水環(huán)境中萊茵衣藻對納米氧化銅的吸附及離子溶出的影響

崔曉倩，陳國棟，鄭 昊，李曉晨

(1.臨沂首創(chuàng)博瑞水務(wù)有限公司，山東 臨沂 276021; 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018;3.臨沂首創(chuàng)環(huán)保發(fā)展有限公司，山東 臨沂 276002)

隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，金屬納米顆粒(metal nanoparticles，MNPs)不可避免地在生產(chǎn)、消費或處置過程中匯集于水環(huán)境[1-2]，其在水環(huán)境中具有遷移能力強、影響范圍廣等特點[3-4]。MNPs進入水環(huán)境后會受各種生物和非生物因素的影響發(fā)生相應(yīng)的遷移轉(zhuǎn)化[5]，可通過靜電吸引、氫鍵作用、配位作用等吸附在微生物細胞表面，也可通過微生物的吸附架橋作用發(fā)生異團聚作用[6-8]，從而改變在水環(huán)境中的歸趨和生態(tài)毒性效應(yīng)[9]。對于水環(huán)境中的MNPs(如Ag-NPs、CuO-NPs、ZnO-NPs等)來說，其粒子表面的溶解離子被釋放到水體中是一個重要的過程。MNPs的溶解不僅會改變其在水環(huán)境中的粒徑和賦存形狀，也會降低顆粒本身在環(huán)境中的持久性和長期的生物可利用性。MNPs在水環(huán)境中的溶解受其自身特性、水化學(xué)條件等的影響，水生生物的存在也會影響其溶解程度[10]。微藻是自然水環(huán)境中廣泛存在的一種細胞結(jié)構(gòu)簡單、生長繁殖快的水生生物[11]。在水環(huán)境中，微藻和MNPs會以多種形式長期共存，微藻必然對MNPs的遷移和潛在生物毒性產(chǎn)生重要影響[12]。微藻對MNPs的吸附主要依賴于微藻細胞表面含有豐富的羧基、羥基、氨基等官能團，這些官能團易于與MNPs結(jié)合，從而將其吸附在細胞表面[13]。已有研究表明死亡藻體對重金屬離子具有較強的吸附能力，如Jacinto等[14]發(fā)現(xiàn)馬尾藻對Cr6+和Cu2+均具有較強的吸附去除能力，其吸附容量是普通商品活性炭的6倍；Gupta等[15]發(fā)現(xiàn)水綿對鉛離子具有很強的吸附能力等。此外，金屬氧化物納米顆粒在水體中會有不同程度的溶解，可以釋放出自由金屬離子。有些研究認為，水環(huán)境中MNPs的自由離子釋放是其生態(tài)毒性的主要致毒機理，如Hou等[16]認為Zn2+的釋放是納米氧化鋅(ZnO-NP)對羊角月牙藻毒性抑制效應(yīng)的主要原因。微藻細胞表面通常會存在大量的胞外多聚物(extracellular polymeric substances, EPS)和一些胞外酶，而EPS和胞外酶都可能會對MNPs的自由離子釋放產(chǎn)生一定的影響[17]。

萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)是一種常用的測試污染物毒性效應(yīng)的模式水生生物[18]，納米氧化銅(CuO-NPs)則是人們生產(chǎn)、生活中廣泛應(yīng)用且備受生態(tài)毒理學(xué)關(guān)注的一類MNPs[19-24]。本文采用批量試驗研究萊茵衣藻對CuO-NPs的吸附特性和機理及其對CuO-NPs中自由離子(Cu2+)溶出的影響，旨在探討微藻對水環(huán)境中金屬納米顆粒遷移轉(zhuǎn)化的影響和利用其進行生態(tài)修復(fù)的可行性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗溶液的來源及配制

試驗所用的CuO-NPs粉末購于上海阿拉丁有限公司，平均粒徑40 nm，純度為99.5%，比表面積為29 m2/g。儲備液的配制參照文獻[25]，在超純水中加入一定量的CuO-NPs(需要時可調(diào)節(jié)pH值)，為使其更好地分散，需進行超聲處理，離心后取上清液作為儲備液，初始濃度以上清液中的相應(yīng)金屬離子濃度為準。

