全 文 ：第 31卷第 1期　　　　　　　　 　西 南 大 学 学 报(自然科学版)　　　　　　　　　　　2009年1月
Vol.31　No.1 Journal of Southw est Unive rsity (N atural Science Edi tion) Jan.　2009
文章编号:1673-9868(2009)01-0155-06
小球藻吸附汞离子的研究＊
张进忠1 , 2 , 　罗爱民3 , 　周志峰1 , 　孙亚玲1 , 　王　敏1
1.西南大学 资源环境学院 , 重庆 400716;2.重庆市农业资源与环境重点实验室 , 重庆 400716;
3.四川大学 轻纺与食品工程学院 , 成都 610065
摘要:从天然水体中分离并纯化获得藻类物质 , 经细胞形态和显微形态观察 , 鉴定为小球藻(Chlorella).通过小球
藻液对 H g2+的吸附实验研究 , 获得了最佳的吸附实验条件 , 并研究了小球藻对 Hg 2+的吸附特征.结果表明:小球
藻对 Hg 2+的生物吸附能力强 , 其吸附行为可以用 Langmuir 和 F reundlich 等温吸附方程描述 , 但更符合 Freundlich
吸附模型.
关　键　词:小球藻;汞离子;生物吸附;吸附特征
中图分类号:X703.1 文献标识码:A
重金属离子主要产生于采矿 、冶金 、电镀 、无机化工和造纸工业等部门 , 如果进入水体并达到一定水
平 , 将会影响水环境质量.重金属离子对水生生物具有毒性 , 能够在其体内积累并通过食物链进入人体 ,
引起慢性中毒甚至导致致癌.作为全球性污染物 , 汞进入水体后能够在水-气界面 、水-沉积物界面和水
-生物界面迁移 , 特别是在微生物作用下 , 水体中的无机汞可被转化为毒性更强的甲基汞[ 1-2] .甲基汞
的脂溶性强 , 在鱼和其它水生生物体内具有很高的浓缩系数[ 3] , 在水体中具有生物积累和生物放大特
征 , 将会对水生生态系统和人体健康造成严重危害.因此 , 如何去除水环境中的汞一直是环境科学工作
者关注的热点问题.
目前重金属的去除方法主要有物理法 、化学法和和生物法[ 4-5] , 其中生物法对环境最为友好且最有发
展前景.大量研究表明[ 6] , 微生物对重金属离子有良好的吸附性能 , 它可通过吸附富集 、氧化还原 、成矿沉
淀 、淋滤和协同效应等去除水中的重金属.小球藻属绿藻门 、绿藻纲 、绿球藻目 、卵孢藻科 、小球藻属 , 常
见的有核蛋白小球藻 、眼点小球藻 、卵形小球藻 、盐生小球藻和海生小球藻等.目前 , 已有人将小球藻用作
吸附剂去除水体中 Cu , Cd ,Zn , Mg 和 Ni[ 7-8] , 但对 Hg 2+的去除研究还未见报道.本研究从天然水体中分
离出小球藻(Ch lorella), 研究了小球藻对 Hg2+的吸附特征 , 并探讨了吸附条件的影响 , 旨在为控制水环境
中的汞污染提供科学依据.
1　材料与方法
1.1　主要试剂
土壤提取液:取未施肥的花园土 0.5 kg 置于三角瓶中 , 加入蒸馏水 1 000 mL , 瓶口用透气塞封口 , 在
水浴中沸水加热 2 h , 冷却数小时.在无菌条件下过滤得到上清液 , 加入灭菌蒸馏水至 1 000 mL , 在4 ℃冰
箱中保存备用.
＊收稿日期:2008-07-19
基金项目:重庆市自然科学基金资助项目 (CSTC 2005BB7235).
作者简介:张进忠(1966-), 男 , 四川营山人 , 教授 , 博士 , 主要从事环境化学研究.
