藻類吸附緩解稻田重金屬污染的研究

陳家武，鄧沛怡，程明玲，盧以群，李青峰

（1. 湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410127；2. 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410125）

工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的進(jìn)程中，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展加快，印染、造紙等鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)污水的排放以及化肥和農(nóng)藥的大量使用，嚴(yán)重污染了農(nóng)村生態(tài)環(huán)境。其中，污灌導(dǎo)致的農(nóng)田重金屬污染嚴(yán)重危害水稻生長，籽粒重金屬殘留威脅水稻質(zhì)量或產(chǎn)品安全[1-2]。因此，在重金屬污染稻田中，減少水稻對(duì)重金屬的吸收及降低稻谷殘留量對(duì)保證水稻質(zhì)量安全具有重要意義。目前，國內(nèi)外對(duì)土壤重金屬污染修復(fù)的研究較多[3-4]，主要采用物理工程措施[5-6]、化學(xué)措施（施改良劑等）[7-8]。這些方法盡管在一定程度上發(fā)揮了作用，但因其成本較高，難以推廣而無法產(chǎn)生較大社會(huì)效益。因此，探索一種既有效又可推廣的農(nóng)田重金屬去除或緩解的治理技術(shù)很有必要。研究采用藻類吸附方法[9]，實(shí)驗(yàn)室培植對(duì)重金屬具有很強(qiáng)吸附能力的藻類，進(jìn)行盆栽和模擬重金屬污染稻田栽培試驗(yàn)，通過藻類吸附清理農(nóng)田水體中的重金屬，減輕水體的重金屬污染，控制水稻對(duì)重金屬的吸收，為進(jìn)一步農(nóng)田生態(tài)化工程打下基礎(chǔ)。這種生物法比工程措施和化學(xué)措施更節(jié)能環(huán)保，更符合農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)外尚未見報(bào)道。

1 材料與方法

1.1 器材和試劑

主要器材：三角瓶、細(xì)胞培養(yǎng)箱、離心機(jī)、顯微鏡、塑料盆；等離子體發(fā)光色譜。主要試劑：硫酸鎘（3CdSO4·8H2O）、硫酸汞（HgSO4）、硫酸鉻[Cr2(SO4)3·6H2O]。生物材料：稻谷品種為早秈52對(duì)，淡水藻為普通小球藻、橢圓小球藻和梅尼小環(huán)藻（由武漢水生生物研究所提供）。

1.2 淡水藻培養(yǎng)

普通小球藻和橢圓小球藻采用HB111培養(yǎng)基，梅尼小環(huán)藻采用D1培養(yǎng)基[10]。將3種藻接種至小三角瓶，待藻生長繁殖到一定濃度，再轉(zhuǎn)接至中、大三角瓶，逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)[11]。整個(gè)培養(yǎng)過程光、暗各12 h交替進(jìn)行，光強(qiáng)10 000 Lx，溫度28~30℃。如圖1、圖2所示。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 藻類吸附重金屬能力的測(cè)定 按化學(xué)計(jì)量精確稱量硫酸鎘（3CdSO4·8H2O）、硫酸汞（HgSO4）、硫酸鉻（Cr2(SO4)3·6 H2O）倒入3個(gè)150 mL的燒杯，用20 mL蒸餾水溶解，再用藻液定容至100 mL，使Cd、Hg、Cr的初始濃度為50 mg/L，試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。吸附開始計(jì)時(shí)1 h取樣，用等離子體發(fā)射光譜分析測(cè)定各自的重金屬濃度。將吸附1 h時(shí)的藻液離心（4 000 r/min），收集藻并準(zhǔn)確稱重。

1.3.2 盆栽藻吸附試驗(yàn) 栽盆大小長×寬×高均為70 cm×45 cm×60 cm，置于透光大棚。編號(hào)1、2、3分別為Hg、Cd、Cr，插稻定根后投放水藻；編號(hào)4、5、6分別為不放藻對(duì)照Hg、Cd、Cr（如見圖3)。盆栽前，先測(cè)定試驗(yàn)用水和土壤重金屬含量，確定未受重金屬污染（未超過自然土壤背景值）后將各盆土壤稱重，按4 mg/kg的濃度將重金屬投入盆內(nèi)土壤，充分混合后施肥加水放置3 d，淺水插秧后精心管理，適量施肥，控制水位。

