adsorption were
evaluated. To accomplish this, the alga was cultured for self鄄reproduction, after which the cells were collected and freeze鄄
dried to obtain the biosorbent. Initial kinetic measurements showed that both Pb and Cd were rapidly adsorbed by the alga
with equilibria acquired within 5 minutes to 4 hours, and that these metals resisted desorption. Accordingly, the adsorption
of Pb and Cd was conducted using a range of solution concentrations by mixing for 4 hours while maintaining the pH at 5. 0.
After attaining equilibrium, both the solution phase and algal phase were analyzed for metal concentrations. The adsorption
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isotherms obtained for both Pb and Cd followed a Langmuir shape, with the adsorption initially increasing rapidly and then
approaching saturation with further increasing metal concentration. The alga significantly adsorbed both metals, apparently
in response to an abundance of acidic functional groups such as —COOH and —OH on the algal cell walls that formed
complexes with the metal ions. While both metals are divalent, Pb was comparatively more effectively adsorbed than Cd.
This may have resulted from the difference in the metal radius caused by Pb being less hydrated and thus more strongly
bound to the adsorption sites of the alga. By fitting adsorption data to the Langmuir equation, the obtained maximal
adsorptions were 0. 373 and 0. 249 mmol / g for Pb and Cd, respectively. When 400 mg / L of dissolved fulvic acid was
present in solution, the adsorption of both metals by the alga was inhibited by up to 34% . This was clearly caused by the
competitive binding of metals with fulvic acid. The overall smaller inhibition by fulvic acid that was observed at higher metal
concentrations likely resulted from the full occupation of fulvic acid binding sites by the metal ions. The effects of pH, ionic
strength and temperature on the adsorption were determined by using a constant initial metal concentration while varying
these factors. The adsorption of both metals increased as the pH increased from 2. 0 to 5. 0, reached the maximum value at
pH 5. 0—6. 0, and then decreased as the pH increased further. This was due to the progressively increased dissociation of
acidic functional groups of the alga with increasing pH in acidic solutions that facilitated the metal complexation but reduced
the availability of metal ions via binding with increased —OH in neutral to weakly basic solutions. As the concentration of
NaNO3(ionic strength) increased to 0. 15 mol / L, the adsorption of both metals decreased by up to 15% due to increasingly
compressed double electric layers leading to charge neutralization and enhanced aggregation of algal particles. By increasing