DOI :10.13718/j.cnki.xdzk.2009.01.002
A 5溶液:称取 286 mg H 3BO 3 , 181 mg M nCl2 · 4H 2O , 22 mg ZnSO 4 · 7H 2O , 7.9 mg CuSO 4 ·
5H 2O , 3.9 mg(NH 4)6Mo7O 24 ·4H 2O , 溶解后定容至 100 mL .
EDTA-Fe 溶液:称取 1 g Na2 EDTA 溶于50 mL 蒸馏水 , 81 mg FeCl3 ·6H 2O溶于 50 mL 0.1 mo l/L
的 HCl溶液中 , 将 2种配制溶液混匀而成.
S E液体培养基:称取 0.25 g NaNO 3 , 0.075 g K2HPO 4 ·3H 2O , 0.075 g M gSO 4 ·7H 2O , 0.025 g
CaCl2 ·2H 2O , 0.175 g KH 2PO 4 , 0.025 g NaCl和0.005 g FeCl3 ·6H 2O , 加入 40 mL 土壤提取液 、 1 mL
Fe-EDTA 和 1 mL A 5 溶液 , 用去离子水定容至 1 000 mL , 摇匀 , 分装在三角瓶中 , 121 ℃高压灭菌
30 min , 冷却至室温 , 在 4 ℃冰箱中保存备用.
S E固体培养基:在 SE液体培养基中加入2%的琼脂 , 121 ℃高压灭菌 20 min , 冷却至室温 , 在4 ℃冰
箱中保存备用.
Hg2+储备液:称取 0.134 3 g HgCl2(分析纯 , 分子量为 269.5)溶于稀 HCl 中 , 用去离子水定容至
1 000 mL , 此贮备液浓度为 100 mg/L.
1.2　主要仪器
手提式高压灭菌锅:DSX-280B型 , 上海申安医疗器械厂;
显微镜:MO TIC;
离心机:CF16RX型 , Takeda Hitachinaka City Ibaraki Pref , 日本;
智能人工气候箱:PQX型 , 宁波莱福科技有限公司;
振荡恒温箱:SHZ-82型 , 国华企业;
精密 pH 计:PHS-3C 型 , 成都市方舟科技开发公司;
冷原子荧光测汞仪:YYG-2型 , 西安无线电八厂.
1.3 藻类的鉴定方法
采用常规的鉴定方法[ 9] , 即显微镜观察细胞形态 、颜色 、粒径和运动情况等鉴定被分离的藻类.藻细
胞数目的测定采用血球板记数法:藻细胞密度=每小格藻细胞数 ×4 000 ×1 000.
1.4　Hg2+的测定方法
采用冷原子荧光测汞仪测定[ 10] .
1.5　实验步骤
1.5.1　藻类的分离与鉴定
分离藻类所用水样采自重庆市北碚区张自忠烈士陵园的池塘 , 水体呈绿色 , 水面漂浮着大量的藻类.
用取水器采集池塘水面下 20 ～ 30 cm 的水样 , 装入已灭菌的三角瓶中.
取 50 mL 水样 , 过滤除去大颗粒物 , 10 000 r/min离心 10 min , 弃去上清液;加入 10 mL SE培养液 ,
振荡 1 min , 再离心弃去上清液 , 重复 3次;加入培养液 , 振荡 , 取 1 mL 悬浮液接种于 10 mL 新鲜培养液
中 , 光照连续培养 5 d , 连续培养 3次 , 注意观察培养液的颜色是否明显变绿 , 同时做镜检 , 用稀释平板法
在固体培养基上进一步纯化 3 ～ 5次 , 接种于 SE固体培养基斜面 , 培养后保存.
根据纯化时固体培养基上藻细胞的特征和显微镜检结果进行初步鉴定 , 纯化后接种于 SE 液体培养基
中 , 置于人工气候箱中培养 , 每天摇动两次.
