鈍頂螺旋藻粉對重金屬鎘離子的吸附作用研究

胡肖容

（長沙環(huán)境保護職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410004）

鈍頂螺旋藻粉對重金屬鎘離子的吸附作用研究

胡肖容

（長沙環(huán)境保護職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410004）

藻類具有獨特的生理特性及結(jié)構(gòu)，因此具有較強的耐受和富集重金屬的能力。本文通過鈍頂螺旋藻對重金屬鎘離子的吸附試驗，研究CaCl2預(yù)處理過的鈍頂螺旋藻粉和未處理過的鈍頂螺旋藻粉與鎘的吸附關(guān)系。結(jié)果表明，在pH為6.0，未處理藻粉生物量添加量為1.0 g/L，CaCl2預(yù)處理過的藻粉添加量為2.0 g/L，吸附時間為90 min左右時，鈍頂螺旋藻粉對重金屬鎘離子的吸附效果最好。

鈍頂螺旋藻粉；鎘離子；吸附率；pH；生物量；吸附時間

湘江為長江第二大支流，是洞庭湖水系最大的河流，素來有湖南人民“母親河”的美譽。湖南省環(huán)保廳的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，湘江水體從20世紀(jì)90年代以來就呈現(xiàn)出惡化的趨勢，以微生物復(fù)合污染、重金屬污染最為顯著。劉耀馳等對湘江衡陽段的4個斷面進行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，As、Hg、Pb、Cd超標(biāo)嚴(yán)重，其中松柏斷面中的Cd超標(biāo)27.16%，As、Hg、Pb分別超標(biāo)13.58%、8.94%、2.32%，對湘江干流及其主要支流的36個斷面的歷年數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計[1]。統(tǒng)計表明，最主要的重金屬污染物為Hg、Pb、Cd，分別有10個、8個、8個斷面超標(biāo)，其中Cd污染涉及的江段最廣泛。

水體中的初級生產(chǎn)者是藻類，眾多的數(shù)據(jù)研究顯示，藻類對很多重金屬有很強的吸附能力，而且運用藻類進行重金屬污染修復(fù)具有環(huán)保、低耗、高效的特點[2]。極大鈍頂螺旋藻、鈍頂螺旋藻、鹽澤螺旋藻是目前國內(nèi)外主要應(yīng)用于生產(chǎn)的三種藻類。鈍頂螺旋藻是一種優(yōu)良的生物吸附劑，能有效吸附工業(yè)污水中的重金屬。Tsezos等對比了活性和非活性藻體的吸附性能，研究顯示，非活性藻體具有和活體相同甚至更佳的吸附性能，且非活性的藻體不會造成二次污染[3]。故本文運用未處理過的鈍頂螺旋藻粉和CaCl2處理過的鈍頂螺旋藻粉針對重金屬鎘離子進行吸附試驗，旨在比較這兩種藻粉的吸附性能以及一些物理因素對其吸附性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

藻粉制備：鈍頂螺旋藻粉打粉備用。

CaCl2預(yù)處理的藻粉制備：鈍頂螺旋藻粉用CaCl2溶液處理，調(diào)節(jié)pH至5.0，用磁力攪拌器攪拌處理，離心后去除上清液，洗滌3～4次至上清液澄清，將離心后的藻泥烘干、破碎備用。

主要儀器設(shè)備：磁力攪拌器；酸度計（pHS-3型）；回旋式振蕩器；低速自動平衡離心機（TDZ4A-WS）；原子吸收分光光度計（TAS-986）。

1.2 試驗方法

重金屬鎘離子溶液用蒸餾水配制成50 mg/L的母液，使用時稀釋成所需濃度，將pH調(diào)至所需值。試驗過程中取重金屬鎘離子溶液100 mL裝入三角瓶中，向每個三角瓶中加入試驗設(shè)計所需量的藻粉，在室溫下運用試驗設(shè)計的時間進行震蕩4 h，取20 mL溶液在4 000 r/min的速度下離心，用濾紙過濾后，用原子吸收分光光度法測定濾液中重金屬鎘離子的濃度，并計算出鈍頂螺旋藻粉對重金屬鎘離子的吸附量以及吸附率。重金屬鎘離子的吸附量M和吸附率P可通過式（1）、式（2）計算[4]。

式中，C0表示溶液初始濃度（mg/L），C1表示吸附平衡濃度（mg/L），V表示溶液體積（L），ms表示藻生物量（g），M表示吸附量（mg/g），P表示吸附率（%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH對兩種形態(tài)的藻粉吸附重金屬鎘離子的影響

取50 mg/L的鎘離子重金屬溶液100 mL，分兩批次加入相同量的兩種藻粉0.2 g，調(diào)其pH值為1～7，震蕩后測定結(jié)果如表1所示。

表1 pH對兩種形態(tài)的藻粉吸附重金屬鎘離子的影響

表1數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)pH為6時，兩種形態(tài)的藻粉吸附率都達到最高，CaCl2預(yù)處理過的藻粉吸附率達到了89.3%，未處理過的藻粉吸附量也達到了87.8%。同時，結(jié)果顯示兩種形態(tài)的藻粉受pH的影響比較大，當(dāng)pH＜4時，兩種形態(tài)的藻粉吸附率隨著pH值的增加而增加，但增加幅度不大，吸附率比較接近；當(dāng)pH為5～6時，兩種形態(tài)的藻粉吸附率都大幅度的提高；當(dāng)pH為7時，兩種形態(tài)的藻粉的吸附率同時下降，說明兩種形態(tài)的藻粉最適pH應(yīng)該在6左右。無論pH怎么變化，CaCl2預(yù)處理過的藻粉的吸附率都高于未處理過的藻粉。

