鉛和鋅抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的毒性效應(yīng)

宋霄敏，白紅娟，貢 俊，高 艷，李榮偉

（1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051；2.山西財(cái)經(jīng)大學(xué)環(huán)境經(jīng)濟(jì)系，山西 太原 030006；3.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051）

環(huán)保與三廢利用

鉛和鋅抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的毒性效應(yīng)

宋霄敏1，白紅娟1，貢 俊2，高 艷1，李榮偉3

（1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051；2.山西財(cái)經(jīng)大學(xué)環(huán)境經(jīng)濟(jì)系，山西 太原 030006；3.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051）

運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行有毒化學(xué)品對(duì)水生生物急性毒性實(shí)驗(yàn)，得到Pb2+和Zn2+對(duì)硫酸鹽還原菌的安全濃度分別為950mg·L-1和300mg·L-1。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用機(jī)率單位法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的72h半效應(yīng)濃度分別為2089.3mg·L-1和912mg·L-1，并對(duì)各劑量反應(yīng)方程進(jìn)行X2檢驗(yàn)，結(jié)果表明均符合精度要求，計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠。從安全濃度及 72h-EC50考慮，都證 明抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的毒性大小順序是Zn2+＞Pb2+。

硫酸鹽還原菌；毒性效應(yīng)；鉛；鋅

隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，不少重金屬進(jìn)入水體、土壤、大氣等環(huán)境介質(zhì)中，使得重金屬污染日趨嚴(yán)重。許多重金屬元素是生物正常生長(zhǎng)不可缺少的微量元素，但是，大多數(shù)具有毒性和致癌作用，過(guò)量的重金屬排放到水體中容易造成生態(tài)平衡的破壞，而且重金屬具有長(zhǎng)期性、隱蔽性、不可生物降解性、不可逆轉(zhuǎn)性、生物富集放大和持久性等特性，即使水環(huán)境中的濃度較小，也可能會(huì)威脅到水體—植物—?jiǎng)游锷鷳B(tài)系統(tǒng)，并且進(jìn)一步通過(guò)食物鏈富集影響到人類健康[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于重金屬對(duì)微生物的毒性效應(yīng)進(jìn)行了研究。周茂洪等[3]運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行有毒化學(xué)品對(duì)水生生物急性毒性實(shí)驗(yàn)，得到Cu2+、Cd2+、Cr(Ⅵ) 對(duì)光合細(xì)菌沼澤紅假單胞菌生長(zhǎng)抑制作用的96h EC50，從而得出它們對(duì)沼澤紅假單胞菌生長(zhǎng)毒性作用大小的順序?yàn)镃u2+＞Cd2+＞Cr(Ⅵ)。周秀艷等[4]對(duì)發(fā)光細(xì)菌進(jìn)行了毒性效應(yīng)研究，結(jié)果表明Cd、Pb、As對(duì)發(fā)光細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生不同濃度的毒性，毒性強(qiáng)弱為As＞Pb＞Cd。

本文選擇Pb2+和Zn2+兩種重金屬離子，采用有毒化學(xué)品對(duì)水生生物急性毒性實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法，確定其安全濃度和半效應(yīng)濃度，進(jìn)而研究其對(duì)硫酸鹽還原菌的毒性效應(yīng)，為利用硫酸鹽還原菌處理水中重金屬提供重要參考價(jià)值，也為制定水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)和進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

硫酸鹽還原菌（Sulfate reducing bacteria），由山西財(cái)經(jīng)大學(xué)環(huán)境經(jīng)濟(jì)系贈(zèng)予。硝酸鉛、乙酸鋅均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

培養(yǎng)基:硫酸鹽還原菌培養(yǎng)基[5]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)條件