the temperature from 277 K to 323 K, the adsorption of both Pb and Cd by the alga increased, with the extent of the
increase for the former metal being much higher than that for the latter. This enhancement of adsorption with temperature
may have resulted from the surfacing of existing adsorption sites that were initially concealed and / or the creation of new
adsorption sites by elevated temperature. The enhancement also indicated that the adsorption was endothermic. According to
the Clausius \ Clapeyron equation, the heat of adsorption was calculated to be in the range of 12194—21706 J / mol and
3398—9520 J / molfor Pb and Cd, respectively. In view of its high self-reproduction and thus wide availability, the alga
Chlorella pyrenoidsa characterized by strong adsorption of heavy metals as well as resistance to desorption may be applied as
an effective biosorbent for the remediation of metal鄄polluted natural water bodies and the treatment of metal鄄containing
waters under proper manipulation of water pH and temperature.
Key Words: biosorption; Chlorella pyrenoidsa; lead (域); cadmium (域); fulvic acid
随着现代工业的发展和频繁的人类活动,生态环境中的重金属污染日趋严重。 近年来“血铅冶、“镉米冶等
事件的频发再次表明重金属污染物可以通过大气、水体或土壤等介质直接或间接地进入人体,使人类健康受
到前所未有的威胁。 因此积极开展重金属的污染行为研究及其防治工作已经成为当前我国政府工作的重点。
通过重金属污染生态学研究,已对重金属污染的治理发展了物理、化学和生物方法[1]。 相比于物理和化学
法,利用廉价的生物材料对重金属进行吸附处理的生物吸附法,以其经济性和环保性的双重优势而暂露头
角[2]。 该方法具有吸附剂易得、吸附量高、吸附速度快等优点,适宜较低浓度(<100 mg / L)重金属污水的处理
或受污染天然水体的修复[3鄄5]。 生物吸附剂之一的藻类,具有很强的吸附重金属能力,同时又是水生生态系
统中的重要组成成分,受到环境工作者的青睐。 目前,利用藻类修复重金属污染的水体已逐渐成为水体污染
治理的热点。
藻类的吸附能力来自其细胞壁及一些胞外产物中富含的多糖、蛋白质和糖醛酸等聚复合体所提供的大量
能够与金属离子结合的官能团(如羧基、羟基、氨基等) [6]。 Murphy等比较了大型红、绿、褐藻对铜离子的吸附
作用,得出大型褐藻对铜离子的吸附效果最好,最大吸附量能够达到 0. 35 mmol / g[7]。 生物吸附剂的活体和
死体在吸附性能上也存在很大差异。 在多数情况下,死藻由于细胞壁的破碎使得更多的细胞表面官能团被暴
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露,其吸附效率往往高于活藻[8]。 Chojnacka 等考察了不同处理条件下蓝藻 Spirulina sp.对 Cr3+、Cd2+和 Cu2+
的吸附情况,显示冻干处理后的藻细胞吸附效果最好[9]。 然而,目前关于淡水中绿藻对重金属的稳定化研究
还较为鲜见。 吴海锁等[10]研究了小球藻对 Cu2+、Cd2+和 Zn2+的吸附情况及其影响因素,但未进行吸附动力学
等机理方面的分析和探讨。
蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidsa)属于绿藻门,色球藻目,小球藻属,是常用的标准实验藻种,其对重金
属的半效应浓度 (EC50) 常用来衡量重金属的毒性[11]。 而在众多重金属中,铅和镉是以毒性大、污染面广而
备受关注的两种重金属,环境中极低浓度的 Pb和 Cd都会威胁到人体健康[12鄄13]。 因此,本实验以 Pb2+和 Cd2+
为对象,研究了干燥的蛋白核小球藻对 Pb和 Cd的吸附行为及环境因素(pH、离子强度、温度以及富里酸)的
影响,得到了蛋白核小球藻对两种重金属的吸附效果及主要环境因素对吸附的影响规律,为更好地了解重金
属在生态系统中的迁移及其对生物体的毒性提供科学的理论参考,同时为淡水藻类修复重金属污染和在生态
修复中的应用提供一种可供选择的生物材料。
1摇 材料与方法
1. 1摇 实验材料
蛋白核小球藻购自中国科学院武汉水生生物研究所淡水藻种库。 在无菌条件下,将蛋白核小球藻接种于
Se培养基中[11],于 25 益、光照强度 8250 lx、光暗比 12 h 颐12 h 的人工气候箱中培养。 培养后离心收集藻细
胞,真空冷冻干燥得到深绿色的藻细胞颗粒,作为吸附剂。
富里酸(Fulvic acid,FA)的提取:取 100 g土壤,加入 1 L的 1 mol / L的 NaOH溶液,混合振荡,离心收集上
层液,用 6 mol / L的 HCl溶液逐滴加入到上层液体中,调节 pH值至 1—2。 将酸化后的上层液体离心分离,得
到富里酸 (FA)溶液,真空冷冻干燥得到富里酸 (FA)固体,备用。
重金属溶液的配置:称取一定量的分析纯硝酸铅和氯化镉,溶解于去离子水中,配置成 1000 mg / L(8. 90
mmol Cd2+ / L和 4. 83 mmol Pb2+ / L)的储备液,根据实验需要将储备液进行稀释,得到不同浓度的重金属溶液。
1. 2摇 实验方法
1. 2. 1摇 吸附动力学和脱附试验
