光質(zhì)對(duì)蛋白核小球藻膜生長(zhǎng)及除鎘效果的影響

魏群, 毛瑞, 馬湘蒙, 甘鈺華, 蘇苑

(廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院,廣西 南寧 530004)

近年來(lái),我國(guó)鎘污染事件時(shí)有發(fā)生,如2005年廣東韶關(guān)北江鎘污染事件[1]、2012年廣西龍江鎘污染事件[2]和2013年廣西賀江鎘鉈污染事件[3]。鎘具有毒害性和潛在危害性,且難以通過生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力降解或消除；同時(shí),鎘具有富集效應(yīng),即使含量很低,也能在藻類和沉積物中積累[4]。鎘在水體中的存在不僅給水生生物帶來(lái)了極大的危害,還通過食物鏈對(duì)人類健康造成危害[5]。由此帶來(lái)的水污染問題促進(jìn)了鎘去除技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。常規(guī)去除重金屬離子的方法有化學(xué)沉淀法、電化學(xué)法、吸附法、離子交換法、膜分離法等[6]?；瘜W(xué)沉淀法和電化學(xué)法經(jīng)濟(jì)成本高且不易處理低濃度含鎘廢水[7]。吸附法吸附材料昂貴且回收利用率低[8]。離子交換法可處理濃度范圍廣,但離子交換樹脂存在強(qiáng)度低、不耐高溫、吸附率低等缺點(diǎn)。膜分離法存在對(duì)技術(shù)設(shè)備要求高、膜易受污染堵塞等缺點(diǎn)[9]。藻類具有光合速率高、繁殖速度快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn),能夠快速、有效地去除鎘,且成本低、易獲得、可二次利用的特點(diǎn)[10-12]。藻類生物膜技術(shù)能夠解決藻水難分離的問題[13]。并且,藻類生物膜具有生物量大、去除重金屬效果好的特點(diǎn)[14]。因此,藻類生物膜治理鎘污染的生物技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)。

鎘去除效果與藻類生長(zhǎng)狀況息息相關(guān),而光照條件對(duì)藻類生長(zhǎng)具有至關(guān)重要的作用。有關(guān)光照對(duì)藻類生長(zhǎng)影響的研究,主要集中在光照強(qiáng)度和光照周期兩個(gè)參數(shù)上,而對(duì)光質(zhì)參數(shù)的研究鮮有報(bào)道[15],因此,研究光質(zhì)對(duì)藻類生長(zhǎng)及鎘去除效果的影響是很有必要的。波長(zhǎng)為400～700 nm的光能夠被植物吸收,促進(jìn)光合作用,該波段的光輻射稱為光合有效輻射[16]。在光合有效輻射范圍內(nèi),紅光區(qū)和藍(lán)光區(qū)各有一個(gè)吸收峰。已有的文獻(xiàn)大多是關(guān)于紅、藍(lán)單色光或紅藍(lán)復(fù)合光對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響研究,關(guān)于多譜光質(zhì)的研究較少。如吳霞等[17]研究了雨生紅球藻在紅光、黃光、藍(lán)光和綠光這4種不同光質(zhì)條件下的生長(zhǎng)情況,發(fā)現(xiàn)在紅光培養(yǎng)下雨生紅球的藻生物量最高。毛瑞鑫等[18]探究了紅光和藍(lán)光不同配比對(duì)鈍頂螺旋藻生長(zhǎng)及光合放氧的影響,得出紅藍(lán)光的光強(qiáng)比為8∶2時(shí)更利于鈍頂螺旋藻生長(zhǎng);后續(xù)又探究了不同光質(zhì)對(duì)海冰微藻生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)白光與藍(lán)光、綠光組合,會(huì)使得相應(yīng)光譜變寬,藻類胡蘿卜素和葉綠素的比例增加[19]。由此可見,光質(zhì)對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響具有復(fù)雜性。在前期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)蛋白核小球藻對(duì)鎘的耐受性最好,本試驗(yàn)利用含全光譜的LED白光與單色紅、藍(lán)光組合成不同光質(zhì),在不同光質(zhì)下培養(yǎng)蛋白核小球藻膜,研究其生長(zhǎng)情況以及去除重金屬鎘的效果,為進(jìn)一步探索光質(zhì)在藻類治理重金屬?gòu)U水領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)作為試驗(yàn)藻種,購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院武漢水生生物所；以BG11培養(yǎng)基[20]為試驗(yàn)培養(yǎng)基；選擇彈性聚氯乙烯材料作為藻類附著載體；選取紅光LED燈(LED-R)、藍(lán)光 LED燈(LED-B)、白光LED燈(LED-W)作為人工光源。光質(zhì)組合、光強(qiáng)及功率見表1。

