剛毛藻對(duì)重金屬Pb2+的耐受性及吸附性研究

從善暢，汪家權(quán)，董玉紅，程 婷，呂 宙

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

重金屬能和人體內(nèi)的蛋白質(zhì)及各種酶發(fā)生作用，使它們失去活性，也能在人體的某些器官中富集，如果超過人體所能耐受的限度，會(huì)造成人體急性中毒、亞急性中毒、慢性中毒等，對(duì)人體會(huì)造成很大的危害，其中鉛(Pb)是重金屬污染中毒性較大的一種，可以直接傷害人的腦細(xì)胞，特別是對(duì)胎兒的神經(jīng)板，可造成先天大腦溝回淺、智力低下，對(duì)老年人可造成癡呆、腦死亡等。藻類可以利用水體中的無機(jī)物，通過光合作用放出氧氣，并起到了凈化水質(zhì)的作用，在環(huán)境領(lǐng)域有凈化空氣、清潔水質(zhì)、監(jiān)測(cè)污染、廢水處理以及凈化農(nóng)藥、吸附重金屬等作用，利用藻類修復(fù)重金屬污染的水體，具有高效、低能耗、環(huán)保的特點(diǎn)[1-10]。

藻體細(xì)胞對(duì)重金屬離子的吸附機(jī)理包括絡(luò)合、螯合、離子交換、轉(zhuǎn)化、吸收和微沉淀等。金屬陽離子可被細(xì)胞表面的負(fù)電荷位點(diǎn)所吸附。許多陰離子參與結(jié)合金屬離子，如膜蛋白上的磷酸基、羧基、巰基和羥基等。細(xì)胞原生質(zhì)膜外有明顯的細(xì)胞壁，其在微生物吸附重金屬離子的過程中起著重要作用，它是阻止金屬離子進(jìn)入細(xì)胞產(chǎn)生毒害的第一道屏障[10]。為此，筆者研究剛毛藻對(duì)重金屬Pb2+的耐受性和吸附性，為其在重金屬污染水體治理中的應(yīng)用奠定科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

1.1.1試驗(yàn)藻體。剛毛藻和培養(yǎng)液均采集于合肥市某公園內(nèi)，試驗(yàn)前經(jīng)過簡單的處理。

1.1.2試驗(yàn)設(shè)備。Themo ELement M5型原子吸收分光光度計(jì)，722S型可見分光光度計(jì)，SPX-250B-G型光照培養(yǎng)箱，SC-3612低速離心機(jī)，HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋，電子天平，CP214萬分之一天平，研缽。

1.1.3試驗(yàn)藥品。硝酸鉛(AR)，濃硝酸(AR)，丙酮(AR)，乙醇(AR)，三氯乙酸(TCA)，硫代巴比妥酸(TBA)，石英砂，考馬斯亮藍(lán)G-250，磷酸(AR)。

1.2試驗(yàn)方法在1 L燒杯中分別配制含有Pb2+濃度梯度為0、2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、17.5、20 mg/L的培養(yǎng)液，每一組設(shè)3個(gè)對(duì)照，向培養(yǎng)液中加入5.0 g新鮮剛毛藻，在恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10 d。培養(yǎng)條件為：溫度25 ℃，光照強(qiáng)度8 000～9 000 lx，溶液初始pH 7.0。在10 d培養(yǎng)結(jié)束后，測(cè)定下列指標(biāo)：①剛毛藻體內(nèi)葉綠素含量；②剛毛藻體內(nèi)Ca/Cb值；③剛毛藻體內(nèi)丙二醛含量；④剛毛藻體內(nèi)蛋白質(zhì)含量；⑤剛毛藻體內(nèi)Pb2+含量。

2 結(jié)果與分析

2.1重金屬Pb2+對(duì)剛毛藻生化指標(biāo)的影響

2.1.1對(duì)葉綠素含量的影響。進(jìn)入剛毛藻體內(nèi)的重金屬Pb2+會(huì)改變細(xì)胞膜透性，對(duì)剛毛藻體內(nèi)的葉綠體造成一定程度的破壞，致使葉綠素結(jié)構(gòu)破壞，剛毛藻體失綠。葉綠素含量可以反映剛毛藻光合作用的強(qiáng)弱，通過測(cè)定葉綠素含量的變化，可反映重金屬Pb2+對(duì)剛毛藻的損害程度。

由圖1可知，Pb2+濃度在12.5 mg/L以下時(shí)，剛毛藻體內(nèi)葉綠素含量急劇下降到0.32 mg/mg，再增加培養(yǎng)液中Pb2+的濃度，剛毛藻體內(nèi)的葉綠素維持在0.30 mg/mg左右。重金屬Pb2+在一定程度上影響了剛毛藻的生長代謝，減少了葉綠素的含量，但剛毛藻體內(nèi)的葉綠素并沒有被完全破壞，只是在一定程度上抑制了剛毛藻的光合作用，剛毛藻可以作為重金屬的耐受指示物中的一種。

圖1 不同濃度Pb2+培養(yǎng)后剛毛藻體內(nèi)葉綠素含量變化

2.1.2對(duì)Ca/Cb的影響。由圖2可知，進(jìn)一步研究重金屬Pb2+對(duì)葉綠素a與葉綠素b含量的影響(Ca/Cb)，隨著重金屬Pb2+濃度的增大，Ca/Cb比值逐漸減少，最終維持在0.30左右，重金屬Pb2+對(duì)葉綠素a的損害作用隨著重金屬Pb2+濃度的增大而逐漸增大，且對(duì)葉綠素a的損害作用要大于對(duì)葉綠素b的損害作用。

