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论文:藻类对重金属的生物修复研究进展

发表时间:2023/08/08 09:40:38  来源:水产养殖2021年7期  浏览次数:1747  
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        藻类对重金属的生物修复研究进展

秦昌旭,徐丽梅

(山东农业大学,山东 泰安 271018)

重金属元素可与其他元素相结合形成化合物,而含有重金属的污染物很难被水中的分解者自然降解,只能通过长期的自然沉积作用降解。工业排放是重金属污染的重要来源,其产生的大量重金属污染物,对水环境造成污染。通过监测发现,渤海锦州湾底泥中汞、镉、铅、锌等超标150倍以上[1],已经严重污染了当地水环境,导致水产品重金属严重超标。水环境中重金属污染会影响植物的生长发育,重金属会在植物体内积累,进入人体,最终对人类造成伤害[2]。辛琦[3]研究表明,纳米银使暴露的斑马鱼胚胎表现出孵化率降低、体节消失等症状,可通过影响基因的表达影响生物体。

水生生态系统由多种生物组成,是一个复杂的系统,不仅鱼类会受到影响,随着生物积累,重金属也可以通过食物链传播,进而对人类等产生影响。Gliga等[4]发现肺组织细胞脱氧核糖核酸(DNA)经纳米银作用24 h后受到了严重的损毁,没有检测到活性氧的产生。段昌群等[5]发现,镉(Cd)可进入细胞核与核酸结合,促进细胞核内DNA物质的结合,导致染色体畸变和分裂,最终诱导细胞死亡。

当前对重金属的修复包括物理修复、化学修复和生物修复。物理修复工程量大、投资量高;化学修复可能对环境造成影响;而藻类生物修复具有投入低、利用率高、环境友好等特点,能有效降低重金属的毒害,对重金属修复以及控制重金属污染方面发挥着非常重要的作用,具有广阔的发展前景。

1 藻类对重金属的生态修复及影响因素

1.1 藻类对重金属的吸附

不同藻类对重金属的吸附能力见表1。由表1可见,不同藻类对金属的吸附作用不尽相同。对Cd的吸附中,马尾藻与死马尾藻比较出色,酸处理马尾藻对镍(Ni)的吸附效果很好;石莼在对铜(Cu)的吸收上,比化学处理江蓠好一些。对藻类的预处理的确可以增加其吸附作用,如化学处理江蓠对Cu、Cd吸收也较好;固定化的小球藻,酸处理的马尾藻都比不做处理时吸附Ni效果好很多。

1.2 藻类特性对重金属吸附的影响

(1)比表面积的影响。研究证明[14],不同藻类粒径对重金属的吸附作用不同。如孔石莼大粒径的吸附作用只有小粒径的69.7%,藻类粒径越小,比表面积就越大,单位面积暴露的官能团就越多,结合也更加容易。

(2)活藻与非活性藻。关于活藻与非活性藻的吸附效果一直没有定论,大量研究证明非活性藻的吸附效率要高于活性藻,这是因为活藻的代谢需要依靠能量、营养物质,吸附较缓慢,并且水中有毒物质对活藻影响更大,会出现延缓生长等问题,而利用死亡藻体能够有效解决这些问题。此外,藻细胞死亡后细胞壁无法维持原来结构,因而破裂将部分基团展露了出来,加上死藻的细胞膜失去了控制物质进出的能力,结合就更加方便。如在活体与非活体吸附Cu(II)对比试验中发现,二者总吸附量相同的情况下,非活体藻类对Cu(II)的吸附速率要大于活体细胞[15]。但是也有研究证明,活藻的吸附效果要好于非活性藻。林荣根等[16]通过对海黍子(Sargassumkjellmanianum)单独吸附金属Cu与Cd的研究得出,活藻的吸附效果比同等干重的非活藻要好。这是因为除了基本的吸附功能,活体藻还能通过产生胞外聚合物等方式来对重金属进行富集。