表1 光源光質(zhì)的組合

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 藻類生物膜的制備

將載體浸泡于體積分?jǐn)?shù)為10%的硫酸中24 h,取出洗凈烘干后,放置于容量為1 L的燒杯中,加入900 mL培養(yǎng)基,高溫滅菌后無(wú)菌加入90 mL的藻液,初始藻質(zhì)量濃度為0.027 g/L。在25 ℃條件下,分別采用表1中的光質(zhì)組合進(jìn)行持續(xù)光照,掛膜3 d后得到的蛋白核小球藻膜如圖1所示。

圖1 蛋白核小球藻膜

1.2.2 光質(zhì)對(duì)蛋白核小球藻膜生長(zhǎng)及鎘去除效果試驗(yàn)

稱取一定量的氯化鎘溶于純水中,配制成質(zhì)量濃度為1 g/L的鎘儲(chǔ)備液。取10 mL儲(chǔ)備液加入到含990 mL去離子水的試驗(yàn)燒杯中,配制成質(zhì)量濃度為10 mg/L的鎘試驗(yàn)廢水。在上述相同培養(yǎng)條件下進(jìn)行培養(yǎng),同時(shí)定期取樣,測(cè)定或計(jì)算藻膜生物量，蛋白質(zhì)、葉綠素a,類胡蘿卜素和鎘的質(zhì)量濃度以及鎘去除率。每種光質(zhì)試驗(yàn)組設(shè)7個(gè)燒杯,每天取其中一個(gè)燒杯中的藻膜進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。

1.3 指標(biāo)檢測(cè)方法

1)藻膜生物量[21]。將燒杯中的藻膜取出,用去離子水反復(fù)沖洗藻膜至另一個(gè)燒杯,定容至1 L后攪勻。取5 mL藻液放入離心機(jī)中以轉(zhuǎn)速4 500 r/min離心10 min。棄上清液,收集藻體于干燥皿中,置于105 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重,記錄藻體干重。根據(jù)干重法測(cè)定結(jié)果計(jì)算蛋白核小球藻的生物量,單位為g/L。

2)蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度[22]。取5 mL藻液,先超聲波破碎5 min,再離心10 min(轉(zhuǎn)速4 500 r/min)。取2 mL提取液于容量為10 mL的離心管中,以2 mL蒸餾水作為空白樣,然后分別加入考馬斯亮藍(lán)(G250)試劑5 mL,混合靜置2 min,以空白樣為參比,用UV-8000型紫外分光光度計(jì)在595 nm波長(zhǎng)下測(cè)定其吸光度,并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算蛋白質(zhì)含量,單位為mg/L。

3)葉綠素a質(zhì)量濃度[23]。取5 mL藻液,離心10 min(轉(zhuǎn)速4 500 r/min),棄上清液,用5 mL丙酮重懸。重懸液超聲波破碎5 min后再離心,取上清液,分別在666 nm和653 nm波長(zhǎng)下檢測(cè)其吸光度。最后按式(1)計(jì)算葉綠素a(Chl-a)的質(zhì)量濃度ρ(Chl-a),單位為mg/L。

ρ(Chl-a)=15.65a666-7.34a653。

(1)

