水網(wǎng)藻對(duì)不同粒徑懸浮態(tài)鎘的去除機(jī)制研究

摘 要：稻田系統(tǒng)對(duì)灌溉水中懸浮態(tài)鎘的吸附是農(nóng)田灌溉水中重金屬凈化的主要過程。從稻田結(jié)皮中采集水網(wǎng)藻，研究其對(duì)不同粒徑高嶺土載鎘懸濁液的去除動(dòng)力學(xué)過程，并結(jié)合重金屬的分布形態(tài)分析，探討結(jié)皮對(duì)不同粒徑懸浮態(tài)鎘的去除機(jī)制。結(jié)果顯示：水網(wǎng)藻對(duì)離子態(tài)鎘的富集作用強(qiáng)于膠體態(tài)鎘，而對(duì)膠體態(tài)鎘的富集量與膠體的粒徑呈負(fù)相關(guān)。可見，進(jìn)入水體中懸浮物與重金屬結(jié)合后，能降低其被藻類俘獲概率，增加其遷移能力，導(dǎo)致其污染距離增加。

關(guān)鍵詞：不同粒徑；高嶺土；水網(wǎng)藻；金屬分布

中圖分類號(hào)：X173 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2018）09-0051-03

Removal Mmechanism of Cadmium Suspended in Different Particle sizes by

Hydrodictyon reticulatum

HU Da-li1，LI Zhi-yi2，DENG Xiao-zhou2，PENG Liang2

（1. Plant Protection Station of Zhuzhou Agricultural Committee， Zhuzhou 412000， PRC； 2. College of Resources and Environment，

Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC）

Abstract： The adsorption of suspended cadmium in irrigation water by paddy field system is the main process of purifying heavy metals in farmland irrigation water. The Hydrodictyon reticulatum was collected from paddy field crust to study the process of removal of cadmium-loaded cadmium suspensions with different particle sizes. Combined with the analysis of the distribution of heavy metals， the removal mechanism of crusts with different sizes of suspended cadmium was investigated. The results showed that the accumulation of ionic cadmium was stronger than that of colloidal cadmium in Hydrodictyon reticulatum， while the concentration of colloidal cadmium was negatively correlated with the particle size of colloids. This experiment showed that the combination of suspended solids and heavy metals in the water body could reduce the probability of capture by algae， increased its migration ability， and increased its pollution distance.

Key words： different particle sizes； kaolin； Hydrodictyon reticulatum； metal distribution

水體中的重金屬由于自身化學(xué)性質(zhì)的影響，在多種化學(xué)機(jī)理（沉淀、吸附、表面絡(luò)合、分配等）作用下，易于由水相轉(zhuǎn)入沉積物相，使河流中的重金屬主要在懸浮顆粒物中。然后，重金屬以懸浮顆粒物作為載體隨水流遷移分布，或者沉降于沉積物中，或者被生物所吸收利用，因此懸浮顆粒物作為重金屬污染的重要環(huán)境介質(zhì)，其環(huán)境意義不可忽視。

水網(wǎng)藻（Hydrodictyon reticulatum）系大型網(wǎng)袋狀綠藻，廣泛分布于池塘溝渠、農(nóng)田等靜水或水流緩慢的水體中。水網(wǎng)藻生長(zhǎng)速度快，生長(zhǎng)溫度范圍廣（5℃～40℃），藻體氮磷吸收能力強(qiáng)[1]，易于收集，因此，利用水網(wǎng)藻對(duì)水體典型污染物的治理有很大的潛力。劉偉等[2]探討了水網(wǎng)藻生態(tài)工程模式的特點(diǎn)與效率以及在農(nóng)業(yè)面源污染治理中的應(yīng)用；黎明[3]就水網(wǎng)藻在水體修復(fù)效果和影響因素進(jìn)行了相關(guān)分析。試驗(yàn)通過從茶陵典型南方稻田環(huán)境采集在生物土壤結(jié)皮中大量存在的水網(wǎng)藻，并進(jìn)行表征分析和鎘對(duì)水網(wǎng)藻的重金屬分布試驗(yàn)，研究水網(wǎng)藻對(duì)懸浮態(tài)鎘的吸收、轉(zhuǎn)化過程，旨在為減輕農(nóng)田鎘污染提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 主要試劑 試驗(yàn)中使用的HNO3、HCl、HClO4、高嶺土、EDTA-2Na等均購自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；3-嗎啉丙磺酸（MOPS）購自北京索萊寶科技有限公司。溶液均由去離子水配制。