2.2 藻粉添加量對兩種形態(tài)的藻粉吸附重金屬鎘離子的影響

取50 mg/L的鎘離子重金屬溶液100 mL，pH=6.0，分別加入不同重量的CaCl2處理后的藻粉和未處理藻粉，使兩種藻粉的濃度梯度分別為0.1 g/L、0.5 g/L、1.0 g/L、1.5 g/L、2.0 g/L，震蕩后測定結(jié)果如表2所示。

表2 藻粉投入量對兩種藻體吸附鎘的影響

從表2數(shù)據(jù)可以看出，兩種形態(tài)的鈍頂螺旋藻粉的投入量對其吸附重金屬鎘離子的量是有影響的。從數(shù)據(jù)中人們可以看出，CaCl2預(yù)處理過的藻粉吸附重金屬鎘離子的量隨著藻粉的添加量增加而增加，達到2.0 g/L時吸附量最大，但其吸附量與1.5 g/L的吸附量接近，所以推測此種藻粉添加量達到2.0 g/L是比較合理的。未處理的藻粉其吸附重金屬鎘離子的量在1.0 g/L、1.5 g/L和2.0 g/L時吸附率比較接近，這說明未處理藻粉添加量只需1.0 g/L時即可達到吸附效果。當(dāng)吸附量超過1.5 g/L時，CaCl2預(yù)處理過的藻粉吸附量大于未處理藻粉的吸附量。

2.3 吸附時間對兩種形態(tài)的藻粉吸附重金屬鎘離子的影響

取50 mg/L的鎘離子重金屬溶液100 mL，pH=6.0，投入藻粉1.5 g/L，振蕩器振蕩時間設(shè)定為15 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min，振蕩后測定結(jié)果如表3所示。

表3 吸附時間對兩種藻體吸附鎘的影響

從表3可以看出，兩種不同形態(tài)的藻粉對重金屬鎘離子的吸附量隨著時間的增長而增加，達到90 min時吸附量達到最大。此外，兩種形態(tài)的藻粉在吸附時間為15 min之前的吸附速度最快，15 min后的吸附趨向緩慢，CaCl2預(yù)處理藻粉吸附時間達到120 min，出現(xiàn)了降低的情況，其應(yīng)該出現(xiàn)了解析的情況。

3 結(jié)論

藻類具有獨特的生理特性及結(jié)構(gòu)，其細胞內(nèi)重金屬螯合蛋白及液泡區(qū)室化作用、胞外產(chǎn)物和細胞壁功能集團等，賦予了藻類較強的耐受和富集重金屬的能力[5]。影響鈍頂螺旋藻吸附重金屬的關(guān)鍵因素是pH、藻粉投入量和吸附時間。pH的影響關(guān)鍵在于酸度較高的情況下，大量的H+和重金屬溶液中的鎘離子對螺旋藻細胞壁上的吸附位點形成了競爭關(guān)系，從而降低了溶液中重金屬鎘離子的濃度。藻粉添加量的影響主要取決于其細胞壁吸附位點的多少。從吸附時間角度來看，生物吸附有一個快速吸附階段[6]，第一個階段的快速吸附階段吸附速度非常迅速，之后進入吸附緩慢階段，最后達到平衡。經(jīng)過CaCl2處理過的藻粉因其不是活性藻體，主要通過螯合、絡(luò)合、離子交換等物理化學(xué)作用完成對重金屬鎘離子的吸附，所以它不需要消耗能量，吸附速度更快。

1 劉耀馳，高 栗，李志光，等.湘江中金屬污染現(xiàn)狀、污染原因分析與對策探討[J].環(huán)境保護科學(xué)，2010，36（4）：26-29.

2 陳 峰，姜 悅.微藻生物技術(shù)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，1999.

3 Tsezos，M，B Volesky.The mechanism of thorium biosorption by Rhizopus arrhizus[J].Biotechnology and Bioengineering，1982，24（2）：385-401.

4 陳勇生，孫啟俊，陳 鈞，等.重金屬的生物吸附技術(shù)研究[J].環(huán)境科學(xué)進展，1997，（6）：34-43.

5 周文彬，邱保勝.藻類對重金屬的耐性與解毒機理[J].湖泊科學(xué)，2004，16（3）：265-272.

6 趙 玲，尹平河，齊雨藻，等.海洋赤潮生物原甲藻對重金屬的富集機理[J].環(huán)境科學(xué)，2001，22（4）：43-46.

Study on Adsorption of Heavy Metal Cadmium by Spirulina Powder

Hu Xiaorong
(Changsha Environmental Protection Vocational and Technical College,Changsha 410004,China)

The Algae have a unique physiological characteristics and structure,so it has a strong ability to withstand and enrich heavy metals.In this paper,the adsorption relationship of CaCl2pretreated Spirulina platensis and untreated Spirulina platensis was studied by adsorption of heavy metal cadmium ions.The results showed that when the pH was 6.0,the amount of untreated algae biomass was 1.0 g/L,the addition amount of CaCl2pretreated algae powder was 2.0 g/L,and the adsorption time was about 90 min.The adsorption of heavy metal cadmium ions is the best.

blunt spirulina powder; cadmium ion; adsorption rate; pH; biomass; adsorption time

O647.3

A

1008-9500(2017)11-0025-03

2017-09-27

本文系湖南省教育廳科學(xué)研究項目“鈍頂螺旋藻對湘江重金屬離子的生物吸附性研究”（項目編號：13C1002）的階段性研究成果之一。

胡肖容（1982-），女，湖南邵陽人，碩士研究生，講師，研究方向：微生物學(xué)。