式中:a666為上清液在666 nm波長(zhǎng)下的吸光度；a653為上清液在653 nm波長(zhǎng)下的吸光度。

4)類胡蘿卜素質(zhì)量濃度[24]。取10 mL藻液離心10 min(轉(zhuǎn)速4 500 r/min),棄上清液,加10 mL體積分?jǐn)?shù)為80%的丙酮,搖勻后提取色素。再次離心5 min(轉(zhuǎn)速4500 r/min),吸取上清液于50 mL容量瓶中。按上述方法反復(fù)提取,直至藻體白色。最后用蒸餾水定容至50 mL,在450 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度,并按式(2)計(jì)算類胡蘿卜素的質(zhì)量濃度ρ(β),單位為mg/L。

ρ(β)=(a450×稀釋倍數(shù)×10×103)/2 500。

(2)

式中a450為上清液在450 nm波長(zhǎng)下的吸光度。

5)鎘質(zhì)量濃度和鎘去除率。取10 mL含鎘試驗(yàn)廢水,離心10 min(轉(zhuǎn)速4500 r/min)后,抽取上清液,用針孔濾頭過濾,用AA-7000型原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定過濾后水樣中鎘的質(zhì)量濃度,并計(jì)算鎘去除率。

a=(ρ0,Cr-ρCr)/ρ0,Cr×100%。

(3)

式中:a為鎘去除率,%；ρ0,Cr為鎘的初始質(zhì)量濃度,mg/L；ρCr為處理后鎘的剩余質(zhì)量濃度,mg/L。

1.4 顯著性檢驗(yàn)

本文采用顯著性檢驗(yàn)方法,研究不同光質(zhì)條件對(duì)蛋白核小球藻膜的生物量，蛋白質(zhì)、色素等的質(zhì)量濃度及鎘去除效果的影響。

顯著性檢驗(yàn)是用于判斷兩種或多種不同處理?xiàng)l件的效應(yīng)之間是否有差異,以及這種差異是否顯著的方法。其中,若顯著性水平P>0.05,表示無(wú)明顯差異性；P<0.05,表示有顯著差異；P<0.01,表示有極顯著差異。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均使用SPSS 25.0軟件處理,使用Origin 9軟件繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 光質(zhì)對(duì)蛋白核小球藻膜生物量的影響

不同光質(zhì)下，蛋白核小球藻膜生物量隨時(shí)間的變化如圖2所示。由圖2可知,蛋白核小球藻膜在6種不同光質(zhì)下都能夠很好地生長(zhǎng)。在藍(lán)光、白藍(lán)光、白光、紅藍(lán)光、白紅光5種光質(zhì)下,藻細(xì)胞生長(zhǎng)延遲期不明顯,第1天其生物量便能快速增長(zhǎng),在第7天生物量分別達(dá)到0.61、0.58、0.58、0.58、0.51 g/L。藍(lán)光、白藍(lán)光、白光、紅藍(lán)光下的生物量無(wú)顯著差異(P>0.05),白紅光下的生物量與其他4種光質(zhì)下的生物量有顯著差異(P<0.05)。紅光下的生物量明顯比其他光質(zhì)下的生物量增長(zhǎng)得少,但仍緩慢增長(zhǎng),第7天的生物量為0.44 g/L,與其他光質(zhì)下的生物量有顯著差異(P<0.05)。綜上可知：藍(lán)光、白藍(lán)光、白光、紅藍(lán)光對(duì)蛋白核小球藻膜生物量的增長(zhǎng)無(wú)明顯影響；紅光下的生物量增長(zhǎng)最少。據(jù)報(bào)道,單純紅色光照射能夠引起細(xì)胞損傷,但低藍(lán)光下細(xì)胞可以修復(fù)[25]。因此,紅藍(lán)光下的生物量與藍(lán)光、白藍(lán)光和白光下的生物量無(wú)顯著性差異。

圖2 不同光質(zhì)對(duì)蛋白核小球藻膜生物量的影響

2.2 光質(zhì)對(duì)蛋白核小球藻膜蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度的影響

不同光質(zhì)對(duì)蛋白核小球藻膜蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度的影響如圖3所示。

圖3 不同光質(zhì)對(duì)蛋白核小球藻膜蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度的影響