称取(0. 02依0. 002) g小球藻于 50 mL塑料离心管中,加入浓度分别为 0. 328 mmol / L和 1. 228 mmol / L的
Pb2+和 Cd2+溶液 30 mL,调节 pH值至 5. 0,加盖。 在 25 益、转速 150 rpm条件下吸附。 于不同的吸附时间点
取样,经 4000 rpm离心 10 min,收集上清液。 将得到的藻细胞用 HNO3 鄄HF 混合酸进行微波消解。 消解液在
电热板上蒸发至近干,加入 0. 5 mL浓硝酸,再蒸发至近干(以赶尽 HF酸),再加入 0. 5 mL浓硝酸,定容至 25
mL。 用原子吸收光谱仪(PE公司 AA800)测定上清液和藻细胞消解液中的金属浓度。 绘制吸附动力学曲线。
另备相同的吸附样品,于不同的吸附时间点测定溶液中金属离子的浓度,直至吸附达到平衡。 之后弃去
上层吸附液,收集藻细胞,去离子水洗去藻表面残留金属,藻细胞重新悬浮于 pH值= 5. 0 的去离子水中,在不
同的时间点取样,测定溶液中金属离子的浓度,绘制脱附动力学曲线。
1. 2. 2摇 吸附试验
将金属储备液逐级稀释成不同浓度的溶液,分别为 0. 000、0. 044、0. 090、0. 018、0. 356、0. 534、0. 712、
0郾 890 mmol Cd2+ / L和 0. 000、0. 048、0. 121、0. 241、0. 483、0. 724、0. 965、1. 207 mmol Pb2+ / L,分别在 0. 044、
0郾 356、0. 890 mmol Cd2+ / L和 0. 048、0. 724、1. 207 mmol Pb2+ / L等 6 个浓度处设置 3 个平行样,考察实验数据
的稳定性。 研究富里酸对吸附的影响时,金属溶液中添加 400mg / L的富里酸。 称取(0. 02依0. 002) g 小球藻
于 50 mL塑料离心管中,加入上述金属溶液 30 mL,调节 pH值至 5. 0,加盖。 在 25 益、转速 150 r / min条件下
吸附 4 h(吸附动力学结果显示吸附在 4 h内基本达到平衡)。 测定上清液和藻细胞消解液中的金属浓度。
1. 3摇 数据处理与分析
通过对选取的 6 个不同浓度的点做平行样分析,计算结果的相对标准偏差,判断实验数据的离散程度,为
实验结果的可信度提供依据。
7991摇 7 期 摇 摇 摇 姜晶摇 等:蛋白核小球藻对 Pb(域)和 Cd(域)的生物吸附及其影响因素 摇
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小球藻对金属的吸附量计算公式为:
q =
C t 伊 V
m 伊 M
式中,q为吸附量(mmol / g);C t 为吸附完成后收集的藻消解液中的金属浓度(mg / L);V 为定容的体积(L);m
为小球藻的干重(g);M为金属的摩尔质量(g / mol)。
平衡浓度为 Ce 时金属的吸附平衡常数的计算公式为:
K = Q
Ce
式中,K为吸附平衡常数(L / g);Q为平衡吸附量(mmol / g);Ce 为平衡浓度(mmol / L)。
富里酸对小球藻吸附重金属的抑制率的计算公式为:
R(% ) =
Q0 - Qf
Q0
伊 100
式中,R为抑制率;Q0 为未添加富里酸时小球藻对重金属的吸附量(mmol / g);Qf 为添加富里酸后小球藻对重
金属的吸附量(mmol / g)。
实验数据运用 Excel软件进行处理,采用 Langmuir 吸附等温式在 SigmaPlot 软件中对吸附热力学数据进
行拟合,其它数据结果运用 Excel软件绘图后进行后续分析。
2摇 结果与讨论
2. 1摇 吸附动力学和脱附动力学
研究了重金属吸附动力学和脱附动力学过程,结果分别如图 1 所示。
图 1摇 Pb2+和 Cd2+的吸附和脱附动力学曲线
Fig. 1摇 Adsorption and desorption of Pb2+ and Cd2+ as a function of contact time
从吸附动力学曲线可以看出,蛋白核小球藻对 Pb2+和 Cd2+的吸附于 4 h 内基本达到平衡;在 5min 时,蛋
白核小球藻对 Pb2+吸附量达到 8h 吸附量的 88% , 对 Cd2+吸附量甚至超过了 8h 吸附量。 这表明小球藻吸附
Pb2+和 Cd2+离子的过程均为快速吸附过程,该结果与吴海锁的研究结果相一致[10]。 小球藻对 Cd 的吸附量在
5min后有略微降低的趋势,表明蛋白核小球藻对 Cd的吸附并不牢固。
观察了 24h的脱附实验,结果显示蛋白核小球藻对 Pb2+的吸附达到平衡后,4—24 h 间的脱附率仅由
1郾 77%增加到 2. 26% ;而对于 Cd2+,6 h 时的脱附率仅为 2. 01% ,但 24 h 时脱附率达到了 34. 6% 。 两种金属
脱附的差异同样说明了 Pb2+与小球藻的结合比 Cd2+更加稳定。
2. 2摇 吸附试验
对选取的 6 个浓度(0. 044、0. 356、0. 890 mmolCd2+ / L和 0. 048、0. 724、1. 207 mmolPb2+ / L)做平行样分析,
得到的相对标准偏差分别为:4. 81% 、3. 77% 、4. 36%和 4. 99% 、2. 65% 、4. 15% ,均小于 5. 00% ,说明实验的
结果离散程度小,数据可靠。
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试验研究了不同金属离子添加量对蛋白核小球藻吸附的影响,得到吸附量 q对平衡浓度 Ce 的变化曲线,
结果如图 2 所示。 可以看出,蛋白核小球藻对 Pb2+的吸附能力优于 Cd2+。
图 2摇 小球藻对 Pb2+和 Cd2+的吸附等温线
Fig. 2摇 Adsorption isotherms of Pb2+ and Cd2+ on Chlorella pyrenoidsa
将上述结果用 Langmuir 方程拟合,方程为:
1
q
= 1
qmax
+ 1
qmaxKLCe
(1)
式中,q为小球藻吸附重金属的量,mmol / g;Ce 为金属离子的平衡浓度,mmol / L;qmax 为最大吸附量;KL 为
Langmuir 吸附常数。 以 1 / q和 1 / Ce 分别为纵、横坐标作图,得图 2 中的两条直线。 蛋白核小球藻对 Pb 和 Cd
的吸附等温线拟合方程分别为公式 2 和公式 3。
1
q
= 1
0. 373
+ 1
4. 92 伊 Ce
(2)
1
q
= 1
0. 249
+ 1
9. 26 伊 Ce
