藻類植物在水體污染中的研究進展

張步云 韓玉潔 楊 琳

（1天津師范大學生命科學學院天津市動植物抗性重點實驗室 天津 300387 2清華大學生命科學學院 北京 100084）

引言

水是難以替代的資源，由于人口的增加，各方面用水量的不斷擴大使得淡水供應緊張。不僅如此，森林被毀、土壤退化等因素導致地面對水的吸收保護能力下降，雨季大水泛濫，而旱季嚴重缺水，而近些年來，水資源也遭到了嚴重的污染，造成水質量逐年下降。

水污染就是由有害化學物質造成水的使用價值降低或喪失。水的污染有兩類：一類是自然污染；另一類是人為污染，兩者中人為污染占重要比例。不同水域主要污染物不同：有機物污染在河流污染起主要作用；湖泊則以磷，氮污染物富營養(yǎng)化為特征；無機氮、活性磷酸鹽和重金屬則為近岸海域的主要污染物。

傳統(tǒng)的水污染處理方法主要分為物理方法和化學方法。物理方法主要包括引水沖淤和調(diào)水等；化學方法主要包括如加入鐵鹽促進磷的沉淀、加入石灰脫氮等方法。而新型的一種凈化水體的方法是水生植物凈化法，該方法充分利用了水生植物的自然凈化機能，而藻類就起到了很大的作用。

藻類屬于原生生物界，構造簡單，沒有根、莖、葉的分化，是具同化色素而能進行獨立營養(yǎng)生活的水生低等植物的總稱，也是地球上最龐大的生物群體。它種類繁多，無維管束，也沒有真正的根、莖、葉，能進行光合作用。大多數(shù)藻類都是水生的，也有生于陸水中的淡水藻，也有產(chǎn)于海洋的海藻。由此可見，幾乎到處都有藻類的存在，藻類對環(huán)境的要求并不嚴格，而且適應性強，這也為水污染的凈化奠定了基礎。

藻類在水凈化中，顯示出的優(yōu)勢：（1）藻類植物可以適應多樣的環(huán)境條件，對生長所需的營養(yǎng)及光照強度的要求不高。（2）藻類植物含有光合色素，可以進行光合作用，它可以將無機物合成有機物供自身所需，（3）藻類能吸附重金屬，二氧化碳固定能力強，對水體凈化有很大的幫助。本文就藻類對水體污染凈化的研究進展進行綜述。

1 藻類對水體中重金屬離子凈化的研究進展

重金屬對藻類生長的影響，以重金屬鎘為例，鎘在水環(huán)境中十分穩(wěn)定，首先鎘離子（Cd2+）有毒性，其次Cd2+對藻類的光合作用也有影響，Cd2+會使藻類光合放氧減少，葉綠素熒光(Fv/Fm)降低，抑制光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的電子傳輸，并降低PSⅡ活性[1]。由于某些重金屬離子對活藻菌株具有毒性，因此優(yōu)化金屬離子濃度是藻類高效生長的必要條件。Shanab和Essa觀察到，低濃度的鉛和鎘離子(5-20ppm)通過增加葉綠素含量來促進藻類生長，而汞離子在任何濃度下都對藻類細胞有毒性作用[2]。重金屬離子的毒性過大，可能導致蛋白質結構變性，取代必需元素，或破壞活海藻的氧化平衡，藻類細胞的應激強度取決于藻類細胞中氧化蛋白和脂質的含量，它對重金屬離子的保護反應極其依賴于其對氧化損傷的抵抗能力。

藻類對重金屬的吸附主要分為胞外快速吸附和胞內(nèi)緩慢富集兩個階段：第一階段：在大多數(shù)情況下，藻類細胞表面吸附重金屬后，由于藻類細胞壁含有的一些官能團如巰基和磷酸根[3]等，使得其帶負電，再通過離子交換或配位反應與重金屬結合。第二階段：重金屬可以跨膜進入胞內(nèi)富集。

藻類細胞壁吸附的金屬離子是生物積累的第一步。研究發(fā)現(xiàn)，藻類細胞的細胞壁一般是纖維素的微纖絲形成的網(wǎng)狀結構構成的，細胞壁所含有的不同結合基團例如 OH-，SH-，COO-，PO43-，NO3-等存在于細胞表面，細胞質中，尤其是液泡中（液泡可以看作是一種積聚金屬離子的細胞器）。重金屬離子吸附到海藻細胞后，被轉運到細胞液泡中，在這一過程中，金屬硫蛋白(MTs)等結合蛋白與吸附的離子結合，從而避免了宿主細胞中金屬離子累積濃度的抑制作用。已有研究總結了不同金屬離子與藻類細胞配體之間的親和力，金屬離子分為A、B、邊緣型，A類傾向于通過其氧原子與I組配體建立連接，B類金屬陽離子容易與II、III類配體橋接，而邊緣金屬離子可以與I、II、III類不同原子連接。在偏酸性的水體中，細胞壁上的官能團會被質子化，并阻止陽離子與官能團結合，導致生物吸附能力下降。因此，尋找特定藻類最大限度去除金屬離子的最佳pH值至關重要，因為它與生物量的表面電荷、電離程度和吸附位點密切相關。除此之外，Aksu還研究了溫度對小球藻生物量對Cd(II)和Ni(II)生物吸附的影響，他們觀察到Cd(II)和Ni(II)的最大生物吸附發(fā)生在20℃和45℃[4-5]。通過研究測定了2、4、6、8天后分別收獲的剛毛藻對鎘、鉛離子的吸附量，結果發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，海藻生長速率降低，但在較老的培養(yǎng)基中獲得了更大的生物吸附能力[6]。這些結果表明，雖然重金屬生物吸附會在接觸的第一個瞬間迅速發(fā)生，但使用活海藻接觸的時間越長，重金屬生物遷移的水平越高。在藻類凈化的研究中，轉基因工程培育、開發(fā)修復效率高、運行費用低的新型藻類；或是通過誘變育種技術來改良遺傳特性；或是分離對重金屬敏感的突變株，鑒定、克隆其相關基因；或是通過轉基因獲得重金屬耐性株已成為熱點。