由圖3可知：所有光質(zhì)下蛋白核小球藻膜的蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度都呈增長(zhǎng)趨勢(shì),藍(lán)光下藻膜蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度增長(zhǎng)量最多,紅藍(lán)光下藻膜蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度增長(zhǎng)量最少；紅光下蛋白質(zhì)在第1天便快速合成,第5天其增長(zhǎng)量開始低于藍(lán)光。試驗(yàn)第7天,各光質(zhì)下蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度由大到小依次為:藍(lán)光,0.22 mg/L;白藍(lán)光,0.21 mg/L;紅光,0.18 mg/L;白光,0.17 mg/L;白紅光,0.14 mg/L;紅藍(lán)光,0.11 mg/L。藍(lán)光與白藍(lán)光下蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度無(wú)顯著差異(P>0.05),藍(lán)光與其他光質(zhì)下蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度有顯著差異(P<0.05)。毛瑞鑫等[18]探究了不同紅藍(lán)光比例對(duì)螺旋藻生長(zhǎng)的影響,認(rèn)為藍(lán)光在復(fù)合光質(zhì)中所占的比例與蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度成正相關(guān)。這可能是藍(lán)光影響了碳酸酐酶合成的緣故,氨基酸是由C、H、O、N等元素組成,是蛋白質(zhì)的基本組成單位,而碳酸酐酶能影響藻類對(duì)培養(yǎng)液中營(yíng)養(yǎng)成分(如N、P、K等)的吸收和利用,進(jìn)而影響藻類物質(zhì)的合成過程[26]。

2.3 光質(zhì)對(duì)蛋白核小球藻膜光合色素質(zhì)量濃度的影響

葉綠素a和類胡蘿卜素是藻類的主要光合色素,其含量直接影響藻類的光合效率。圖4(a)、圖4(b)分別表示不同光質(zhì)對(duì)蛋白核小球藻膜葉綠素a和類胡蘿卜素質(zhì)量濃度的影響。

圖4 不同光質(zhì)對(duì)蛋白核小球藻膜光合色素的影響

由圖4(a)可知,在不同光質(zhì)下,蛋白核小球藻膜葉綠素a的質(zhì)量濃度幾乎均呈增長(zhǎng)趨勢(shì),紅光下葉綠素a的質(zhì)量濃度增長(zhǎng)到第5天后轉(zhuǎn)為下降趨勢(shì)。試驗(yàn)第7天,各光質(zhì)下葉綠素a的質(zhì)量濃度由大到小依次為:藍(lán)光,1.74 mg/L;紅藍(lán)光,1.68 mg/L;白光,1.62 mg/L;白藍(lán)光,1.53 mg/L;白紅光,1.09 mg/L;紅光,1.06 mg/L。

由圖4(b)可知,類胡蘿卜素的質(zhì)量濃度的增長(zhǎng)趨勢(shì)與葉綠素a的相近,試驗(yàn)第7天,類胡蘿卜素的質(zhì)量濃度由大到小依次為:藍(lán)光,0.26 mg/L;紅藍(lán)光,0.25 mg/L;白光,0.21 mg/L;白藍(lán)光,0.19 mg/L;白紅光,0.18 mg/L;紅光,0.14 mg/L。

蛋白核小球藻膜在整個(gè)生長(zhǎng)過程中,其葉綠素a和類胡蘿卜素在藍(lán)光下的質(zhì)量濃度最高,與其他試驗(yàn)組呈顯著性差異(P<0.05)；在紅光下的質(zhì)量濃度最低,與其他試驗(yàn)組也呈顯著性差異(P<0.05)。由此可知,藍(lán)光最容易促進(jìn)藻膜葉綠素a和類胡蘿卜素的合成。在白紅光、紅光下蛋白核小球藻膜的葉綠素a和類胡蘿卜素的質(zhì)量濃度最低,葉綠素a和類胡蘿卜素的合成與藻類細(xì)胞內(nèi)的光感受器有關(guān)。光感受器是藻細(xì)胞中的一種蛋白質(zhì),用來(lái)接收光信號(hào)。因此，藻類中的光感受器的種類不同,對(duì)每種光的接收程度也不同：接收藍(lán)光和紫外光信號(hào)的光感受器是隱花色素；接收紅光和紅外光信號(hào)的光感受器是光敏色素[27]。