試驗所用的萊茵衣藻由中國科學(xué)院野生生物種質(zhì)庫-淡水藻種庫提供。培養(yǎng)基為液體SE培養(yǎng)基。將萊茵衣藻接種于SE培養(yǎng)基中，放置于培養(yǎng)溫度為25 ℃、光照條件2 000 lux、光照周期12L/12D的光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)至對數(shù)生長初期后進行試驗，起始濃度均為100萬個/mL。

1.2 試驗方法

1.2.1吸附等溫線試驗

在100 mL的聚乙烯塑料瓶中加入處于對數(shù)生長期的萊茵衣藻藻液50 mL，溫度為22 ℃的情況下，分別投加10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L 的CuO-NPs，放入220 r/min的震蕩培養(yǎng)箱中振蕩一段時間后取出，置于4 000 r/min的離心機中離心30 min，取上清液，用石墨爐原子吸收分光光度計在波長為324.7 nm處測定Cu2+的質(zhì)量濃度。為消除其他因素對試驗結(jié)果的影響，在測定特定因素對萊茵衣藻吸附效果的影響時，將其他試驗條件設(shè)置為相同的固定值。設(shè)置3組平行試驗以排除容器對離子吸附造成的影響。在不添加藻液的SE培養(yǎng)基中加入CuO-NPs，作為對照組研究SE培養(yǎng)基對試驗的影響。采用Langmuir和Freundlich等溫線模型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合。Langmuir和Freundlich模型的吸附等溫線表達式分別為

(1)

(2)

式中：qe為吸附反應(yīng)達到平衡時萊茵衣藻對Cu2+的吸附量，μg/106個；qmax為萊茵衣藻對Cu2+發(fā)生單層吸附時的最大吸附量，為Langmuir等溫線模型對所得試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合后擬合曲線斜率的倒數(shù)，即斜率越小，吸附效果越好，μg/106個；ρe為吸附反應(yīng)達到平衡時Cu2+的質(zhì)量濃度，μg/L；KL為Langmuir吸附等溫線的常數(shù)，與吸附速率正相關(guān)，L/μg；KF為單位濃度吸附質(zhì)存在時，吸附劑對其的吸附量，數(shù)值大小與吸附劑和吸附質(zhì)的性質(zhì)以及溫度有關(guān)，與溫度呈負相關(guān)，可用來表征吸附劑的吸附能力；1/n為擬合曲線斜率，范圍為0～1，可反映溶液濃度對吸附強弱的影響程度，1/n越小說明吸附能力越強，當0.1≤1/n≤0.5時易于吸附，1/n>0.5則難以吸附[26]。

1.2.2吸附動力學(xué)試驗

取300 mL處于對數(shù)生長期的萊茵衣藻藻液，在溫度為22 ℃情況下進行吸附試驗，藻液初始pH值為7.4，投加50 mg/L的CuO-NPs，在接觸時間分別為0、10 min、30 min、60 min、90 min、120 min時取藻液，測定其中Cu2+的質(zhì)量濃度。用準二級動力學(xué)模型對所得試驗數(shù)據(jù)進行擬合，其線性方程表達式為

(3)

式中：qt為t時刻萊茵衣藻對Cu2+的吸附量，μg/106個；k2為二級動力學(xué)吸附速率常數(shù)，min-1。

1.2.3萊茵衣藻對Cu2+溶出影響試驗

在SE培養(yǎng)基及不同濃度(0、50萬個/mL、100萬個/mL、200萬個/mL)的萊茵衣藻藻液中分別加入不同質(zhì)量濃度ρ1(10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L)的CuO-NPs，并將混合液置于溫度為22 ℃、轉(zhuǎn)速為160 r/min的恒溫震蕩箱中震蕩。96 h后取10 mL的混合液放入離心機中，以4 000 r/min的速率離心30 min，取上清液用石墨爐原子吸收分光光度計測定Cu2+離子的質(zhì)量濃度ρ2，并計算離子溶出比例(ρ1/ρ2)。每組設(shè)置3組平行試驗。利用Microsoft Excel和Origin 8.0對試驗數(shù)據(jù)進行整理、分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 萊茵衣藻對CuO-NPs的吸附及影響因素