將100mL液體培養(yǎng)基裝入葡萄糖瓶中，經(jīng)120℃滅菌30min后，分別加入已滅菌的不同濃度梯度的Pb2+和Zn2+重金屬離子，以不加重金屬離子作為對(duì)照，將10%的對(duì)數(shù)期硫酸鹽還原菌菌液接入瓶中，置于30℃恒溫箱內(nèi)黑暗培養(yǎng)72h后，取培養(yǎng)液2mL于紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)下測(cè)量OD420nm值，每個(gè)濃度設(shè)置3個(gè)平行樣。在平行樣之間的相對(duì)偏差小于10%時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自3個(gè)平行樣的均值。

1.2.2 安全濃度

在確定安全濃度的實(shí)驗(yàn)中，重金屬離子濃度呈幾何級(jí)數(shù)增加，通過(guò)均值最小無(wú)顯著差異法 (LSD)[6]計(jì)算出 Pb2+和Zn2+對(duì)硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的安全濃度。

1.2.3 半效應(yīng)濃度

采用有毒化學(xué)品對(duì)水生生物急性毒性實(shí)驗(yàn)的標(biāo)

準(zhǔn)方法[7-9]，確定Pb2+和Zn2+抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的72h-EC50。用直線內(nèi)插法初步計(jì)算出重金屬離子抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的72h-EC50。再以初步確定的72h-EC50為中點(diǎn)，各向兩邊以等差數(shù)列形式延伸2個(gè)濃度，共5組濃度，另設(shè)置1組對(duì)照組，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用機(jī)率單位法計(jì)算出72h-EC50，并對(duì)計(jì)算出的72h-EC50進(jìn)行X2檢驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 Pb2+和Zn2+對(duì)硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的安全濃度

如圖1顯示，隨著Pb2+和Zn2+濃度的增加，硫酸鹽還原菌72h內(nèi)的OD值發(fā)生了變化，當(dāng)Pb2+和Zn2+濃度分別低于950mg·L-1和300mg·L-1時(shí)，OD420nm值并沒(méi)有發(fā)生太大的變化，濃度繼續(xù)增大，OD420nm值隨之下降，說(shuō)明硫酸鹽還原菌對(duì)Pb2+和Zn2+有一定的耐受濃度，當(dāng)超過(guò)這一濃度時(shí)，Pb2+和Zn2+對(duì)硫酸鹽還原菌的毒性作用明顯加強(qiáng)。根據(jù)所測(cè)定的OD420nm值，經(jīng)采用LSD法在α=0.05水平進(jìn)行計(jì)算[6]，分別得到Pb2+和Zn2+抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的均值最小無(wú)顯著差異的OD420nm值分別為0.017和0.015。從圖1可以看出，不同濃度下Pb2+和Zn2+的OD420nm值與對(duì)照組OD420nm值的差值小于最小無(wú)顯著差異的最高濃度分別為 950mg·L-1和300mg·L-1，由此確定，Pb2+和Zn2+對(duì)硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的安全濃度為950mg·L-1和300mg·L-1。說(shuō)明這些重金屬離子抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的毒性由大到小的順序是Zn2+＞ Pb2+。

圖1 Pb2+和Zn2+抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的效應(yīng)

2.2 Pb2+和Zn2+抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的72h-EC50

在初步實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)，表1顯示的是鉛和鋅抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的72h-EC50實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)鉛和鋅的濃度對(duì)數(shù)(x)與機(jī)率單位(y)分別進(jìn)行一元線性回歸，得到如下劑量反應(yīng)方程式:

當(dāng)機(jī)率單位為5時(shí)，分別通過(guò)上述方程（1）和（2）進(jìn)行計(jì)算，得到鉛和鋅的濃度對(duì)數(shù)分別為3.32和2.96，再通過(guò)換算分別得到鉛和鋅抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的72h-EC50分別為2089.3mg·L-1和912mg·L-1。由此也再次說(shuō)明鉛和鋅抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的毒性由大到小的順序仍是Zn2+＞ Pb2+。

表1 Pb2+和Zn2+抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 劑量反應(yīng)方程的X2檢驗(yàn)