(3)
根据 Langmuir 吸附等温式,得到蛋白核小球藻对 Pb2+和 Cd2+的最大吸附量 qmax 分别为 0. 373 mmol / g
(77郾 3mg / g)和 0. 249 mmol / g(28. 0mg / g)。 该结果与文献报道的相近,如 Sari A.等报道绿藻(Ulva lactuca)对
Pb2+和 Cd2+的吸附量分别为 0. 167 mmol / g 和 0. 260 mmol / g;Schmitt D.等报道了海藻(Cyclotella sp. )对 Pb2+
和 Cd2+的吸附量分别为 0. 18 mmol / g和 0. 20 mmol / g[14鄄15]。 由图 2 中也不难看出,蛋白核小球藻对金属元素
的最大吸附量是:Pb2+> Cd2+。 该现象以及上述文献结果与目前普遍认可的生物配位体模型的结论似乎并不
一致。 生物配位体模型认为金属离子通过与死亡藻体细胞壁上的官能团发生了反应而被吸附[16],或者可以
理解为藻体表面的吸附位点与金属离子间的作用。 那么,相同质量的蛋白核小球藻所提供的吸附位点是相同
的,其所吸附的带相同电荷的金属的摩尔数应该是相近的[17],即蛋白核小球藻对 Pb2+和 Cd2+的吸附量应该是
相近的。 对此,Haug A. 等的解释是,金属离子半径越大,越有利于与距离较远的功能基团络合位点相结
合[18]。 Pb的离子半径为 0. 133 nm,大于 Cd的 0. 109 nm。 另一个解释是,尽管 Pb2+和 Cd2+的价态是一样的,
但由于两者的离子半径不同,具有较大离子半径的 Pb2+具有较小的水化半径,更能与蛋白核小球藻中的络合
位点有效结合,从而被蛋白核小球藻有效吸附。 另外,从两种金属的电子轨道分布分析配合物的稳定性差异
同样可以解释两者吸附量的不同。 Pb 和 Cd 的外围电子构型分别为 6s26p2 和 4d105s2,化学性质上,Cd2+属于
软酸,其正电荷低、体积大、易被氧化和变形,而且含有易激发的 d 电子;Pb2+的软硬度介于软酸和硬酸之间。
小球藻表面能够与重金属产生配合作用的基团主要有羧基、羟基和氨基等,这些基团在软硬酸碱分类中均属
于硬碱。 根据软硬酸碱原则[19],属于软酸的 Cd2+与硬碱形成配合物的稳定性较 Pb2+与硬碱形成的配合物的
9991摇 7 期 摇 摇 摇 姜晶摇 等:蛋白核小球藻对 Pb(域)和 Cd(域)的生物吸附及其影响因素 摇
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稳定性差,从而导致了小球藻对 Cd2+的吸附量小于 Pb2+。 最后,两者的吸附差异可能还与它们的形态分布差
异有关。 运用 MINTEQ软件计算了在 pH值=5. 0、各吸附平衡浓度时 Pb和 Cd的形态分布。 结果表明,除了
Pb2+离子外,Pb的形态还有 Pb(OH) -3、PbOH
+、Pb2OH3
+等,这些形态在小球藻上的吸附很弱,Pb2+形态占总
Pb的 97. 7%—99. 7% 。 同样地,Cd 除了包括 Cd(OH) -3、Cd(OH) 2
-
4 、CdOH
+等弱吸附形态外,Cd2+形态占总
Cd的 91. 0%—99. 8% 。 因此,在 pH值=5. 0 时,Pb比 Cd更多地以可吸附形态(即生物有效性更高)的自由
离子存在,这同样支持了小球藻对 Pb的吸附大于 Cd的结果。
2. 3摇 pH值对 Pb2+和 Cd2+吸附的影响
图 3摇 pH对小球藻吸附 Pb2+和 Cd2+的影响
摇 Fig. 3 摇 Effect of pH on the adsorption of Pb2+ and Cd2+ on
Chlorella pyrenoidsa
取 Pb2+和 Cd2+的浓度分别为 0郾 121 mmol / L 和
0郾 356 mmol / L,用 1 mol / L 的 HCl 和 1 mol / L 的 NaOH
溶液调节 pH值至 2. 0、3. 0、4. 0、5. 0、6. 0 和 7. 0,保持
其他条件不变进行吸附试验。 以吸附平衡常数(K)对
pH值作图,结果如图 3 所示。
在重金属的生物吸附过程中,pH 值是一个重要的
影响因素[20鄄21]。 由图可以看出,酸性条件下,蛋白核小
球藻对 Pb2+和 Cd2+的吸附量随着 pH值的增加而增加,
并在 pH 值 5. 0—6郾 0 之间达到最大值;当 pH 值大于
6郾 0 时,即近中性时,两种金属的吸附量随 pH值的升高
而下降。 pH值对重金属吸附的影响是其对吸附质和吸
附剂两方面共同作用的结果。 在较强酸性条件下,作为
吸附剂的藻细胞表面官能团(羟基、羧基等)未发生解
离,吸附位点被 H+占据,阻碍了金属离子与藻细胞的结
合。 虽然在此 pH值条件下,金属离子多以自由离子的形式存在,但是 H+的作用此时占主导地位,所以导致
在低 pH值时,随着酸性的增加,Pb2+和 Cd2+的吸附量急剧下降。 在近中性 pH 值(6. 0Cd2+的吸附量随 pH值的升高而下降,而且 Pb2+吸附量的下降趋势明显大于 Cd2+。 根据 MINTEQ软件计算的
两种金属离子在不同 pH值条件下自由离子所占比例(结果如表 1 所示),可以发现,当溶液 pH值由 6. 0 增加
至 7. 0 时,金属铅的自由离子形态所占比例明显地从 97. 364%下降为 80. 462% ,而金属镉的自由离子形态所
占比例从 94. 567%变为 94. 509% ,基本维持不变。 由于自由金属离子被认为是生物有效性最高,最容易被吸
附的金属形态,所以随 pH值的升高,Pb2+的吸附量下降趋势较 Cd2+更为明显。 Cd2+吸附量的下降可能是由于
溶液中 OH-的增加,包围了金属离子,使其不易在藻上吸附。 对于两种金属的吸附量在 pH值 5. 0—6. 0 之间
达到最大值,应该是由藻细胞表面官能团解离导致金属离子与基团作用的增加和自由态离子所占比例下降导
致吸附量下降两者共同作用的结果。
表 1摇 不同 pH值条件下 Pb2+和 Cd2+占总金属浓度的百分比
Table 1摇 Percent of Pb2+ and Cd2+ in total metal concentration at different pH
M2+
pH
2. 0 3. 0 4. 0 5. 0 6. 0 7. 0
Pb2+ / % 99. 742 99. 686 99. 652 99. 438 97. 364 80. 462
Cd2+ / % 95. 479 94. 728 94. 590 94. 574 94. 567 94. 509