1.5.2　藻类对 Hg 2+的吸附研究
取一定体积的上述藻细胞悬液置于 100 mL 三角瓶中 , 加入一定量的 Hg2+溶液 , 使溶液最终定容为
50 mL , 藻液初始浓度为 105 ～ 106 cells/mL , Hg2+溶液浓度为 1 ～ 50 mg/L .用稀 NaOH 或 HCl溶液调节
体系 pH 值为 3.0 ～ 6.0 , 在 20 ～ 40 ℃内 160 r/min下振荡 , 离心 , 同时保留相应的培养基空白做对照 , 测
定滤液中 Hg2 +的残留量.
同时考察吸附实验条件 , 如振荡时间 、吸附液 pH 值 、藻液初始浓度和温度对 Hg2+吸附量的影响.在
考察吸附液pH 值对吸附量的影响时 , 设置空白实验 , 分离产生的 Hg(OH)2 沉淀 , 以准确确定藻类物质对
Hg2+的吸附量.在获得最佳的实验条件后 , 研究藻类物质对 Hg2+的吸附特征.
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2　结果与讨论
2.1　藻类的鉴定与扩大培养
表 1和图 1表示了分离获得藻类的特征.通过藻体的常规鉴定方法 、运动性观察 , 初步确定该藻类物
质为小球藻(Chlorella).将其扩大培养后 , 获得的藻液浓度为 1 ×107 cells/mL.
图 1　40×显微镜下观察到的藻类
表 1　分离藻类的特征
鉴定方法 鉴定结果
形态 呈绿色 , 藻细胞群落丰厚
大小 直径在 0.5 μm 左右
运动性观察 视野中藻类呈圆形或椭圆形 , 不游动 , 没有鞭毛
2.2　小球藻对 Hg2+的吸附条件
2.2.1　吸附平衡时间的确定
图2表示了 Hg2+的吸附量与振荡时间的关系.由图
2可知 , 小球藻的吸附量随时间的增加而增加.当振荡时
间为 0.5 h时 , 小球藻开始吸附 Hg2+;在振荡时间为6 h
时 , Hg2+的吸附率达到 48.9%;在振荡时间为 12 h时 ,
吸附条件:温度 25 ℃;吸附液中 H g2+的初始浓度为 20 mg· L -1 ,
藻液的初始浓度为 106 cells·mL -1 , pH 值为 4.
图 2　Hg2+吸附与振荡时间的关系
Hg2+的吸附率达到 52.3%.为了节省时间 , 本研究
确定吸附平衡时间为 6 h.
现有研究表明 , 小球藻对 Cu2+ , Cd2+和 Zn2+的
吸附可在 2 ～ 3 h达到平衡[ 11] , 且吸附率在 90%以上 ,
这可能与小球藻和重金属离子的种类有关.本研究采
用的小球藻来自内陆水体 , 且用常规鉴定方法只能鉴
定到属 , 但不同种的小球藻对重金属具有不同的吸附
能力[ 12] .在小球藻吸附 Cu2+ , Cd2+和 Zn2+时 , 采用
的小球藻纯化到种 , 即核蛋白小球藻;另一方面 , 本
研究的重金属离子为 Hg2+ , 它的化学性质决定了小
球藻对其吸附能力的差异.因此 , 要区分小球藻对几
种重金属离子吸附的差异 , 必须明确小球藻的种 , 这
需要深入的鉴定工作作支撑.
2.2.2　吸附液 pH 值的影响
吸附液的 pH 值也是影响吸附作用的重要因素 , 研究发现只有在适宜的 pH 范围内 , 吸附作用才会有
效发生[ 13] .若吸附液 pH 值低 , 则溶液中大量存在的 H+与金属离子竞争细胞壁上有限的结合点位 , 使得
吸附量减少;若吸附液 pH 值高 , 可能造成金属离子形成氢氧化物沉淀 , 使得金属离子在细胞壁上的吸附
量减少 , 难以达到吸附去除的目的.