2 藻類對水體中有機污染物的研究進展

對水體中有機污染物的處理，傳統(tǒng)方法分為兩種：（1）物理方法主要包括吸附、混凝沉淀、滲析和離子交換等。尤其是對于那些有毒而又難降解有機污染物，大多采用吸附法、混凝法和萃取法等。最常用的一種方法是活性炭吸附，活性炭在吸附過程中起著雙重作用——過濾并吸附，不僅如此，它還能夠縮短再生周期，讓有機污染物的去除更加容易。（2）化學方法則是利用化學反應的原理和方法，分離回收廢水中的污染物，改變它們的性質，最終使廢水無害化、低毒化。在化學方法處理中，最常用的處理技術有：中和、氧化、還原、分解等。

已有研究表明，藻類等浮游植物種群的變化受湖泊富營養(yǎng)化的影響，湖泊的富營養(yǎng)化最終會導致生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的變化。大量營養(yǎng)元素可以促進葉綠素a和浮游藻類生物量的劇增，氮和磷是這些營養(yǎng)元素中的限制因子，浮游藻類藻細胞的密度與氮磷含量密切相關。Redfield定律認為，藻類細胞組成的原子比率 C∶N∶P=106∶16∶1，如果氮磷比超過 16∶1，磷被認為是限制性因素；反之，當?shù)妆刃∮?0∶1時，氮通常被考慮為限制性因素[7]。

水中有機的污染物主要是指氮磷有機物，藻類是一種自養(yǎng)型生物，利用光能將簡單的營養(yǎng)物合成復雜的有機物。藻類的光合作用使其在很多水環(huán)境中成為了重要的陽光吸收器。已有研究表明，藻的光合器官吸收可見光，導致羧酸，碳水化合物和氨基酸等極性、離子態(tài)有機物的新陳代謝，從而用于降低水中的氮、磷含量。以廢水中的有機物鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和三丁基錫氯化物 (TBTCl)為例，對于DBP而言，使用斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)進行生物降解實驗，DBP在水相中的濃度降低得很快，藻體對化合物的生物富集和生物降解同時發(fā)生.在8h內(nèi)生物富集占主導地位，而8h以后生物降解則占主導。因而，在8h時DBP在藻體中的濃度出現(xiàn)峰值。對于TBTCl而言，利用斜生柵藻和扁藻(Platymonas)進行生物降解實驗，兩種藻類都可以很快地降解TBTC1，因為生物富集和生物降解同時發(fā)生，所以，在兩種藻體內(nèi)的三丁基錫（TBT）濃度出現(xiàn)峰值，分別出現(xiàn)在48h和24h[8]。總體來講，藻類對有機污染物的吸附主要體現(xiàn)在兩者的相互作用，包括生物富集和生物降解這兩種同時進行的過程，高濃度的有機污染物顯示出對藻類的毒性，即為藻類的生物富集；當富集到一定程度后，藻類會體現(xiàn)出生物降解的作用，雖然有的時候降解的速度比較慢，但卻可以完全降解有機污染物。

藻類在凈化水污染中，不僅使藻類的成長與繁衍受到了有效抑制，而且水中的溶氧量得到增加。但也有缺點，例如對凈化污水的藻類植物的回收利用比較缺乏且藻類植物生態(tài)功能和景象功能相結合的研討比較缺乏。在以后藻類對水體有機污染物的凈化中很有潛力的研究方向是：多加利用藻類固定化技術，并與傳統(tǒng)的工藝結合起來，從而達到更好的水處理效果。

3 菌藻共生系統(tǒng)對水污染的研究進展

利用菌藻共生系統(tǒng)處理污水是指：藻類和細菌會在凈化污水的過程中形成復雜的共生系統(tǒng)，共同凈化污水。它是一種資源化技術，也是凈化水體富營養(yǎng)化的有效途徑。