1.1.2 主要儀器 電子天平（BSA124S，Satorius）；ICP發(fā)射光譜儀（PerkinElmer Optima 8300 USA）；水浴超聲振蕩器（KQ2200DE Ultrasonic Cleaner 40 kHz 90 W）；消解爐（XJS36-42W labotery LLC）；掃描電子顯微鏡-X射線能譜儀（H7500 jem-1230 hitachi Corp JPN）；X射線晶體衍射器（D/MaX2500，日本理學(xué)公司）；恒溫光照搖床（TS-2102G2，上海天呈實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司）；旋轉(zhuǎn)恒溫氣浴振蕩器（THZ-92A）；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9076A）；LS-POP（9）激光粒度分析儀；X射線光電子能譜分析儀；LR7M大容量冷凍離心機(jī)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 負(fù)載鎘的高嶺土的粒徑篩選 稱取0.6 g高嶺土放入100 mL離心管，使用超聲振蕩10 min，再使用搖床震蕩，使樣品充分混合。之后使用離心機(jī)，通過調(diào)整轉(zhuǎn)速為500、1 000、2 000、4 000、6 000、

7 000、8 000、9 000和10 000 r/min獲得具有不同粒徑分布高嶺土的懸濁液。分別將轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 000、

7 000和10 000 r/min，從而獲得高頻粒徑為400、100和5 μm的高嶺土懸濁液，用于試驗(yàn)（表1）。

1.2.2 動(dòng)力學(xué)試驗(yàn) 設(shè)置5種模擬體系，分別為：CK，純水；D50，200 mg/L 5 μm高嶺土懸濁液、40 μg/L鎘復(fù)合溶液；D100，200 mg/L 100 μm高嶺土懸濁液、40 μg/L鎘復(fù)合溶液；D400，200 mg/L 400 μm高嶺土懸濁液、40 μg/L鎘復(fù)合溶液；Cd，40 μg/L鎘溶液。每種模擬體系為總體積100 mL，含1 g水網(wǎng)藻，5 mL CT培養(yǎng)液。在光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，用80 r/min輕微振蕩，持續(xù)光照。設(shè)置多組模擬體系，分別在反應(yīng)后30 min和1、6、12、24、48 h后取出水網(wǎng)藻樣品，將樣品消解后使用ICP發(fā)射光譜儀測(cè)量樣品中鎘的總含量，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的每種體系做3個(gè)平行。

1.2.3 在不同時(shí)間下水網(wǎng)藻中的鎘分布 分別將經(jīng)過12、24和48 h反應(yīng)的5種模擬體系中的水網(wǎng)藻進(jìn)行過濾和清洗，得到樣品。將各個(gè)樣品分別放入50 mL的離心管中，分別使用超純水、EDTA、MOPS進(jìn)行連續(xù)的分布離心-再懸浮提取法。將提取液和殘?jiān)謩e消解，并測(cè)量其中生物結(jié)皮胞外聚合物（EPS）、生物吸附（Sorbed）和非EDTA可提取組分（Non-EDTA exchangeable）的鎘含量。3個(gè)平行為一組。

1.2.4 水網(wǎng)藻的生理指標(biāo)和表征測(cè)試 堿性磷酸酶的測(cè)量方法為取反應(yīng)后的水網(wǎng)藻鮮重0.2 g于10 mL離心管中添加0.6 mL Tris（100 mmol/L）與0.4 mL PNPP（10 mmol/L）在25℃黑暗中靜置4 h。之后添加1 mL 0.5 mol/L NaOH，離心取上清液得到樣品，使用分光光度計(jì)在410 nm波長(zhǎng)測(cè)試樣品；將取出的水網(wǎng)藻用超純水浸潤(rùn)，在暗室中暗適應(yīng)15 min。使用浮游生物熒光測(cè)量?jī)x測(cè)量最大量子產(chǎn)率。