2. 4摇 离子强度对吸附的影响
选择金属离子溶液的浓度分别为 0. 596 Cd2+mmol / L和 0. 878 Pb2+mmol / L,添加浓度分别为 0. 00、0. 03、
0. 06、0. 09、0. 12、0. 15 mol / L的 NaNO3 溶液,进行吸附试验,得到小球藻对两种金属的吸附反应平衡常数(K)
随 NaNO3 浓度的变化曲线,结果如图 4 所示。
0002 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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由图 4 可以看出,在 0—0. 15mol / L 的 NaNO3 浓度范围内,Pb2
+和 Cd2+吸附量均随着溶液中 NaNO3 浓度
的升高而呈下降趋势。 离子强度对蛋白核小球藻吸附重金属的影响表明:静电作用在蛋白核小球藻吸附
Pb2+和 Cd2+过程中具有重要的地位[22]。 吸附量随离子强度的增加而降低的原因可能有以下两个方面。 其
一,藻细胞的悬浮液可看成是胶体溶液,在吸附过程中,带负电荷的藻细胞就是胶核,在其外围形成了正电荷
(Pb2+和 Cd2+)的扩散双电层。 当增加 Na+浓度时,双电层被压缩,Pb2+和 Cd2+与藻细胞间的静电作用被削弱,
继续增加离子强度,Na+包围了藻体表面带相反电荷的吸附点位,甚至中和了部分吸附点位的电荷,从而导致
吸附量下降。 其二,根据 Dorobantu提出的胶体稳定性理论—DLVO 理论[23],带电荷的粒子之所以可以稳定
存在是因为在其外部有扩散双电层存在,并使之互相排斥。 因此当溶液离子强度增加时,粒子(藻体)表面的
电荷被中和,使得粒子间的静电斥力下降甚至消失,从而使得原本分散的粒子(藻体)出现团聚现象,原先暴
露并与金属离子结合的位点减少,这可能是导致吸附量下降的另一个原因。
2. 5摇 温度对吸附的影响
分别在温度为 277、288、298、313、323K,Pb2+和 Cd2+的添加浓度分别为 0. 676 mmol / L 和 0. 534 mmol / L,
其他条件不变的情况下,进行吸附试验,得到了各温度下的平衡常数(K)对温度(T)的变化曲线(图 5)。
图 4摇 离子强度对小球藻吸附 Pb2+和 Cd2+的影响
摇 Fig. 4 摇 Effect of ionic strength on the adsorption of Pb2+ and
Cd2+ on Chlorella pyrenoidsa
图 5摇 温度对小球藻吸附 Pb2+和 Cd2+的影响
摇 Fig. 5摇 Effect of temperature on the adsorption of Pb2+ and Cd2+
on Chlorella pyrenoidsa
温度作为一个重要的环境因素,是运用生物吸附剂进行污染修复过程中需要考虑的因素[24鄄25]。 由图可
以看出,在 277—323 K 的温度范围内,两种金属吸附平衡常数 K 随着温度的升高而增加。 根据 Clausius鄄
Clapeyron方程:
dlnK
dT
= 驻H
RT2
(4)
可以确定吸附平衡常数 K和反应焓变吟H之间的关系。 当考虑温度在一个有限的范围内变化时,吟H可
以认为是一个常数,通过积分,上式可以转变为:
ln
K(T2)
K(T1)
= 驻H
R
T2 - T1
T1T
æ
è
ç
ö
ø
÷
2
(5)
根据公式 5 可计算出相邻两个温度之间的反应焓变吟H,结果见表 2。
从表 2 可以看出,蛋白核小球藻对两种金属的吸附焓变吟H 均大于零,根据 Clausius鄄Clapeyron 方程的判
定方法,吟H>0,说明反应是一个吸热过程,这与通常所认为的金属阳离子与生物配体上的羧基等配位基团形
成配合物是个吸热的过程相符合。 同时,我们也可以发现随着温度的增加,吸附反应的反应焓变也相应增加,
说明温度越高,吸附反应对温度的敏感性越强,吸附量增加的趋势越明显,这可能是由于温度的升高增加了蛋
1002摇 7 期 摇 摇 摇 姜晶摇 等:蛋白核小球藻对 Pb(域)和 Cd(域)的生物吸附及其影响因素 摇
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白核小球藻细胞表面的活性位点的数量,从而使得吸附量不断上升。 至于上升趋势的不同,可能与活性位点
增加的速率有关[22, 26]。
表 2摇 温度对吸附反应平衡常数(K)及反应焓变 驻H变化的影响
摇 Table 2 摇 Influence of temperature on the alteration of equilibrium
constant (K) and enthalpy (驻H)
温度
Temperature / K
Pb
K
/ (L / g)
驻H
/ ( J / mol)
Cd
K
/ (L / g)
驻H
/ ( J / mol)
277 0. 58 12194 0. 41 3398
288 0. 71 14501 0. 43 9520
298 0. 87 13059 0. 49 6060
313 1. 12 21706 0. 55 9305
323 1. 45 0. 62
2. 6摇 富里酸对小球藻吸附 Pb2+和 Cd2+的影响
添加的富里酸(FA)浓度为 400 mg / L,进行吸附
试验,考察富里酸对小球藻吸附金属离子的影响。 吸
附的抑制率随金属初始添加浓度的变化如图 6 所示。
富里酸为溶解性有机质的主要成分,在环境水体
中普遍存在,含有大量的羧基和酚羟基,这些官能团
能够与重金属形成络合物,影响重金属在吸附剂上的
吸附[27]。 由图 6 可以看出,富里酸对 Pb2+和 Cd2+吸
附的抑制在金属离子浓度较低时达到最大,最大抑制
率分别为 34. 2%和 34. 9% 。 此后随着重金属添加浓
图 6摇 富里酸对小球藻吸附 Pb2+和 Cd2+的抑制率
摇 Fig. 6 摇 Inhibition rate of fulvic acid on the adsorption of Pb2+
and Cd2+ on Chlorella pyrenoidsa
度的增加,富里酸的抑制率逐渐降低,在实验最高添加
浓度时,抑制率仅分别为 3. 93%和 8. 79% 。 可能原因
是,在低浓度金属存在下,添加的富里酸官能团与金属
络合尚未完全,所以随着金属离子浓度的增加,富里酸
络合的金属量也逐渐增加,导致抑制率逐渐增加。 当富
里酸络合饱和后,添加的重金属完全被藻细胞吸附,吸