2.1.1CuO-NPs投加量對吸附效果的影響

不同CuO-NPs投加量下萊茵衣藻對CuO-NPs的吸附情況如圖1所示。由圖1可見，隨著CuO-NPs投加量增加，萊茵衣藻細胞對CuO-NPs的吸附量也隨之增加。但當CuO-NPs的投加量為 100 mg/L 和200 mg/L時，兩者的吸附量并無顯著差異(P>0.05)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是在CuO-NPs質(zhì)量濃度較低時，萊茵衣藻細胞表面吸附活性位點數(shù)量多于CuO-NPs粒子，藻細胞對CuO-NPs的吸附量取決于CuO-NPs的質(zhì)量濃度；而隨著CuO-NPs質(zhì)量濃度的升高，CuO-NPs粒子的數(shù)量逐漸超過了藻細胞表面的活性位點數(shù)量，藻細胞表面吸附達到飽和，吸附量難以繼續(xù)增加。此外，高質(zhì)量濃度的CuO-NPs在微藻培養(yǎng)液中更易發(fā)生團聚而沉降[26]，導(dǎo)致溶液中吸附質(zhì)的濃度降低，減弱了吸附動力，也會降低萊茵衣藻細胞對CuO-NPs吸附效率。

圖1 不同CuO-NPs投加量下萊茵衣藻對CuO-NPs的吸附情況Fig.1 Adsorption of CuO-NPs by Chlamydomonas reinhardtii at different dosage of CuO-NPs

2.1.2接觸時間對吸附效果的影響

在0～30 min 的初始吸附階段，萊茵衣藻細胞對CuO-NPs的吸附量迅速增加，很快達到了最大值167 μg/L，主要是因為此階段萊茵衣藻藻細胞表面的活性點位數(shù)量充足，加之CuO-NPs的質(zhì)量濃度大，吸附驅(qū)動力大，CuO-NPs可快速被吸附到藻細胞表面，屬于快速吸附階段。隨著時間的延長，CuO-NPs發(fā)生團聚、沉降，溶液中的吸附質(zhì)減少，驅(qū)動力降低，同時，萊茵衣藻細胞表面空閑活性點位減少，吸附量增加緩慢，屬于緩慢吸附階段[27]。在試驗后期，萊茵衣藻對CuO-NPs的吸附量有所降低，吸附量下降至 160 μg/L，出現(xiàn)了解吸現(xiàn)象；但是解吸量很低，說明CuO-NPs與藻細胞的吸附較為穩(wěn)定。

2.2 吸附等溫線

萊茵衣藻細胞對CuO-NPs的吸附等溫線如圖2所示?？梢钥闯觯琇angmuir和Freundlich等溫線模型對萊茵衣藻細胞吸附CuO-NPs的過程均有較高的擬合度，R2分別為0.942 1及0.965 1。Langmuir等溫線模型擬合效果優(yōu)良說明萊茵衣藻對CuO-NPs的吸附是單層的，CuO-NPs占據(jù)萊茵衣藻細胞表面不同活性位點的可能性是一樣的，并且不同位點是否吸附CuO-NPs與其他位點無關(guān)，即各位點之間是相互獨立的。Freundlich等溫線模型中1/n遠遠小于1，說明萊茵衣藻對CuO-NPs親和力較好，吸附較易進行，且為多分子層吸附。從兩種等溫線模型的擬合結(jié)果可以看出，萊茵衣藻細胞對CuO-NPs的吸附是單層吸附和多層吸附共存的過程。此外，由Langmuir等溫線模型可以得到萊茵衣藻對CuO-NPs的最大吸附量為128 μg/106個。

(a) Langmuir模型

(b) Freundlich模型圖2 萊茵衣藻對CuO-NPs的吸附等溫線Fig.2 Adsorption isotherms of Chlamydomonas reinhardtii to CuO-NPs

2.3 吸附動力學(xué)

萊茵衣藻對CuO-NPs的吸附動力學(xué)擬合結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，萊茵衣藻吸附CuO-NPs的準二次模型的R2為0.999 97，說明吸附過程的擬合效果很好，能準確地反映吸附模式，也說明了物理吸附和化學(xué)吸附同時對萊茵衣藻吸附CuO-NPs起作用。

圖3 萊茵衣藻對CuO-NPs的吸附動力學(xué)擬合結(jié)果Fig.3 Fitting results of adsorption kinetics of Chlamydomonas reinhardtii to CuO-NPs