1.3 环境因素的影响

(1)pH值。一般吸附率不会随着pH值单纯地上升或降低。如溶液显酸性时,pH值升高会先导致吸附率升高,但到达一定程度后则会保持稳定或者下降。

江用彬[17]发现pH值为6.0时,衣藻与固定化衣藻对重金属的吸附都是最高效的。李靖[18]发现pH值为2时,海带对Cu2+、铬离子(Cr2+)的吸附率分别为24%和13%,但当pH值上升到3时,则吸附率均能达到80%以上。Matheickal等[19]发现随着pH值由1.0升至5.5时,褐藻吸附铅的效率也有明显提升,表明pH值对藻类重金属吸附能力有着较大的影响。陈喜[20]研究得出pH值会减弱银纳米颗粒(AgNPs)的溶解,并削弱莱茵衣藻对银(Ag)的胞外吸附和胞内吸收作用,从而减弱AgNPs对莱茵衣藻的毒性。文献[21]认为颗粒表面的Zeta电位决定了颗粒的团聚或分散行为。而pH值改变会引起Zeta电位的变化,进而改变藻体与金属形成结合物的稳定性。

(2)温度。随着温度变化,不同藻类吸附重金属的能力受到影响。当温度升高时,藻类对离子吸附率有时呈现先小范围上升,后下降的趋势;有时则会在固定的温度下保持平衡。一般来说,高温能促使表面能与溶质的动能增加,藻体内相关酶的活性增加,与金属离子更好地结合或反应[22]。

室温条件对生物吸附造成的影响不会很大。范彩彩[23]发现,尾藻对铅离子(Pb2+)的吸附率与环境温度有一定的关系,10℃时,吸附率维持在38%;而30℃时则达到了最大值63%;当温度继续增长时,则吸附率逐渐下降,温度为45℃时,吸附率降至51%,表明该吸附率总体表现为先上升后下降。

(3)吸附时间。藻类对重金属离子吸附时,首先发生物理吸附,之后产生藻细胞代谢,物理吸附的速度更快;代谢过程受能量和阻断代谢过程的物质的影响,速度较慢。Klimmek等[24]研究发现,鞘颤藻在初期对Pb2+和Cd2+的吸附速度很快,只用不到5 min就完成90%的吸附量。吴海锁等[25]研究发现,小球藻对Cu2+的吸附前期效率非常高,在4 h时就已经完成了48 h后的81%的吸附量。刘金华等[26]用褐藻吸附Cu2+,前期速率很快,8 min后已基本吸附完成,达到平衡时的99.7%。

(4)阴阳离子。溶液中存在共存离子,这些离子会使藻细胞吸附效果下降,阴阳离子的研究对藻细胞吸附十分重要。陈喜[20]研究得出,磷酸氢根离子(HPO42-)会减弱AgNPs的溶解,削弱莱茵衣藻对Ag的胞外吸附和胞内吸收作用,从而减弱AgNPs对莱茵衣藻的毒性。Kratochvil等[27]发现溶液中Fe2+的增加会导致马尾藻对Cu2+吸附量的减少,这说明溶液中阴阳离子会互相影响,这种影响与阴离子与金属合成物稳定性有关,合成物越稳定,则吸附剂想要成功吸附所克服的能量就越多。

(5)其他金属离子。一般情况下,当金属离子浓度不断升高时,吸附率存在先升后降的总体趋势。在金属离子初始浓度较低时,能够与藻类充分接触,结合效率更高。李靖[18]发现,当溶液中Cu2+、Cd2+和Pb2+值升高到200 mg/L时,海带、马尾藻和螺旋藻对Cu2+的吸附率先急速上升,再缓慢下降;对Cd2+的吸附先急剧上升,后缓慢上升,在150 mg/L时Cd2+达到峰值;对Pb2+的吸附率一直在增长,在200 mg/L时达到顶峰,吸附情况各不相同。Aksu等[28]认为,当金属离子较少时,生物体能突破阻碍而与金属离子相结合,而一旦浓度变高,金属离子之间有竞争作用,反而会降低吸附率。陶梅平[29]研究表明,随着金属浓度增加,藻类对锌离子(Zn2+)、Cu2+、Cr(VI)去除率的变化趋势互不相同。以上研究表明不同金属离子之间可能是促进作用,也可能是相互抑制。