附量随金属浓度的升高而增加,从而导致抑制率在高浓
度金属添加量时呈现下降的趋势。
3摇 结论
基于蛋白核小球藻对 Pb 和 Cd 的吸附能力,本研
究结果表明,小球藻不仅能够作为一种潜在的生物吸附
剂对重金属污染水体进行生物修复,同时天然水体中死
亡的藻体,能够吸附水体中的重金属,对重金属在水生
生态环境中的迁移产生一定的影响。 本实验的结果有
助于我们更好地评价重金属在水环境中的生态效应,同
时为藻类生物吸附剂在水处理中的应用积累基础资料。 主要结论如下:
(1)蛋白核小球藻对 Pb2+和 Cd2+的吸附符合 Langmuir吸附模型,经拟合得到的最大吸附量分别为 0. 373
Pb2+ mmol / g和 0. 249 Cd2+ mmol / g。 蛋白核小球藻对 Pb2+和 Cd2+的吸附量在 pH 值 5. 0 和 6. 0 之间达到最
大;随溶液中离子强度(NaNO3 的浓度)的增加而降低;随温度的升高而升高,表明吸附反应是一个吸热过程,
且 Pb2+吸附量随温度的增加比 Cd2+更明显。 富里酸可降低 Pb2+和 Cd2+在蛋白核小球藻上的吸附,在低金属
浓度时抑制效果更强,最大抑制率分别达到了 34. 2%和 34. 9% 。
(2)吸附动力学和脱附实验表明,蛋白核小球藻对 Pb2+和 Cd2+的吸附于 4 h内基本达到平衡,是一个快速
吸附过程。 Pb2+吸附完成后相当稳定,在清水中基本不脱附,Cd2+则在一个相对稳定期后出现较大量的脱附。
(3)本研究结果为蛋白核小球藻在重金属污染修复中的作用和应用提供理论参考。 首先,蛋白核小球藻
较适合于弱酸性、低盐度的重金属污染水体的修复;其次,对于温度较高的废水,蛋白核小球藻的修复效果更
佳。 溶解性有机质含量较高的污染水体不适合用蛋白核小球藻进行污染修复。
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3002摇 7 期 摇 摇 摇 姜晶摇 等:蛋白核小球藻对 Pb(域)和 Cd(域)的生物吸附及其影响因素 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 7 April,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Theoretical framework and key techniques of urban ecological landscape research SUN Ranhao,XU Zhongliang, CHEN Liding,et al (1979)………
Response of sinapate esters in Arabidopsis thaliana to UV鄄B radiation LI Min, WANG Yin, MU Xiaofei, et al (1987)………………
Biosorption of lead (域) and cadmium (域) from aqueous solution by Chlorella pyrenoidsa and its influential factors
JIANG Jing, LI Liang, LI Haipeng,et al (1995)
………………
……………………………………………………………………………………
Response of pear jujube trees on fruit development period to different soil water potential levels
HAN Lixin,WANG Youke,ZHANG Linlin (2004)
………………………………………
…………………………………………………………………………………
An approach for analyzing resources metabolism of industrial ecosystems
SHI Xiaoqing, YANG Jianxin, WANG Rusong,et al (2012)
………………………………………………………………
………………………………………………………………………
Establishment of environmental sustainability assessment indicators based on material flow and ecological footprint model in
Tongling City of Anhui Province ZHAO Huihui, WANG Yuan, GU Xueming, et al (2025)……………………………………
Health status evaluation of the farmland supply function at county level in Hebei Province
BAI Linhong,WANG Wei,ZHANG Yu (2033)
……………………………………………
………………………………………………………………………………………
Inhibition effects and mechanisms of the endophytic fungus Chaetomium globosum L18 from Curcuma wenyujin
WANG Yanhong, WU Xiaomin, ZHU Yanping, et al (2040)
………………………
………………………………………………………………………
Water use of walnut鄄wheat intercropping system based on stable carbon isotope technique in the low hilly area of North China
HE Chunxia, MENG Ping, ZHANG Jinsong, et al (2047)
………
…………………………………………………………………………
Spatial heterogeneity of soil microbial biomass carbon, nitrogen, and phosphorus in sloping farmland in a karst region on the
Yunnan鄄Guizhou Plateau ZHANG Liqing, PENG Wanxia, SONG Tongqing, et al (2056)………………………………………