1.3.3 模擬稻田藻吸附試驗(yàn) 將長×寬×高約為6.0 m×2.5 m×0.4 m的水池一分為二，填土灌溉，整理成稻田，計(jì)算好各自的面積和體積（圖4）。模擬重金屬污染：準(zhǔn)確稱量投入水池中的土壤重量，按Cd濃度4 mg/kg投放硫酸鎘，充分?jǐn)噭颍僮⑺M(jìn)行泥水混合，3 d后插秧。在水稻拔節(jié)期開始向南邊稻田投放普通小球藻、橢圓小球藻和梅尼小環(huán)藻3種藻的混合藻液，投放量為6 L（藻密度約為5.0x107個(gè)/mL），培肥水質(zhì)，小球藻慢慢繁殖生長。水稻成熟期收割稻谷進(jìn)行重金屬殘留檢測(cè)。

1.4 稻谷及營養(yǎng)器官中重金屬殘留檢測(cè)

取稻谷或營養(yǎng)器官樣品5 g，無污染碾碎磨成粉，置于瓷坩堝內(nèi)，蓋好置于350~400℃的馬弗爐內(nèi)灰化，取出樣品，用100 mL王水溶解后，加熱濃縮至40 mL，過濾洗滌，濾液定容為50 mL，用等離子體發(fā)射光譜分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)用藻對(duì)主要重金屬的吸附能力

表1顯示：普通小球藻、橢圓小球藻和梅尼小環(huán)藻3種藻對(duì)重金屬Hg、Cr、Cd具有很強(qiáng)的吸附能力。以普通小球藻為例，投入0.14 g藻，吸附1 h后Hg濃度由50 mg/L下降至24.89 mg/L，吸附速率為17.94 mg/g·h；投入0.10 g藻，吸附1 h后Cd濃度由50 mg/L下降至22.40 mg/L，吸附速率為27.60 mg/g·h；投入0.20 g藻，吸附1 h后Cr濃度由50 mg/L下降至4.96 mg/L，吸附速率為22.52 mg/g·h。比較吸附速率，對(duì)重金屬Hg，梅尼小環(huán)藻>橢圓小球藻>普通小球藻；對(duì)重金屬Cd，普通小球藻>橢圓小球藻>梅尼小環(huán)藻；對(duì)重金屬Cr，梅尼小環(huán)藻>普通小球藻>橢圓小球藻。試驗(yàn)用藻之所以能快速吸附重金屬，主要是藻細(xì)胞比表面積很大，且表面有大量的氨基、酰胺基、羰基、醛基、羥基、硫醇、咪唑、磷酸根、硫酸根等基團(tuán)，可以通過物理吸附、絡(luò)合、離子交換和沉淀等方式吸附環(huán)境中的金屬離子[12]。研究表明，由于藻細(xì)胞表面的功能團(tuán)數(shù)量和帶電性質(zhì)不一樣，不同藻類對(duì)不同重金屬的吸附能力是有差異的[13]。

2.2 盆栽藻吸附處理的稻谷重金屬殘留

從表2中可知：普通小球藻、橢圓小球藻和梅尼小環(huán)藻混合投放的盆栽試驗(yàn)表明，藻類吸附可明顯降低稻谷重金屬含量，相對(duì)于盆栽無藻組，有藻組稻谷重金屬Hg、Cd和Cr含量分別降低76.53%、65.71%和53.57，其中稻谷Cr殘留量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 模擬稻田中藻的生長及吸附效果

表1 普通小球藻、橢圓小球藻和梅尼小環(huán)藻對(duì)Hg、Cr、Cd的吸附Table 1 Adsorption of Chlorella vulgaris,Chlorella ellipsoidea and Cyclotella meneghiniana to Hg, Cr and Cd