1.4 预处理因素

(1)物理加工。采用干燥和粉碎来进行物理加工,干燥能有效地提高处理的效果与程度,粉碎则能够增大比表面积。Guptavk等[30]用蒸馏水洗净水绵藻,经过烘干、碾碎、过筛的步骤筛选出符合粒径要求的藻渣,并在溶液中测试其吸附效果,发现其对Cr(VI)的吸收效果最好。

(2)化学处理。由于海藻藻体十分柔软,而且容易产生氧化变质等,吸附的有效期不够长,在实际操作中十分不便。化学改性可以把藻类原本携带的一些金属离子去除,从而为其他金属与藻类结合提供机会,为吸附提供位点,同时还保持藻类原有的一些优质特性。但改性仍有可能对藻类的结构造成一定破坏,比如会使具有吸附作用的基团被封闭,隔断了与金属相结合的机会,使许多藻类的吸附能力下降等。Huzl等[31]改性处理棚藻后,用其处理含Ni+的废水,5 min的Ni+去除率达70%。Yang等[32]把马尾藻预处理后,处理含铀钛离子(UO+)的废水,藻类对铀钛离子的去除率在15 min内达到70%~80%。刘红涛等[33]发现,经化学诱变的铜绿微囊藻对Cu2+的去除率由34.29%上升到80.77%。表明化学处理具有良好的效益,不管在利用率,还是在处理效率等方面,都有着非常重要的作用。

(3)藻类的固定化。藻类的固定化对其各方面性能提升有很大帮助,能够增强吸附效率,帮助多次回收利用。固定化后,藻细胞将对重金属毒性具有更好的抵抗能力,尤其是在处理含重金属的污水时,吸附效率会得到有效提升。Wilkinson等[34]用固定化的小球藻去除污水中汞离子(Hg2+),固定化的小球藻能富集70%的Hg2+,富集效率提高了1.75倍。Garnham等[35]用固定化小球藻富集钴离子(Co2+)、Zn2+和锰离子(Mn2+)等金属离子。Mahan等[36]利用固定化藻类吸附废水中的重金属,吸附效果都十分好。

2 藻类植物吸附重金属的内在机制

2.1 结构基础

海藻细胞壁主要由多糖、蛋白质、磷酸形成的细胞复合物组成。这些细胞复合物提供充足的基团,为其与金属离子结合提供充足的位点[37],在藻类金属离子的吸收中起着重要作用。表面上的细胞皱褶增加了表面积,为官能团提供了更多的位置,并帮助进行更加合理的排布。

这些官能团能通过得失电子或形成配位键等形式与金属结合,对不同的金属效果也不尽相同。Tadlv等[38]发现,细胞藻酸盐的含量对马尾藻(Sargassum sp.)的吸附起主要作用。李建宏等[39]发现,如果将藻体换成等质量的细胞外壁多糖,则其对Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+4种金属离子的吸附量变为8倍,说明多糖在吸附这些离子时发挥主要作用。有研究表明[40],多糖提供的羧基占据藻细胞表面70%左右的位点,对藻类修复具有重要的作用。

藻类能够分泌胞外聚合物(EPS),并通过EPS与重金属络合的方式来降低重金属毒性。研究发现[41],丝藻受重金属Cd刺激后会分泌胞外聚合物,水中Cd的去除效率与胞外聚合物的含量具有一定的线性关系。郑昊[42]通过对莱茵衣藻的红外光谱分析,也发现其具有能与重金属结合的基团(羧基、氨基以及巯基等),说明产生的胞外聚合物能够保护藻类。Zhou等[43]分析了Rhodopseudomonas acidophila的EPS组成,发现其羧酸基团(C==O)、脂肪酸以及氨基酸等与重金属发生络合作用。李崇华等[44]研究表明,莱茵衣藻的EPS中除含有少量核酸外,大多为多糖与蛋白质,并且EPS中的一些功能基团也可与重金属结合。刘静等[45]发现EPS中NPS、C==O等基团参与铝离子(Al3+)的配位作用。