圖2 不同濃度Pb2+培養(yǎng)后剛毛藻體內(nèi)Ca/Cb變化

2.1.3對(duì)丙二醛含量的影響。在生物體內(nèi)，自由基作用于脂質(zhì)發(fā)生過氧化反應(yīng)，氧化最終產(chǎn)物為丙二醛，會(huì)引起蛋白質(zhì)、核酸等生命大分子的交聯(lián)聚合，且具有細(xì)胞毒性，在體外影響線粒體呼吸鏈復(fù)合物及線粒體內(nèi)關(guān)鍵酶活性。丙二醛是在生物體衰老或受到傷害的情況下產(chǎn)生的，它的主要傷害是導(dǎo)致膜脂過氧化，損傷生物膜結(jié)構(gòu)，尤其是細(xì)胞質(zhì)膜，使得細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能受到損傷，改變膜的通透性，從而影響一系列生理生化反應(yīng)的正常進(jìn)行。丙二醛含量高低可以作為考察細(xì)胞受到脅迫嚴(yán)重程度的指標(biāo)之一。

由圖3可知，重金屬Pb2+濃度在0～20 mg/L時(shí)，剛毛藻體內(nèi)的丙二醛含量呈持續(xù)上升趨勢(shì)，最大值為20.44 μmol/g，其含量的明顯增高反映了剛毛藻體內(nèi)細(xì)胞的細(xì)胞膜的完整性遭到破壞，重金屬Pb2+對(duì)剛毛藻的毒害作用在逐漸增大。

圖3 不同濃度Pb2+培養(yǎng)后剛毛藻體內(nèi)丙二醛含量變化

2.1.4對(duì)蛋白質(zhì)含量的影響。蛋白質(zhì)是生命的基礎(chǔ)，機(jī)體中的重要組成部分都有蛋白質(zhì)的參與，通過研究蛋白質(zhì)含量的變化可以反映剛毛藻體的生長狀況，也可以反映剛毛藻體組織器官的損傷情況。

由圖4可知，隨著重金屬Pb2+濃度的增加，剛毛藻體內(nèi)蛋白質(zhì)含量整體呈下降趨勢(shì)，其中重金屬Pb2+濃度在0～5 mg/L時(shí)，剛毛藻體內(nèi)蛋白質(zhì)含量的下降趨勢(shì)較小，此時(shí)重金屬Pb2+對(duì)剛毛藻的危害較小；隨著重金屬Pb2+濃度的繼續(xù)增加，剛毛藻體內(nèi)蛋白質(zhì)含量的下降趨勢(shì)增大，最終剛毛藻體內(nèi)蛋白質(zhì)含量維持在1.10 mg/g左右，說明Pb2+對(duì)剛毛藻的毒害作用增強(qiáng)，但并沒有導(dǎo)致剛毛藻體的死亡。

圖4 不同濃度Pb2+培養(yǎng)后剛毛藻體內(nèi)蛋白質(zhì)含量變化

2.2剛毛藻對(duì)重金屬Pb2+吸附量研究由圖5可知，重金屬Pb2+濃度在0～10 mg/L時(shí)，剛毛藻體內(nèi)重金屬Pb2+含量增加緩慢；重金屬Pb2+濃度在10～15 mg/L時(shí)，剛毛藻體內(nèi)重金屬Pb2+含量增加較為明顯；重金屬Pb2+濃度在15～20 mg/L時(shí)，剛毛藻體內(nèi)重金屬Pb2+含量維持在1.39 mg/g。推測(cè)剛毛藻對(duì)重金屬Pb2+的吸附分為兩個(gè)階段：第1階段為快速吸附階段，此時(shí)重金屬Pb2+僅僅停留在剛毛藻體細(xì)胞壁及細(xì)胞壁的表面；第2階段為緩慢吸附階段，此時(shí)重金屬Pb2+通過細(xì)胞壁膜進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)，加速了對(duì)剛毛藻的損害。對(duì)水樣中Pb2+的去除率隨濃度梯度的變化比較平穩(wěn)。剛毛藻對(duì)Pb2+具有吸附作用，驗(yàn)證了剛毛藻對(duì)重金屬Pb2+的超富集特性。今后，就如何提高藻體對(duì)重金屬的吸附量同時(shí)減少對(duì)藻體本身的危害值得做進(jìn)一步研究。

圖5 不同濃度Pb2+培養(yǎng)后剛毛藻體內(nèi)重金屬Pb2+含量

3 結(jié)論

驗(yàn)證了剛毛藻對(duì)重金屬Pb2+具有一定的吸附能力及耐受性，可以用于控制并修復(fù)水體中的重金屬，但剛毛藻對(duì)重金屬Pb2+的吸附及耐受性的機(jī)理還有待進(jìn)行繼續(xù)研究。采用藻類處理含有重金屬的廢水具有一定的應(yīng)用前景，優(yōu)點(diǎn)為：處理成本低、藻類來源豐富、吸附能力強(qiáng)。就剛毛藻對(duì)重金屬Pb2+的研究現(xiàn)提出如下展望：①確定藻類的生長階段和藻類的種類對(duì)重金屬吸附能力的影響，采用最優(yōu)的藻類去除重金屬，有助于提高重金屬的去除率；②水體中的重金屬是多重的，對(duì)此可以進(jìn)行多種重金屬的交互試驗(yàn)，有助于提高應(yīng)用范圍；③可以將藻類進(jìn)行固定化，設(shè)置固定的藻類處理重金屬的裝置，方便移動(dòng)，提高處理效率，讓藻類處理重金屬的技術(shù)真正運(yùn)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中。

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