2.4 光質(zhì)對(duì)蛋白核小球藻鎘去除效果的影響

藻類對(duì)重金屬具有吸附和吸收作用,故能去除污水中的重金屬[28]。試驗(yàn)168 h內(nèi)鎘的質(zhì)量濃度的變化情況和試驗(yàn)前12 h內(nèi)鎘的質(zhì)量濃度的變化情況如圖5所示。

圖5 剩余鎘質(zhì)量濃度的變化及去除率

由圖5可知,蛋白核小球藻膜除鎘的過程分為兩個(gè)階段:第一個(gè)階段為吸附階段,藻膜官能團(tuán)與鎘結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)鎘的快速吸附,1 h后所有試驗(yàn)組鎘的質(zhì)量濃度都低于6 mg/L；根據(jù)公式(3)可以計(jì)算出試驗(yàn)1 h內(nèi)不同光質(zhì)下藻膜的鎘去除率分別為:白紅光,51.59%;紅藍(lán)光,49.43%;白光,46.88%;紅光,44.91%;白藍(lán)光,44.16%;藍(lán)光,43.62%。第二階段為胞內(nèi)吸收階段,藻膜通過主動(dòng)運(yùn)輸,開始緩慢吸收鎘進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。藻膜的吸附、吸收行為使鎘不斷向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移[29-30]。

試驗(yàn)7 d后鎘去除率如圖6所示。由圖6可看出,紅光下藻膜去除重金屬鎘的效果最好。試驗(yàn)168 h內(nèi)不同光質(zhì)下藻膜的鎘去除率分別為:紅光,82.62%;白光,76.76%;紅藍(lán)光,76.24%;白紅光,70.02%;藍(lán)光,62.42%;白藍(lán)光,60.11%。

圖6 第7天時(shí)鎘的去除率

結(jié)合圖2分析可知,紅光下藻膜生物量低,但除鎘效果最好。這可能是由于蛋白核小球藻膜對(duì)紅光的利用能力較低,使得藻細(xì)胞體發(fā)育偏小或不完全[31],從而細(xì)胞保護(hù)機(jī)制受損,更容易吸收重金屬鎘；但是藻細(xì)胞吸收重金屬鎘后,會(huì)加速部分藻細(xì)胞死亡,導(dǎo)致藻膜的生長(zhǎng)受到紅光及重金屬鎘的雙重影響,使得紅光下蛋白核小球藻膜生物量低,但重金屬鎘的去除效果最好。

3 結(jié)論

研究了不同光質(zhì)下蛋白核小球藻膜的生長(zhǎng)情況以及除鎘效果,得到以下結(jié)論:

1)光質(zhì)對(duì)蛋白核小球藻膜的生長(zhǎng)具有顯著影響。藍(lán)光為蛋白核小球藻膜生長(zhǎng)的最適宜光質(zhì),在藍(lán)光條件下,蛋白核小球藻膜生物量達(dá)到0.61 g/L、蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為0.22 mg/L、葉綠素a質(zhì)量濃度為1.74 mg/L,類胡蘿卜素質(zhì)量濃度為0.26 mg/L。

2)蛋白核小球藻膜對(duì)廢水中鎘的去除過程有吸附、吸收兩個(gè)階段,1 h內(nèi)可以快速吸附鎘,不同光質(zhì)下去除率分別為:白紅光,51.59%;紅藍(lán)光,49.43%;白光,46.88%;紅光,44.91%;白藍(lán)光,44.16%;藍(lán)光,43.62%。

3)蛋白核小球藻膜在不同光質(zhì)下對(duì)鎘均具有較好的去除效果,紅光下蛋白核小球藻膜去除重金屬鎘的效果最好,去除率達(dá)82.62%。