根据溶度积原理 , 当 Hg2+的浓度为 20 mg/L(约 0.1 mmol/L)时 , 产生 Hg(OH)2 沉淀时的最低 pH
为 3.34.在小球藻吸附 Hg2+时 , 由于 Hg(OH)2 沉淀的形成 , 也使吸附液中 Hg2+的平衡浓度降低 , 产生
“假吸附”现象.此时 , Hg2+的归宿有三个方面 , 即一部分被小球藻吸附 , 一部分与 OH -形成 Hg(OH)2 沉
淀 , 其余的则残留在溶液中.因此 , 在计算小球藻对 Hg2+的吸附量时应当扣除形成 Hg(OH)2 沉淀所消耗
的 Hg2+量.根据理论计算 , 当 pH =4时 , 产生的沉淀量很少 , 对小球藻吸附 Hg 2+的影响可忽略不计;当
pH 为 5和 6时 , 产生的Hg(OH)2 沉淀量分别为 0.004 9μg 和 0.041μg.为了准确获得 pH 为5和 6时的
吸附量 , 本研究采用空白试验:即在 Hg 2+溶液中加入稀 N aOH 溶液 , 调节 pH 至 5和 6 , 过滤分离形成的
Hg(OH)2 沉淀 , 再用稀 HNO3 溶解 , 测定形成沉淀的 Hg 2+量 , 小球藻对 Hg2+的吸附量则由 Hg2+的初始
浓度扣除 Hg2 +的平衡浓度和形成 Hg(OH)2 的 Hg2+量后计算获得 , 由此做出 pH 对吸附量的影响曲线 ,
157第 1期　　　　　　　　　　　　张进忠 , 等:小球藻吸附汞离子的研究
其结果见图 3.
从图 3可以看出 , 在吸附液 pH 为 2 ～ 4时 , 随着 pH 值的增加 , Hg2+的吸附量也随之增加 , 且在 pH
=4时达到最大值 , 吸附率为 53.8%;在 pH 为 4 ～ 6时 , 随着 pH 值的增加 , Hg 2+的吸附量随之减小.因
为工业废水的 pH 一般在 4左右 , 这有利于小球藻对 Hg 2+的吸附 , 因此本研究确定吸附液的 pH 为 4.
2.2.3　藻液初始浓度的影响
图 4表示了藻液初始浓度对 Hg2+吸附量的影响.由图 4可知 , 当藻液的初始浓度在 3×105 ～ 2×106
cells/mL 时 , 小球藻对 Hg2 +的吸附量随藻液初始浓度的增加而增加.这是因为吸附液中藻细胞密度增加 ,
使藻细胞表面与 Hg2+接触的点位增加 , 从而导致吸附量的增加.由于本研究藻液的浓度限制为 1 ×107
cells/mL , 所以选定吸附实验的藻液初始浓度为 1 ×106cel ls/mL.
吸附条件:温度 25 ℃, 振荡时间为 6 h;吸附液中 H g2+的初始浓度
为 20 mg· L-1 , 藻液的初始浓度为 106 cells·mL-1.
图 3　吸附液 pH对 Hg2+吸附的影响
吸附条件:温度 25 ℃, 振荡时间为 6 h;吸附液中 H g2+的初始浓度
为 20 mg· L-1 , pH 为 4.
图 4　藻液初始浓度对吸附的影响
2.2.4　温度的影响
图 5表示了温度对 Hg2+吸附量的影响.从图 5可以看出 , 在 20 ～ 25 ℃内 , Hg2+的吸附量随温度的增
加而增加 , 在 25 ℃达到最大值;在 25 ～ 35 ℃内 , Hg2+的吸附量随温度的增加而降低.这是因为小球藻在
春 、秋两季生长较快(约为 25 ℃), 有利于小球藻对 Hg2+的吸附[ 14] ;如果温度超过 25 ℃, 小球藻的活性反
而降低 , 其生长代谢活动缓慢 , 不利于小球藻对 Hg2+的吸附.因此 , 本研究选定温度为 25 ℃.
综上所述 , 我们获得了最佳的吸附条件 , 即吸附时间为 6 h , 温度为 25 ℃, 吸附液 pH 为 4 , 藻液的初
始浓度为 1 ×106 cel ls/mL.