Relationship among rice root aerechyma, root radial oxygen loss and rhizosphere nitrification LI Yilin (2066)………………………
Effects of Eriosoma lanigerum (Hausmann) on physiological indices of different apple cultivars
WANG Xicun, YU Yi, ZHOU Hongxu, et al (2075)
………………………………………
………………………………………………………………………………
Effects of P鄄efficient transgenic soybean on rhizosphere microbial community JIN Lingbo, ZHOU Feng, YAO Juan,et al (2082)……
Detecting major phenological stages of rice using MODIS鄄EVI data and Symlet11 wavelet in Northeast China
XU Yanyan, ZHANG Jiahua, YANG Limin (2091)
…………………………
…………………………………………………………………………………
Cropping system optimization based on the comparative analysis of precipitation utilization in Sichuan Province
WANG Mingtian, QU Huihui,YANG Xiaoguang, et al (2099)
………………………
……………………………………………………………………
The impacts of global climatic change on chilling damage distributions of maize in Northeast China
GAO Xiaorong, WANG Chunyi, ZHANG Jiquan (2110)
……………………………………
……………………………………………………………………………
Effect of fertilization on ammonia volatilization from paddy fields in Chao Lake Basin ZHU Xiaohong,MA Zhongwen,MA Youhua, et al (2119)……
Effects of arbuscular mycorrhizal fungus on net ion fluxes in the roots of trifoliate orange(Poncirus trifoliata) and mineral
nutrition in seedlings under zinc contamination XIAO Jiaxin, YANG Hui, ZHANG Shaoling (2127)……………………………
The effect of red 颐far red ratio on the stomata characters and stomata conductance of Chrysanthemum leaves
YANG Zaiqiang, ZHANG Jing, JIANG Xiaodong, et al (2135)
…………………………
……………………………………………………………………
Dynamic characteristics of litterfall and nutrient return of four typical forests along the altitudinal gradients in Mt. Shennongjia,
China LIU Lei, SHEN Guozhen,CHEN Fangqing, et al (2142)…………………………………………………………………
Aboveground litter contribution to soil respiration in a black locust plantation in the Loess Plateau
ZHOU Xiaogang,GUO Shenli, CHE Shengguo, et al (2150)
……………………………………
………………………………………………………………………
Life history and spatial distribution of a Taiwania flousiana population in Leigong Mountain, Guizhou Province, China
CHEN Zhiyang, YANG Ning,YAO Xianming, et al (2158)
………………
………………………………………………………………………
The feasibility of using LAS measurements of the turbulence structure parameters of temperature above a forest canopy
ZHENG Ning, ZHANG Jinsong, MENG Ping, et al (2166)
………………
………………………………………………………………………
Spatial distribution of vegetation and carbon density in Jinyun Mountain Nature Reserve based on RS / GIS
XU Shaojun, ZENG Bo,SU Xiaolei,et al (2174)
……………………………
……………………………………………………………………………………
Early nitrogen deposition effects on CO2 efflux from a cold鄄temperate coniferous forest soil
WENDU Runa, FANG Huajun, YU Guirui,et al (2185)
……………………………………………
……………………………………………………………………………
