藻类与重金属的相互作用研究

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1、摘要 藻类与重金属的相互作用研究 摘要 藻类与重金属的相互作用研究对于了解重金属对水生生物的致毒机理和藻 类的抗性机制、利用藻类生物监测和防治水体重金属污染具有重要的意义，但 目 前这一领域的工作在机理研究、方法手段等方面均存在着不足。本研究测试了四 种 重 金 属 ( C 了 十 、 Z n 2 + 、 C d 2 + 、 C r ( V I ) ) 分 别 抑制 五 种 藻 类 ( 蛋白 核 小 球 藻、 羊角月牙藻、四 尾栅藻、 聚球藻、钝 顶螺旋藻) 生长的毒性 效应， 在比 较分析的 基础上， 采用 X射线吸收 近边结构 ( X A N E S )的 手段探索了藻 类对 C r (

2、V I ) 的吸 收和转化作用: 通过考察高岭 土和海泡 石对Z n 2 + 的 吸附、 解吸性能以 及它们与重 金属毒性、藻类生长之间的关系，从天然水体中颗粒物的角度分析了影响重金属 生物毒性的因素;并选择对重金属耐受性较强的钝顶螺旋藻，比较了其非活体形 式对几种重金属的吸附性能。研究发现: C u 2+ 对 藻 类 生 长 的 抑 制 作 用 最 大 ， 而 以V I ) 的 毒 性 比C u 2+ 、 Z n 2 + 、 C d 2 十 低 得 多。 钝顶螺 旋藻 对四 种重金属均表 现出了 较强的 耐受性: 聚球藻和小 球藻则最 敏感。重金属毒性和藻类耐受性的差异除了与金属本身的性质和

3、藻细胞的大小、 形态、 生理机能 有关外， 还受到 环境条件的影 响。 高盐、 高碱的培 养环境有利于 螺旋藻抵抗重金属的毒害，四尾栅藻的抗性则与其吸收重金属的速度较慢有关。 X A N E S的 分析结果表明，对C r ( V I ) 最敏感的 蛋白 核小 球藻 对培养环境中 C r ( V I ) 的吸收量明显高于其它四 种藻。 小球藻 在吸收C r ( V I ) 的同 时也 将其转 化为了C r ( I I I ) ， 且与细胞结合的C r 主 要以C r ( I II ) 的 形式 存在。 C r ( V I ) 对蛋白 核 小球藻的毒性与其在细胞内外发生的氧化一 还原反应过程有关。

4、 在蛋白 核小 球藻的 培养液中， 海泡石 对Z n 2 + 的 吸附能 力比 高岭土要强， 且吸 附不可逆性比 高岭土高， 因 而能够明 显降 低Z n 2 + 对小 球藻生长的抑制作 用; 而 吸 附能力较弱的高岭土所吸附的Z n 2 + 在体系被 稀释时又易 发生解吸， 其降 低Z n 2 + 对 小 球藻毒性的作用相 对要 小。 天然 水体中 不同 粘土对重 金属吸附可 逆性 的差异直 接影响着重金属在水环境中的迁移、 分布 及其生 物毒性。 非活体材料螺旋藻粉对C r ( V I ) , C u 2 + 、 Z n 2 +、 C d 2 + , P b 2 + 均有不同 程度的 吸

5、附 ， 尤 其 对P b 2+ 表 现出 了 较 强 的 吸 附 能 力 ， 当p H = 5 , 离 子 强 度 为。 0 5 M ( N a C I ) , 藻 用量为2 9 / L , C o = 5 0 m g / L时， 吸附 去除率可 达8 0 %以 上， 螺旋藻在 低浓度( S c e n e d e s m u s q u a d r i c a u d a S e l e n a s t r u m c a p r i o r r ， 二 。 u m C h l o r e l l a p y r e n o i d o s a S y n e c h o c o c c u

6、 s . T h e s e n s i t i v i t y o f t h e s e s p e c i e s t o h e a v y me t a l s w a s f o u n d r e l a t e d t o t h e i n i t i a l r a t e o f b i o a c c u m u l a t i o n a n d t h e p h y s i c a l c h a r a c t e r s o f c e l l w a l l s t r u c t u r e a n d c e l l s i z e . X - r a

7、y a b s o r p t io n n e a r e d g e s t r u c t u r e ( X A N E S ) w a s u s e d t o d e t e r m i n e t h e a c c u m u l a t i o n a n d t r a n s f o r m a t i o n o f C r ( V 1 ) i n a l g a e . I t w as f o u n d t h a t t h e u p t a k e o f C r b y C h l o r e l l a p y r e n o i d o s a w

8、as h i g h e r t h a n t h a t o f o t h e r a l g a e . A n d C r ( V I ) c o u l d b e f u l ly c o n v e r t e d t o C r ( I II ) d u r i n g t h e b i o s o r p t i o n o n C h l o r e l l a p y r e n o i d o s a . T h e s o rp t io n / d e s o rp tio n re v e r s ib ili ty o f Z n Z+ b y t w o