表2 盆栽和模擬污染稻田藻處理的稻谷重金屬殘留 （mg/kg）Table2 Remained heveay metal in rice at Potted rice and Simulation pollution rice fi eld

對(duì)模擬Cd污染稻田中的藻生長觀察發(fā)現(xiàn)：無藻稻田的水質(zhì)透明，而有藻稻田水質(zhì)明顯變綠。

在水稻拔節(jié)期即將結(jié)束進(jìn)入孕穗期的階段，即插秧后34~42 d天氣晴好時(shí)段，對(duì)稻田藻的生長情況用血球計(jì)數(shù)板進(jìn)行了取樣測(cè)定，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中看出，稻田中的藻在34～42 d的數(shù)量呈上升趨勢(shì)，從第34天的2.34×106個(gè)/mL上升至第42天的2.15×107個(gè)/mL。稻田水體中的藻數(shù)量（包括活細(xì)胞和沉入泥中的死藻）關(guān)系到其對(duì)水體中重金屬的吸附量，進(jìn)而影響水溶性重金屬離子被水稻根部的吸收量。需要說明的是，盡管試驗(yàn)難免受到下雨等因素的影響，但有藻田（盆栽）和對(duì)照組的生態(tài)條件是基本相同的，因而兩者的試驗(yàn)結(jié)果具有可比性。

模擬稻田試驗(yàn)結(jié)果表明，無藻類吸附的稻谷中重金屬含量為0.68 mg/kg，投放藻類吸附后，稻谷中重金屬Cd含量降至0.16 mg/kg，降低76.47%，含量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 Cd在水稻植株?duì)I養(yǎng)器官中的分布對(duì)比

模擬稻田試驗(yàn)中，無論是藻處理組還是對(duì)照組，重金屬殘留規(guī)律是：根>莖>葉。在有藻處理組中，根、莖和葉中Cd殘留量分別為0.97、0.58和0.27 mg/kg，而對(duì)照組為1.67、1.25和0.63 mg/kg。可見，稻田水環(huán)境中藻對(duì)重金屬的吸附大大減少了重金屬進(jìn)入水稻植株中的量。在有藻組中，稻田土壤的總Cd被土壤膠體吸附一部分[14]，被水體藻吸附一部分，雨水影響淋失一部分，稻田水中溶解一部分，其余將通過根部吸收進(jìn)入水稻植株[15]。

3 討 論

在模擬Cd污染稻田中，Cd的存在形態(tài)可分為水溶性和難溶性Cd兩大類[16]。水溶性Cd主要包括離子態(tài)[如CdCI2、Cd（NO3）2等]和絡(luò)合態(tài)[如Cd（OH）O2]，易遷移并能被水稻根吸收；難溶性Cd的化合物（如CdS等）則不易遷移，也不易被植物吸收。另外，稻田酸堿度和氧化還原條件對(duì)Cd的存在形態(tài)有直接影響[17]，水溶性Cd含量隨土壤氧化還原電位的增大和pH值減小而增加，從而增加了Cd的生物有效性，更容易被水稻吸收。稻田有機(jī)質(zhì)可與Cd螯合或絡(luò)合，從而降低Cd的生物有效性，不易被水稻吸收。因此，當(dāng)用呈酸性且被Cd污染的水灌溉時(shí)，水稻對(duì)Cd的吸收量相應(yīng)增加，這種情形下稻田藻對(duì)水溶性Cd2+的吸附顯得尤為重要。研究中模擬稻田重金屬Cd污染試驗(yàn)中，藻在稻田中生長良好，密度增加快，是吸附Cd、遏制Cd污染的根本原因。同時(shí)，利用藻各自不同的習(xí)性和適應(yīng)能力，采用3種藻的混合投放培養(yǎng)，確保了稻田中藻的繁殖能力和數(shù)量，產(chǎn)生了良好的Cd吸附效果。