將5個(gè)體系中的水網(wǎng)藻過濾清洗，經(jīng)液氮冷萃后使用冷凍干燥機(jī)抽氣，得到干燥樣品，樣品分別使用X射線光電子能譜技術(shù)（XPS）分析表面元素，X射線衍射（XRD）分析晶體形態(tài)，掃描電鏡能譜（SEM-EDS）進(jìn)行表面觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

由圖1可知，CK體系因?yàn)闆]有外源鎘的存在，在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的鎘含量都很低。而對(duì)3個(gè)懸濁液-鎘復(fù)合體系而言，水網(wǎng)藻對(duì)鎘的富集作用隨懸濁液粒徑的增大而減小，D100與D400體系在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)中鎘含量相近，總體D100體系鎘含量較高。在反應(yīng)1 h后，D5體系的鎘含量明顯高于D100與D400，甚至高于離子態(tài)Cd體系，為2.08 mg/kg。絕大多數(shù)時(shí)候，離子態(tài)鎘體系Cd含量高于3個(gè)懸濁態(tài)鎘體系，在反應(yīng)后48 h時(shí)，水網(wǎng)藻鎘含量為3.89 mg/kg。

圖1表明，離子態(tài)鎘微觀尺度小，容易被表面吸附，且離子態(tài)鎘與水網(wǎng)藻細(xì)胞的跨膜運(yùn)輸以順濃度梯度的自由擴(kuò)散為主；水網(wǎng)藻對(duì)離子態(tài)鎘的富集量隨時(shí)間增加而增大，且富集量大。在懸濁態(tài)鎘體系中，懸濁液顆粒容易快速與水網(wǎng)藻的胞外聚合物組分形成松散的結(jié)合，D5體系的微觀粒子尺度比D100體系和D400體系小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，富集量與胞外聚合物組分中的含量明顯較大；D100與D400體系微觀尺度相差未到數(shù)量級(jí)，因此富集情況相近。

上述結(jié)果表明，在鎘污染的灌溉水中，懸浮物質(zhì)的存在能有效地降低生物結(jié)皮對(duì)重金屬鎘的吸附與吸收。因此，灌溉水中的懸浮物質(zhì)攜帶重金屬鎘遷移的距離比離子態(tài)鎘更加遠(yuǎn)，而且懸浮物越大，遷移的距離更遠(yuǎn)。

2.2 鎘在水網(wǎng)藻中分布隨時(shí)間變化狀態(tài)

從圖2可知，水網(wǎng)藻對(duì)離子態(tài)鎘的富集作用最強(qiáng)，對(duì)懸濁態(tài)鎘的富集作用隨顆粒微觀尺度的增大而減弱。對(duì)于Cd體系中，反應(yīng)后12 h后，離子態(tài)鎘的富集主要在非EDTA提取態(tài)中，形態(tài)為金屬氧化物，生物吸附其次，胞外聚合物中無法檢測(cè)到；而在反應(yīng)24 h與48 h后離子態(tài)鎘的富集主要在表面的生物吸附組分，而非EDTA提取態(tài)組分次之，胞外聚合物組分最低。原因在于，隨著反應(yīng)的長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行，非EDTA提取態(tài)中金屬很少，更多的鎘將被吸附在生物表面，有少部分停留在胞外聚合物形成松散的結(jié)合結(jié)構(gòu)。非EDTA提取態(tài)部分要么是生物吸收到體內(nèi)，要么是生物產(chǎn)生的碳酸鹽或硫化物與重金屬成礦作用。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明鎘很少進(jìn)入體內(nèi)，與鎘的非營(yíng)養(yǎng)性有關(guān)，而且沒有發(fā)現(xiàn)生物成礦的跡象。