對(duì)上述劑量反應(yīng)方程分別進(jìn)行X2檢驗(yàn)，以驗(yàn)證劑量反應(yīng)方程是否真實(shí)地反映重金屬離子抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的毒性效應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表2。查X2表，當(dāng)自由度為3時(shí)，X=7.82，而計(jì)算的X2分別為0.99和1.438，因?yàn)閄＞X2，所以上述劑量反應(yīng)方程均符合精度要求，計(jì)算出的72h-EC50真實(shí)可靠。

3 結(jié)論

采用有毒化學(xué)品對(duì)水生生物急性毒性標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算方法，得出鉛和鋅抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的安全濃度分別為950mg·L-1和300mg·L-1；采用機(jī)率單位法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的72h-EC50分別為2089.3mg·L-1和

912mg·L-1；鉛和鋅抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)的毒性由大到小的順序是Zn2+＞Pb2+。

表2 劑量反應(yīng)方程X2檢驗(yàn)結(jié)果

[1] 魯永剛.重金屬污染的危害及防治措施[J].四川有色金屬，2012(2):52-53.

[2] 王倩.銅尾礦砂重金屬環(huán)境危害及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[D].四川:重慶大學(xué)，2012.

[3] 周茂洪，趙肖為，吳雪昌.Cu2+，Cd2+和Cr(Ⅵ)抑制沼澤紅假單胞菌生長(zhǎng)的毒性效應(yīng)[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2002，8(3):290-293.

[4] 周秀艷，王恩德，韓桂春.Cd，Pb和As對(duì)發(fā)光菌的急性毒性效應(yīng)研究[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(11):46-48.

[5] 貢俊，張肇銘，白紅娟，等.脫硫腸狀菌合成納米硫化鉛[J].中國(guó)科學(xué)E輯，2008，38 (3):455-459.

[6] 南京農(nóng)業(yè)大學(xué).田間實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)方法[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社，1999:91-100.

[7] Yan H，Wang XJ，Lin YX，et al.Toxic effects of Cu，Zn and Mn on the inhibition Chlorella pyrenoidosa' s growth[J].Environ Sci.，2001，22(1):23-26.

[8] Zhang W，Yan H，Wu ZL.Toxic effects of copper on inhibition of the growth of unicellular green algae[J].China Environ Sci.，2001，21(1):4-7.

[9] 周永欣，章宗涉.水生生物毒性實(shí)驗(yàn)[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社，1998:109-120.

Toxic Effects of Pb2+and Zn2+on Inhibition of Sulfate Reducing Bacteria Growth

SONG Xiao-min1, BAI Hong-juan1, GONG Jun2, GAO Yan1, LI Rong-wei3
(1.College of Chemical & Environment Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.Department of Environmental Economics，Sh anxi University of Finance and Economics，Taiyuan 030006， China; 3.College of Computer and Control Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China)

A standard method of algal bioassay for evaluating the toxicity of toxic chemicals was applied in experiments.The safety concentrations of Pb2+and Zn2+on the growth of Sulfate reducing bacteria was found as 950mg/L and 300mg/L.and 72h-EC50of Pb2+and Zn2+on inhibition of the growths of sulfate reducing bacteria calculated as 2089.3mg/L and 912mg/L respectively and using the method of probability unit for data treatment based on the test results.The results from the X2 test of each dose-response equation showed that 72h-EC50calculated were all precise and credible.According to both safety concentration and 72h-EC50calculated, the toxicities of these metals on inhibiting the growth of sulfate reducing bacteria increased in the order of Zn2+＞ Pb2+.

sulfate reducing bacteria; toxic effects; Pb2+; Zn2+

X 171.5

A

1671-9905(2015)02-00-

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31200049）；山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2012011009-1）；中北大學(xué)校基金

宋霄敏，女，碩士研究生，研究方向:環(huán)境生物技術(shù)；E-mail:958997830@qq.com

白紅娟，女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向:環(huán)境生物技術(shù)研究，E-mail:bhj44871@163.com

2014-11-03