Epilithic diatom assemblages distribution in Gui River basin, in relation to chemical and physiographical factors
DENG Peiyan, LEI Yuanda, LIU Wei, et al (2196)
……………………
………………………………………………………………………………
Acute stress caused by sand discharging on Yellow River Carp (Cyprinus carpio) in Xiaolangdi Reservoir
SUN Luyin, Baiyinbaoligao, NIU Cuijuan,et al (2204)
……………………………
……………………………………………………………………………
Environmental cost of pond aquiculture in Shanghai: an empirical analysis based on double鄄bounded dichotomous CVM method
TANG Keyong, YANG Zhengyong, YANG Huaiyu,et al (2212)
……
……………………………………………………………………
Host searching behaviour of Apanteles cypris Nixon (Hymenoptera: Braconidae) ZHOU Hui, ZHANG Yang, WU Weijian (2223)…
The effect of hedgerows on the distribution of Harmonia axyridis Pallas in agroforestry systems
YAN Fei, ZHOU Zaibao,WANG Shuo, et al (2230)
………………………………………
………………………………………………………………………………
Induction of early resistance response to Alternaira alternate f. sp. mali in apple leaves with apple and chitosan fermentation broth
WANG Rongjuan,YAO Yuncong,QI Yapinget al (2239)
…
……………………………………………………………………………
Review and Monograph
Research into vulnerability assessment for coastal zones in the context of climate change
WANG Ning, ZHANG Liquan, YUAN Lin, et al (2248)
………………………………………………
…………………………………………………………………………
Introduction and ecological effects of an exotic mangrove species Sonneratia apetala
PENG Yougui, XU Zhengchun, LIU Minchao (2259)
……………………………………………………
………………………………………………………………………………
Discussion
Degradation of organic contaminants with biological aerobic fermentation in sewage sludge dewatering and its influencing factors
YU Jie,ZHENG Guodi,GAO Dinget al (2271)
……
………………………………………………………………………………………
Remediation of soils contaminated with polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) using four greening tree species
YAN Wende, LIANG Xiaocui, ZHENG Wei,et al (2279)
…………………
…………………………………………………………………………
Scientific Note
Diversity of endophytic fungi from six dominant plant species in a Pb鄄Zn mine wasteland in China
LI Dongwei, XU Hongmei, MEI Tao, et al (2288)
……………………………………
…………………………………………………………………………………
Effects of Meloidogyne incognita on scavenging system of reactive oxygen species in tomato seedlings grafted with different rootstocks
LIANG Peng,CHEN Zhende, LUO Qingxi (2294)
…
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《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方
法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
国内邮发代号:82鄄7摇 国外邮发代号:M670摇 标准刊号:ISSN 1000鄄0933摇 CN 11鄄2031 / Q
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摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 32 卷摇 第 7 期摇 (2012 年 4 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 32摇 No郾 7摇 2012
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