2.2 藻类生物修复机理

(1)离子交换。溶液中的金属离子能够置换出藻细胞中的质子,或者通过静电引力与配位作用,将表面的金属离子部分吸收到细胞表面,即离子交换作用。Chojnacka等[46]对螺旋藻研究发现,化学修饰后它的离子交换能力下降了62%,吸附能力下降了61%,得出螺旋藻离子交换主要依靠羧基和磺酸根的结论。Raize等[47]研究发现,褐海藻吸附Ni2+的过程中,细胞壁中钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)浓度大量降低,表明Ni2+交换了细胞壁的Ca2+、Mg2+。江用彬[17]发现在莱茵衣藻吸附的过程中物理吸附量不超过吸附总量的5.5%。

(2)络合作用。藻细胞分子或者离子与金属离子形成稳定络合物的过程叫络合反应。具体由阳离子和细胞中的多糖、脂类与蛋白质中带负电的官能团络合而形成,藻类细胞壁具有较大的表面积,以供这些官能团合理排列,与金属离子起络合或螯合反应。赵玲[48]研究海洋原甲藻得出,该藻死体和活体对Cu2+、Pb2+、Ni2+、Zn2+、Ag+、Cd2+的吸附能力相似,在30 min内就能达到平衡。多糖与金属离子的结合作用主要依赖多糖的-OH和-CONH2,这说明该过程不受能量与生物活性影响。Sheng等[49]研究发现,重金属离子与羧基的结合表现出螯合特征,证明其发生了络合作用。Yun等[50]发现,在马尾藻中羧基和磷酸基团对Cd2+的吸附起主要作用。进一步分析发现金属离子极有可能与羧基上的氧原子络合[51]。文献[52]通过实验证明藻类与金属生成络合物,并且吸附中起主要作用的是羰基。

(3)氧化还原与微沉淀。藻类吸附金属时可能产生化合价的改变,进而发生氧化还原反应。文献[53-54]通过对小球藻(Chlorella vulgaris)的研究,发现金离子(Au3+)产生Au2+的还原反应。通过对流动马尾藻(Sargassum fluitans)吸附铁离子(Fe3+)和对Fe2+的研究[55]发现,吸附过程中部分Fe2+发生氧化反应变成Fe3+。当用马尾藻吸附Cr4+时[56],在细胞表面发现被还原成Cr3+。当易水解的金属离子被藻类吸附时,能够在细胞壁或细胞内产生沉淀物,该过程被称为微沉淀。如Raize等[47]对XPS分析发现细胞表面发生铅(Pb)的微沉淀。

2.3 生物富集作用

长时间处在重金属环境下,藻类会发生新陈代谢。而新陈代谢过程会受到能量驱动的影响,一些阻止代谢的物质也会对其产生影响。这是一个比较缓慢的过程,金属离子会被细胞主动运输,或是通过过滤进入细胞膜内部。

由于长期受到重金属环境影响,藻类细胞有能力合成金属结合蛋白,进而起到减毒作用,有效防止重金属污染。藻类产生的这种聚合物,可用蛋白结合的形式去除离子,使植物免受重金属污染。

藻类对重金属有非常系统的调节作用。Pawlik等[57]发现,杆裂丝藻在吸收Pb时能产生多肽,这种多肽在无Pb培养基中的含量只有原来的10%。同时Pawlik等[58]首次证明了谷胱甘肽(GSH)有能力与砷(As)进行配位作用。Morelli等[59]发现,环境中如果Zn2+存在,将导致三角褐藻(Phaeodactylum tricornutum)无法产生诸如PC的胞内聚合物。Tsuji等[60]认为,GHS是由Zn2+诱导的酶促反应产生的,而PC的合成受到GSH的诱导作用。

3 建议

第一,将研究侧重于微观结构与机理分析。如利用当前技术(如电镜)在现有基础上进一步研究分析,深入探究藻类对重金属生物修复的主要机制。

第二,侧重于提出更合理的吸附性模型。当前的研究常用的生物修复模型Langmuir和Freundlich等温吸附模型存在一定的局限性,想要研究出更加合理有效的生物修复模型,还需要不断努力。

第三,通过人工措施改善藻类的吸附性能。如通过解吸附、人工诱导等措施,提高藻类的吸附效率,增强吸附能力。

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