小球藻吸附鎘的表征及機理

陳星星，周朝生，陸榮茂，張鵬*

(1.浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所，浙江 溫州 325005；2.浙江省近岸水域生物資源開發(fā)與保護重點實驗室，浙江 溫州 325005)

近些年，工業(yè)“三廢”的排放及酸雨的影響，造成海水養(yǎng)殖環(huán)境中的重金屬污染，尤其是對近海海水養(yǎng)殖業(yè)帶來了嚴重危害，導致水產(chǎn)品重金屬污染問題日益突出，養(yǎng)殖產(chǎn)品重金屬超標屢有發(fā)生。人類食用重金屬污染的水產(chǎn)品，會造成重金屬在人體器官內富集，從而危害人體健康；受重金屬污染的環(huán)境會對養(yǎng)殖的生物造成影響，引發(fā)生物變異或死亡，阻礙水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們越來越關注舌尖上的安全[1-5]。

泥蚶(TegillarcagransaLinnaeus)屬廣溫、廣鹽性貝類，口味鮮美，營養(yǎng)豐富，經(jīng)濟價值高，已成為東部沿海地區(qū)的重要海水養(yǎng)殖品種，是沿海地區(qū)的主要產(chǎn)業(yè)之一[6-7]。隨著工業(yè)化的發(fā)展，重金屬污染海水養(yǎng)殖環(huán)境，水生生物通過食物鏈富集環(huán)境中的重金屬。根據(jù)食品安全國家標準《食品中污染物限量》(GB 2762—2012)，海水雙殼類的重金屬鎘安全標準是≤1.0 mg·kg-1[8]。

當前消除貝類體內蓄積重金屬的方法并不多，通過將貝類投入到未受污染的海水暫養(yǎng)，可以降低其重金屬含量，但效率較低；通過向養(yǎng)殖的貝類環(huán)境投放化學添加劑，可以降低其重金屬含量，但這樣經(jīng)濟成本上升，推廣難度增大[9-13]。微藻是大部分貝類的食源，同時研究[14-16]表明，微藻對重金屬有顯著的富集能力，微藻在貝類去除重金屬的應用中具有重要意義，但其具體機理的相關報道較為少見。

1 材料與方法

1.1 供試材料

傅里葉變換紅外光譜儀FTIR(Spotlight 200i)，場發(fā)射掃描電子顯微鏡FE-SEM(SIGMA500)，X射線能譜分析儀(51-XMX1121)，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(安捷倫5100ICP-MS)，移液槍(Eppendorf)，電熱恒溫鼓風干燥箱(上海森信實驗儀器DGG-9070A)，電子天平(賽多利斯科學儀器CPA225D)，微波消解/萃取儀(意大利Milestone ETHOS-1)。

鎘標準溶液(中國計量科學研究院，100 mg·L-1)；氯化鎘(阿拉丁，分析純)；雙氧水(國藥，優(yōu)級純)；硝酸(國藥，優(yōu)級純)。

1.2 處理設計

小球藻鎘暴露與富集：取暫養(yǎng)后的小球藻放入含5 L新鮮海水的塑料箱中，用1.0 g·L-1的鎘母液調節(jié)海水使其中Cd2+濃度為100 μg·L-1。使得小球藻暴露富集5 d，并且每隔24 h更換新鮮海水并重新染毒一次，每天人工振蕩3次，設不含鎘的小球藻(對照)和配置了含鎘的小球藻兩個處理組，每個處理設3個平行。

1.3 指標測定

小球藻的電鏡掃描—能譜：將正常培養(yǎng)5 d(120 h)的小球藻(對照組)和吸附100 μg·L-1Cd2+的小球藻(實驗組)離心后，于101 ℃下干燥24 h。制成待測樣品，進行電鏡掃描分析。

小球藻鎘含量測定：稱取干燥后的小球藻樣品，按照微波消解儀設定的生物樣消解程序進行消解，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(安捷倫5100ICP-MS)測定小球藻的含量。