藻類以光能作為能源，利用氮、磷等營養(yǎng)物質及CO2合成自身復雜的有機成分。菌藻共生系統(tǒng)是將藻類植物對污水中營養(yǎng)物和有機物去除能力與細菌的污染物降解能力有效結合凈化污水。它的基本原理是：細菌在降解有機質的過程中，會產(chǎn)生CO2，產(chǎn)生的CO2又成為了藻類的主要碳源，促進了藻類的光合作用，藻類光合作用釋放出的氧，增加了水中的溶解氧[9]，促進了細菌的代謝活動，使其能夠維持正常的生命活動。

藻類塘和固定化菌藻就是利用菌藻共生系統(tǒng)處理污水的應用。高效藻類塘與傳統(tǒng)相比具有的優(yōu)勢為：（1）塘的深度較淺（2）塘的寬度一般較窄。因此可以促進污水的完全混合、調(diào)節(jié)塘內(nèi)氧和CO2的濃度等。這些優(yōu)勢使得塘內(nèi)形成了有利于藻類和細菌生長繁殖的環(huán)境，加強了藻類和細菌之間的相互作用。研究表明，固定化菌藻對廢水的處理效率更高。王翠紅等利用固定化藻菌系統(tǒng)處理含酚廢水，將分離培養(yǎng)所得的對酚具有高效降解作用的小球藻(Chlorellavulgaris)和紫色非硫光合細菌混合菌株混合體系用海藻酸鈉包埋后，在好氧條件下處理含酚廢水，可明顯地提高除酚效率[10]。將銅綠微囊藻（Microcystisaeruginosa）和細菌混合固定化，研究其對污水中NH3-N和PO43--P的凈化效率，結果表明：固定化混合藻菌體系對污水中NH3-N和PO43--P的去除效率比較高，并且隨著實驗時間的延長，對污水中NH3-N和PO43--P的去除效率逐漸增高[11]。

菌藻共生系統(tǒng)在利用藻類處理水污染的技術中體現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢，但該系統(tǒng)仍存在著許多問題，例如：固定化菌藻共生系統(tǒng)與傳統(tǒng)工藝的整合，菌藻細胞增長到一定程度后會從固定化載體中漏出，固定化小球使用壽命短，包埋載體的再生等。對水污染的治理來說，菌藻共生系統(tǒng)仍是一個值得研究的方向。

4 利用污水培養(yǎng)藻類在生物能源方面的應用

石油能源是非可再生能源，過度采發(fā)和應用引發(fā)了諸如溫室效應、能源危機等問題。[12]國家在十三五發(fā)展規(guī)劃中提出要進行“能源轉型”，加強開發(fā)應用生物質能源。藻類，光合效率高、生長速度快、固氮能力高、高碳水化合物、高中性脂肪含量，因此可利用污水培養(yǎng)浮萍，可作為生物能源材料，取代石油能源[13]。微藻中，碳水化合物和中性油脂是其初級碳源和能量的儲備，可用于生產(chǎn)生物質乙醇和生物柴油。

碳水化合物和脂類可保護處于逆境中的藻類細胞，例如，高光、高鹽等。因此，缺氮、缺硫、缺磷[14]等可提升微藻體內(nèi)碳水化合物或者脂肪含量。在小球藻中，缺氮提高了其碳水化合物含量[15]。改變氮源可以提升微藻中的碳水化合物或脂類含量，可應用于提高藻類碳水化合物和脂肪含量中[16]，可將微藻在污水中進行培養(yǎng)，應用于生物產(chǎn)能。為了提升生物能源應用，除了改變藻類培養(yǎng)條件，還可以運用育種法等方法培育適應污水環(huán)境的微藻新品種，以更好應用于生物能源研究。

結語

藻類植物在地球上分布非常廣泛，也正是如此，人類已經(jīng)在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，醫(yī)藥，食品，環(huán)境保護等方面開發(fā)和利用藻類。我們已經(jīng)知道，藻類植物能有效吸附水體中氮、磷等營養(yǎng)物質，并且固定二氧化碳，過濾并吸附固體懸浮物。藻類植物也可以蓄積Cd、Cr、Pb，從而說明藻類植物也可吸附重金屬離子，減少了重金屬離子對水環(huán)境的污染。因此，用藻類植物凈化水質已經(jīng)得到了普遍的認可。

藻類植物的研究不僅僅是在水污染的監(jiān)測和凈化方面。藻類由于其低比例的木質素和半纖維素，常常用作生物乙醇的來源，相比其他木質植物擁有著獨特的優(yōu)勢，因此可以用作生物能源的開發(fā)。除此之外，藻類多糖還有抗病毒活性、抗菌消炎活性、抗腫瘤活性、抗氧化活性以及改善腎功能活性，因此它還有用作生物醫(yī)藥活性的功能。

但到目前為止，藻類植物的開發(fā)利用還存在著一些問題，例如：為了提高水質監(jiān)測和凈化效率，我們需要篩選出對特定污染物敏感的藻類物種，有些藻類植物對污染物處理的生理響應和機制并不明確，還需要進一步地研究。在藻類植物現(xiàn)有研究的基礎上，對其開發(fā)技術也在不斷地提高中，相信在以后水污染的治理及藻類的研究會進一步地深入，藻類植物一定會給人類帶來更多的效益。