由試驗結(jié)果可以看出，萊茵衣藻對水環(huán)境中的CuO-NPs表現(xiàn)出較強的吸附去除能力，可有效降低水環(huán)境中CuO-NPs的質(zhì)量濃度，減小其對環(huán)境的潛在危害。微藻與MNPs之間的吸附機理主要包括范德華力、疏水性、靜電吸引和特定的化學(xué)反應(yīng)(包括氫鍵和受體配體的相互作用)。此外，微藻細胞及其分泌的EPS還會通過吸附架橋作用導(dǎo)致MNPs的異團聚作用[28]。還應(yīng)當引起注意的是，目前有關(guān)微藻對MNPs的吸附(去除)多針對死亡藻體來探討，主要原因在于研究者多數(shù)認為MNPs對微藻生長及生物活性的抑制效應(yīng)會導(dǎo)致微藻死亡[29-30]。然而，在實際水環(huán)境中，MNPs的賦存濃度一般僅僅處于μg或者ng的痕量水平，即按照已有的關(guān)于MNPs的毒性效應(yīng)研究結(jié)果來分析，尚不足以導(dǎo)致微藻死亡。在實際地表水環(huán)境中微藻廣泛而大量存在，對于處于痕量水平的MNPs，利用水體原有的微藻進行原位處理或修復(fù)具有重要的潛在價值。

2.4 萊茵衣藻對Cu2+溶出的影響

圖4為不同質(zhì)量濃度萊茵衣藻對Cu2+溶出的影響。由圖4可見，隨著CuO-NPs投加量的增加，Cu2+的溶出比例呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，原因可能在于隨著質(zhì)量濃度的增加，CuO-NPs更易于發(fā)生自團聚和異團聚，從而導(dǎo)致CuO-NPs膠體顆粒的有效表面積和裸露于水相的活性點位降低，由此抑制了Cu2+的溶出。Baalousha等[31-32]研究也發(fā)現(xiàn)MNPs在水中的初始濃度會影響其在水中的溶解和聚合過程，自然水體中更低濃度會導(dǎo)致更高的溶解率和較小的團聚粒徑。

圖4 不同質(zhì)量濃度萊茵衣藻對Cu2+溶出的影響Fig.4 Effect of Chlamydomonas reinhardtii with different concentrations on Cu2+ release

從圖4中還可以看出，萊茵衣藻的加入破壞了溶液中CuO-NPs和Cu2+之間的溶解平衡。與對照組(藻液濃度為0)相比，萊茵衣藻的存在明顯地促進了Cu2+的溶出。當萊茵衣藻的濃度為100萬個/mL時Cu2+的溶出比例是對照組的2倍多；但是，與萊茵衣藻濃度為50萬個/mL、100萬個/mL相比，當萊茵衣藻濃度進一步升高到200萬個/mL時，Cu2+的溶出比例反而迅速下降。水環(huán)境中CuO-NPs的溶解是氧氣和質(zhì)子共同參與的化學(xué)反應(yīng)[33]，即，

CuO-NPs+O2+H+?Cu2++H2O

(4)

由式(4)可知，在萊茵衣藻濃度較低時，由于藻細胞表面的有機官能團與Cu2+絡(luò)合而吸附在藻細胞表面，降低了水體中Cu2+的濃度，從而促進了Cu2+的溶出。此外，藻在光合作用過程中釋放出游離O2，也會促進CuO-NPs釋放出Cu2+。但是，當萊茵衣藻濃度進一步增加后，一方面會由于藻細胞表面的EPS對CuO-NPs顆粒產(chǎn)生包覆現(xiàn)象而阻礙Cu2+的溶出，另一方面也會由于藻細胞及有機分泌物的橋聯(lián)作用促進CuO-NPs發(fā)生異團聚而形成大顆?；蛘叱两蹬c水底，從而抑制了Cu2+離子的溶出效率[34]。

3 結(jié) 論

a. 萊茵衣藻對水環(huán)境中低濃度的CuO-NPs表現(xiàn)出較強的吸附力，藻細胞與CuO-NPs之間結(jié)合力較強，且CuO-NPs被微藻吸附到細胞表面后不易于重新釋放到水環(huán)境中。

b. 萊茵衣藻細胞對CuO-NPs的吸附是單層覆蓋和多層吸附共存的過程，吸附類型包括物理吸附和化學(xué)吸附。

c. 萊茵衣藻對Cu2+離子的溶出影響顯著，低濃度的萊茵衣藻促進Cu2+離子溶出，而高濃度的萊茵衣藻抑制Cu2+離子溶出。同時，萊茵衣藻可促進CuO-NPs的團聚沉降，減少水中CuO-NPs的質(zhì)量濃度，降低其對水生生物的毒性。