對(duì)于懸濁態(tài)-鎘復(fù)合體系，水網(wǎng)藻對(duì)懸濁態(tài)鎘的富集在3個(gè)時(shí)間點(diǎn)都主要存在于生物表面吸附中，而非EDTA提取態(tài)的鎘含量一直小于1 mg/kg，且三者含量接近。僅D5體系在反應(yīng)12 h后在此組分的含量較D100和D400體系高。在反應(yīng)24 h后，3個(gè)懸濁態(tài)-鎘復(fù)合體系與Cd體系中水網(wǎng)藻中的鎘在胞外聚合物中含量相近，而反應(yīng)12 h后，僅有D5與D100體系在胞外聚合物組分上檢測(cè)到鎘。這與上文關(guān)于負(fù)載鎘的懸濁液顆粒在反應(yīng)起初，能快速與水網(wǎng)藻的胞外聚合物組分形成松散結(jié)合的推測(cè)相符；在反應(yīng)48 h后，D5體系的胞外聚合物鎘含量比其他四者明顯要高。這說明粒徑為5 mm的懸濁液顆粒與胞外聚合物的結(jié)合比離子以及粒徑為100和400 mm的懸濁液顆粒更加穩(wěn)定。也許與水網(wǎng)藻表面EPS的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，水網(wǎng)藻的EPS厚度大約為2～8 mm，容易與其厚度相似的懸濁液結(jié)合。

2.3 生理指標(biāo)測(cè)試

堿性磷酸酶是一種專一性較低的磷酸單酯酶，能夠裂解有機(jī)磷化合物，轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷。而胞外堿性磷酸酶含量是生理活性的一個(gè)重要指標(biāo)。由圖3可以看出，5個(gè)體系中的水網(wǎng)藻在該指標(biāo)上無明顯的差異。

影響光合作用量子產(chǎn)率的環(huán)境條件有光強(qiáng)、溫度、水分、氧氣與二氧化碳濃度與營(yíng)養(yǎng)狀況；內(nèi)部條件則包括光合碳代謝途徑、呼吸作用、色素含量、NADPH/ATP比和生長(zhǎng)狀況。在試驗(yàn)設(shè)置中，以上環(huán)境因素在5個(gè)體系中區(qū)別不大，植物生長(zhǎng)的內(nèi)部條件主要是重金屬污染的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，該濃度的離子態(tài)與懸濁液復(fù)合態(tài)的鎘對(duì)以上內(nèi)部條件無明顯影響。濃度為40 μg/L的離子態(tài)與懸濁液復(fù)合態(tài)的鎘在48 h內(nèi)對(duì)水網(wǎng)藻并沒有明顯的毒性作用，不會(huì)影響其生理指標(biāo)與生命活動(dòng)。

3 結(jié)論與討論

通過從茶陵典型南方稻田環(huán)境采集在結(jié)皮中大量存在的真核藻類——水網(wǎng)藻，利用人工調(diào)整不同粒徑的負(fù)載鎘的高嶺土顆粒懸濁液，觀察水網(wǎng)藻對(duì)不同粒徑懸浮態(tài)鎘富集及形態(tài)變化機(jī)制。結(jié)果表明：水網(wǎng)藻對(duì)離子態(tài)鎘的富集作用強(qiáng)于膠體態(tài)鎘，而對(duì)于膠體態(tài)鎘的富集量與膠體的粒徑呈負(fù)相關(guān)，試驗(yàn)中膠體粒徑5 μm的鎘負(fù)載高嶺土的富集量為3個(gè)鎘-膠體體系中最大。而反應(yīng)后的短時(shí)間內(nèi)（30 min、1 h），膠體態(tài)鎘的富集與離子態(tài)相當(dāng)。在長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)后（12 h、24 h），水網(wǎng)藻所富集的鎘主要分布在生物吸附與非EDTA可提取組分中，少量存在于胞外聚合物組分（EPS）。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙 坤，傅海燕，柴 天，等. 水網(wǎng)藻對(duì)銅綠微囊藻的化感作用及對(duì)氮磷去除能力研究[J]. 環(huán)境科學(xué)，2011，32（8）：67-69.

[2] 劉 偉，陳慶鋒，馬君健，等. 農(nóng)業(yè)面源污染治理中水生植物的應(yīng)用及其生態(tài)工程模式[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（35）：65-67.

[3] 黎 明. 水生植物水體修復(fù)效果及其影響因素研究[D]. 蘇州：蘇州大學(xué)，2007.

（責(zé)任編輯：夏亞男）