土壤中有離子吸附Hg和共價(jià)吸附Hg、可溶性Hg（如HgCl2、HgCl3-、HgCl42-等），難溶性Hg（如HgHPO4、HgCO3、HgS等）等。盆栽中的可溶性Hg如HgCl3-、HgCl42-可被水體中及沉降在泥中的藻吸附。本研究的盆栽試驗(yàn)中，1號(hào)盆和4號(hào)盆是Hg吸附對(duì)比組，前者有藻，后者無藻，有藻組的稻谷Hg殘留為0.23 mg/kg，而無藻組的稻谷Hg殘留為0.98 mg/kg。

研究認(rèn)為[18-19]：Cr在土壤中主要有Cr6+的絡(luò)合陰離子和Cr3+的陽離子形式存在。前者進(jìn)入土壤后大部分游離于土壤溶液中，僅有8.5%～36.2%被土壤膠體吸附固定，吸附部分的90%以物理吸附形式，其余以物理化學(xué)吸附（離子交換）和化學(xué)吸附（Cr6+還原為Cr3+）。這些沒有被土壤吸附的游離Cr很容易被植物吸收，而且植物根分泌物中的羧基酸和氨基酸可能增加Cr在植物中的吸收[20-21]。而當(dāng)?shù)咎镏杏写罅吭宕嬖跁r(shí)，可吸附土壤游離Cr，減少植物根的吸收。本研究中的3號(hào)盆栽和6號(hào)盆栽，有藻的稻谷Cr殘留量明顯降低。通過上述3種重金屬在稻田中的存在形式、行為特征以及Cd在植株的總量分析，稻谷水環(huán)境中的藻可以對(duì)離子態(tài)的重金屬大量吸附，從而改變無藻情況下重金屬被水稻根部大量吸收的狀況，大大減少重金屬進(jìn)入水稻植株的總量，稻谷重金屬殘留隨之大幅下降。

研究在緩解農(nóng)田重金屬污染方面作了小范圍的初步探討，在實(shí)際應(yīng)用中，研究方法上還需要完善和改進(jìn)。譬如，可以采用藻類固定法將灌溉前的污染水進(jìn)行集中吸附，將大量的藻類以固定池或固定器的形式固定下來，形成單級(jí)或多級(jí)藻類固定裝置，使被重金屬污染的灌溉用水預(yù)先流經(jīng)藻類固定器進(jìn)行單級(jí)或多級(jí)吸附處理，減少灌溉水中的重金屬量。然后將藻類吸附器進(jìn)行脫附處理，使藻類吸附器再生，恢復(fù)重金屬吸附能力，如此循環(huán)使用。另外，本研究認(rèn)為，該法對(duì)稻田土壤的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，吸附了重金屬的藻類死亡后會(huì)沉入稻田土壤，成為稻田土壤中又一個(gè)固定重金屬的組分，藻類死亡后對(duì)重金屬的吸附作用有什么變化，這些被吸附固定的重金屬在藻類死亡后會(huì)不會(huì)被釋放而再次污染這些都有待進(jìn)一步研究。

4 小 結(jié)

（1）淡水藻對(duì)重金屬離子有較強(qiáng)的吸附能力。普通小球藻對(duì)Cd、Hg、Cr的吸附能力分別為：27.60、17.94和22.52 mg/g·h；橢圓小球藻吸附Hg、Cd、Cr的能力分別為：19.14、12.00和15.70 mg/g·h；梅尼小環(huán)藻吸附Hg、Cd、Cr的能力分別為28.00、9.08和26.38 mg/g·h。

（2）盆栽試驗(yàn)中，藻吸附處理的稻谷重金屬殘留量明顯下降。普通小球藻、橢圓小球藻和梅尼小環(huán)藻混合投放的處理稻谷重金屬Hg、Cd和Cr含量分別降低76.53%、65.71%和53.57。

（3）試驗(yàn)用藻在稻田內(nèi)能正常繁殖生長，可以降低稻谷中的重金屬Cd含量。在模擬鎘污染稻田的藻吸附處理試驗(yàn)中，有藻田的稻谷Cd殘留量為0.16 mg/kg，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，而同等條件下無藻田的稻谷Cd殘留為0.68 mg/kg。

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