2.3　小球藻对 Hg2+的吸附特征
在选定的实验条件下 , 研究了小球藻对 Hg2+的吸附特征 , 获得如图 6所示的吸附曲线.由图 6可知 ,
随着 Hg2+平衡浓度的增加 , 小球藻对 Hg 2+的吸附量增加 , 并逐渐趋于平衡 , 结果表明小球藻能很好地吸
附 Hg2+.
吸附条件:振荡时间 6 h;吸附液中 H g2+的初始浓度
为 20 mg· L -1 , 藻液的初始浓度为 106 cell s·mL -1 , pH =4.
图 5　温度对吸附量的影响
图 6　Hg2+的吸附曲线
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　　用 Langmuir 和Freundlich等温吸附方程拟合实验数据 , 获得了相应的吸附等温式和吸附常数 , 如表2
所示 , 吸附等温曲线见图 7和图 8.由图表可以获得两个方面的结果:第一 , 在本研究的浓度范围内 , 小球
藻对 Hg 2+的吸附符合 Langmuir和 Freundlich吸附等温式 , 并获得了较好的拟合效果;第二 , 比较两个吸
附等温方程的拟合效果 , 发现采用 Freundlich吸附等温式获得的相关系数大于 Langmuir吸附等温式 , 表
明小球藻对 Hg2+的吸附过程更符合 Freundlich等温吸附模型 , 这与小球藻吸附Cu2+ , Cd2+和Zn2+的实验
结果一致[ 10] .
表 2　小球藻对 Hg2+的吸附特性(测定点数为 8)
Langmuir 等温吸附模型 Freundlich 等温吸附模型
Qmax =9.02×10 -6 mg kcells -1 1/ n=0.79
k=0.034 k=3.54×10 -8
r=0.916 2 r=0.942 6
Q=3.04×10 -6C/(1+0.024C) Q=3.54×10-8C0.79
　　注:Q 为吸附量 , Qmax为最大吸附量 , C为平衡浓度 , k和 1/n 为常数 , r为相关系数.
图 7　Langmuir等温吸附曲线 图 8　Freundlich等温吸附曲线
3　结　　论
本研究从内陆水体中分离并纯化获得藻类物质 , 采用常规的藻类鉴定方法初步确定为小球藻(Chlo-
rella).通过该藻液对 Hg2+的吸附实验 , 探讨了该藻液对 Hg 2+的吸附特性 , 获得了如下结论:
1)小球藻吸附 Hg2+的最佳实验条件为:平衡时间为 6 h , 温度为 25 ℃, 吸附液 pH 为4 , 藻液的初始
浓度 1×106 cel ls/mL;
2)小球藻对 Hg2+有较强的吸附能力 , 其吸附行为可以用 Langmuir和 Freundlich等温吸附模型描述 ,
但更符合 Frenundlich 吸附模型.
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A Study of Adsorption of Mercury Ions by Chlorella
ZHANG Jin-zhong1 , 2 , 　LUO Ai-min3 , 　ZHOU Zhi-feng1 ,
SUN Ya-ling 1 , 　WANG　Min1
1.College of Resources and Environment , Southwest University , Chongqing 400716 , China;
2.Chongqing Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment , Chongqing 400716 , China;
3.College of Light Industry &Textile &Food Engineering , Sichuan University , Chengdu 610065 , China
Abstract:One alga separated and purified from natural w ater-body w as identified as Chlorel la by cy tomo r-
phological and microscopic examination.T he ef fect of expe rimental conditions on the adsorption of Chlo-
rella to mercury ion w as examined and the optimal conditions w ere obtained.Moreover , the adso rption
characteristics of Chlorella to mercury ion w ere studied.The results show ed that Chlorel la has st rong bio-
sorption capaci ty to mercury ion , and the adso rption behavior can be described by Langmuir and Freundlich
isothermal adsorption equat ions , the latter equation being the bet te r.
Key words:Chlorel la;mercury ion;bio so rpt ion;adso rption characterist ic
责任编辑　陈绍兰　　　　
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