2 結果與分析

2.1 小球藻的電鏡掃描

分別對吸附Cd2+前后的小球藻進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)C、N、P和O是小球藻的主要組成元素，Na、Mg和Ca是小球藻中主要的金屬元素，而Cd在吸附前后的小球藻中均未檢測出來(圖1)。圖2表明，吸附Cd2+后的能譜圖中出現(xiàn)了K峰，Ca2+、Mg2+含量在小球藻表面也有大幅上升，由此可知，在小球藻對Cd2+的生物吸附過程中，發(fā)生了陽離子交換吸附，Cd2+被吸附到小球藻上，而Ca2+、Mg2+被釋放到溶液中，附著在小球藻的表面，而Cd2+被吸附到了小球藻的細胞內部。

圖1 小球藻活藻吸附重金屬前SEM-EDX分析

圖2 小球藻活藻吸附重金屬后SEM-EDX分析

小球藻的SEM照片顯示，吸附前藻細胞的細胞壁平滑，小球藻細胞在吸附Cd2+之后，不再保持光滑，說明金屬離子吸附后，導致小球藻細胞的死亡，細胞壁不再保持平滑。

2.2 傅里葉變換紅外光譜分析

圖3 吸附Cd2+前的傅立葉變換紅外光譜

小球藻吸收Cd2+后，傅里葉紅外圖譜發(fā)生明顯變化(圖4)。吸收了Cd2+離子后，3 276 cm-1的峰強度減弱，表明部分羥基或氨基參與吸附，使官能團氫鍵部分形成斷裂，引起最大峰值伸縮振動位移，說明在小球藻吸附Cd2+的過程中羥基、氨基參與了該吸附的過程。酰胺Ⅱ帶的1 535 cm-1處，官能團N—H彎曲振動和C—N伸縮振動，1 044 cm-1有減少17 cm-1的變化，說明吸附的Cd2+離子干擾了藻細胞表面官能團的微環(huán)境，可能暗示了相關基團，如C—N、N—H等基團也參與了小球藻對重金屬Cd2+的吸附過程。

圖4 吸附Cd2+后的傅立葉變換紅外光譜

2.3 元素組成分析

運用ICP-OES方法對吸附Cd2+前后的小球藻，主要元素組成進行了分析，測試結果如表1所示。結果表明，小球藻中含有大量Na、P元素和較多的K、Ca、Mg、Mn和Fe元素。比較吸附前后小球藻中主要元素濃度的變化，發(fā)現(xiàn)吸附后Cd2+增加，K+、Na+含量也有所增加，而Ca2+、Mg2+、Mn2+和Fe2+減少，由此可知，在吸附過程中發(fā)生了陽離子交換，并且陽離子的交換可能和離子的價態(tài)有關。

表1 吸附Cd2+前后小球藻中各元素的含量

3 小結

小球藻的SEM照片顯示，吸附前藻細胞的細胞壁平滑，吸附后細胞不再保持光滑。小球藻吸附Cd2+后，傅里葉紅外圖譜變化表明，吸附了Cd2+離子后，3 276 cm-1的吸收強度減弱，可能是部分羥基或氨基參與吸附，使官能團氫鍵部分形成斷裂，最大峰值伸縮振動，從而發(fā)生位移。說明小球藻吸附Cd2+的過程中羥基、氨基參與了該過程。酰胺Ⅱ帶的1 535 cm-1處，N—H彎曲振動和C—N伸縮振動，1 044 cm-1有減少17 cm-1的變化，說明吸附的Cd2+離子干擾了藻細胞表面官能團的微環(huán)境，可能暗示了相關基團，如C—N、N—H等基團也參與了小球藻對重金屬Cd2+的吸附過程。通過ICP-OES測定發(fā)現(xiàn)，小球藻中含有大量Na、P元素和較多的K、Ca、Mg、Mn和Fe元素。比較吸附前后小球藻中主要元素濃度的變化，發(fā)現(xiàn)吸附后Cd2+增加，K+、Na+含量也有所增加，而Ca2+、Mg2+、Mn2+和Fe2+減少。由此可知，在吸附過程中，小球藻表面發(fā)生了陽離子交換，并且交換可能和離子的價態(tài)有關。