9、k in d s o f n a t u r a l c la y s ( s e p i o l i t e a n d k a o l i n i t e ) i n t h e c u l t i v a t e m e d i u m o f C h l o r e l l a p y r e n o i d o s a w e r e s t u d i e d . S e p io l ite a n d k a o lin ite w e re fo u n d to p la y a c o n tr as t ro l e o n th e t o x ic it y o f

10、 Z n 2 + in s o lu t io n . Z n 2 + w a s m o r e irr e v e rs i b l y a d s o r b e d o n to se p io l it e th a n k a o l in ite . D u e t o th e h ig h a d s o rp t io n c a p a c ity o f Z n Z + a n d th e h ig h irr e v e rs i b ility , s e p io l ite c o u l d re d u c e th e t o x ic ity o f

11、Z n 2+ to C h lo r e l la p y r e n o id o s a m o r e th a n k a o lin ite . T h e b io s o r p tio n o f h e a v y m e t a ls ( C u 2 + ,Z n 2 + ,C d 2 + ,P b 2 + a n d C r ( V I ) ) o n to p o w d e r e d S p i r u l i n a p l a t e n s i s w as s t u d i e d a s a f u n c t i o n o f p H , b i o

12、 m a s s d o s e , i n i t i a l c o n c e n t r a t i o n o f m e t a l , c o n t a c t t i m e a n d t h e p r e s e n c e o f o th e r i o n s ( N a + , K + b io s o rp t io n c a p a c ity fo r p b Z + (2 1 m g /g ) w a s m u c h h ig h e r th a n w i t h 5 0 m g 几 o f i n i t i a l c o n c e n

13、t r a t io n . S p i r u l i n a p l a t e n s i s a l t e r n a t i v e f o r t i n e d e v e l o p m e n t o f e f f i c i e n t b i o s o r b e n t ， N 0 3 “ , C l -) . T h e o t h e r m e t a l s a t p H 5 .0 mi g h t b e a p o t e n t i a l K e y w o r d s : al g a e ; h e a v y m e t a l s ; t

14、 o x i c i ty ; t r a n s f o r m a t i o n ; b i o s o r p t i o n 第一章引言 第一 章引言 1 . 1 问题 的提 出 水环境中的重金属污染主要 来源于电 镀、 采矿、 冶炼、 印染、 化工等行业所 排放的废水。进入水体中的重金属不能被生物降解而从环境中彻底消除，只能从 一 种形态转化为另 一种形 态， 从高浓度变为低浓度， 并往往参与 食物链循环而在 生物体内积累，破坏生物的正常生理代谢，最终对水生生态系统和人类健康造成 危害 。因此， 如何最大限度地 控制重 金属进入江、 河、 湖泊、 海洋等天 然水体， 并对已 经污染

15、的 水环境进行积极治理， 是环境保护工 作的重 要内 容之一;而 研究 重金属与水生生物的相互作用，探讨其作用机制，不仅有利于全面了解重金属污 染的生态效应和重金属的地球化学行为，而且能为采用生物方法控制和治理水体 重金属污染提供科学的依据。 在水生生态系统及水生食物链中，藻类占据着重要的位置，它们不仅通过光 合作用为水中的好 氧生物 提供氧气， 本身还是很多浮游生物的食 物和养料来源， 是 水 中 初 级 生 产力 的 创 造 者 z 。 外 来 重 金 属 的 侵入 必 然 使 生 长 在 水 体 中 的 各 种 藻 类 首先受到不同程度的 毒害，从而可能导 致原有生态平衡的破坏和物种组成

16、的改 变;与高等水生植物相比 ， 藻类对重金属的毒害 更加敏感， 在对高等 水生植物无 可见伤害的 低剂量污染情况下，藻 类就可出 现形态变化和生理指标变 化3 。 因此， 利用一些微藻的敏感 种类 作为指示生物， 可以 监测水体重金属污染的 程度4 ,s 同时，重金属的毒性和稳定性与其存在形态和环境条件有关，藻类细胞对重 金属具有排斥、 吸收、转化、 解毒 等作用， 直接影响到它的迁移、 价态 转化和富 集 行为“ 。 因此， 研究藻类 细胞与重 金属的相互作用机制， 可发掘藻 类生 物在治 理 重金属污染方面的特定优势，为进一步尝试通过下列途径对重金属污染水体进行 修复提供依据:( 1 )利用藻类对重金属的吸收、积累和耐性去除重金属;( 2 ) 利 用生物化学、生 物有效 性和生物活性原则， 把重金属转化为较低毒性的 产物 ( 络 合态、改 变价态等) ; ( 3 ) 利用重金属与藻细胞的亲 合性来吸附去 除重金 属， 降低 重金属的迁移能力。 藻类与重金属的相互作用研究 6 0 年代以来，国外在藻类与重金属相互作用的生理学、毒理学、生物化学等 方面取得了很大的研究进展，这也是科