江蓠对水体重金属铅镍的蓄积及生物修复研究

张 皓

(常州市环境监测中心站,江苏 常州 213001)

江蓠对水体重金属铅镍的蓄积及生物修复研究

张 皓

(常州市环境监测中心站,江苏 常州 213001)

以活体细基江篱繁枝变型 (Gracilariatunuistipitata var)作为研究材料,以 Pb、Ni重金属离子为污染因子,通过室内静态模拟实验,综合利用等离子发射光谱仪,超速离心机,差速离心机等实验手段研究在单一离子污染胁迫下,江蓠对 Pb、Ni重金属离子的短期去除效果,各重金属离子在其体内蓄积效应,江蓠质外体、共质体以及江蓠各功能细胞器中重金属离子的分布情况。初步评价江蓠对重金属的净化效果,以及对单一重金属离子 Pb、Ni的体内蓄积效应,为进一步探讨江蓠吸附重金属的生理生化机制及其在重金属污染环境修复中的实际应用奠定基础。

细基江篱繁枝变型;Pb;Ni;生物修复

随着社会经济的发展,铅镍等重金属的排放十分普遍,导致环境中的重金属含量大大超标,给人们的生活和健康带来极大危害,环境中重金属污染的修复研究已成为当前比较活跃的领域之一[1]。由于重金属的自然净化过程十分漫长,人们相继提出了化学修复、物理和工程等人工净化修复手段,但效果不尽如人意[2]。生物修复作为一门新兴技术,由于具有明显的生态效益、经济效益和景观功能,商品化的植物修复系统已被应用于污染水体、土壤和沉积物的治理,在近海污染修复方面也显现了广阔的应用前景[3]。

近年来,藻类被认为是理想的生物吸附材料而受到人们的广泛关注。利用藻类修复重金属污染水体具有投资小、针对性强、吸附量大、污染小、效率高等特点,而且可以选择性去除低浓度重金属,尤其是一般方法不易去除的重金属,具有显著而独特的环境生态效益。以活体细基江篱繁枝变型 (Gracilariatunuistipitata var)作为研究材料,从不同角度比较研究其在单一重金属离子Pb、Ni污染胁迫下,江蓠对 Pb、Ni重金属离子的短期去除效果、各重金属离子在其体内蓄积效应、江蓠质外体、共质体以及江蓠各功能细胞器中重金属离子的分布情况。初步评价江蓠对重金属的净化效果,以及对单一重金属离子 Pb、Ni的体内蓄积效应,从而为进一步探讨江蓠吸附重金属的生理生化机制及其在重金属污染环境中的实际应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

将购买的新鲜细基江篱繁枝变型 (Gracilariatenuistipitata var)移入装有海水的培养箱 (50 cm×30 cm×40 cm)中,培养期间保持海水的质量密度在 1.015～1.020 kg/L之间,添加必要的营养盐和维生素,用适量碳酸氢钠盐或稀盐酸调节 pH值在7.8～8.5之间,采用恒温加热棒调节江蓠的培养水温将至 20～25℃,光照 4 000 lx(L∶D=12∶12)。每天早晚轻微搅动江蓠和海水,使江蓠接受均匀的光照,正常生长。挑选粗壮,分枝繁茂整齐,颜色较浓,且藻体完整,无损伤腐烂现象的江蓠进行实验研究。

1.2 处理试验

本实验研究江蓠对单一 Pb、Ni重金属离子的短期去除效果,各重金属离子在其体内蓄积效应,江蓠质外体、共质体以及江蓠各功能细胞器中重金属离子的分布情况。

将单一 Pb、Ni重金属离子均设为 5个处理组和 1个空白对照组,每组设 3个重复,质量浓度梯度为 0,0.05,0.5,2.5,5,10 mg/L。Pb和 Ni分别以 PbCl2和 NiCl2·6H2O形式添加。实验各组均精确称取鲜活江蓠 3.0±0.05 g,放入含有藻类培养液的 500 mL海水和相应浓度梯度 Pb、Ni离子的三角瓶内,同一光照培养箱中恒温培养,培养条件为:光照 4 000 lx(L∶D=12∶12),温度 25℃,盐度 25左右,pH 7.5±0.2,每 2天加入 2/f营养盐,早晚各摇荡 1次。每天监测并调节 pH值至适宜范围。

1.3 江蓠形态学观察

从处理当天开始,每天观察江蓠在不同浓度的重金属离子处理下外表形态的变化。

1.4 江蓠鲜重测定

在各处理第 1 d和第 7 d,用吸水纸吸干江蓠体表水分,称其质量,记录。

1.5 江蓠细胞膜透性测定

参照李振国的方法,取同一部位的藻体,用去离子水冲洗干净,称取 0.1 g藻体装入三角瓶中,加去离子水 20mL浸没样品,真空泵反复抽气 3～4次,使藻体完全浸入水中,在 25℃温度条件下震荡保温 2～3 h,测定电导率 EC1,然后在沸水浴中煮沸 15 min,冷却后测定电导率 EC2,电解质的相对外渗率 (%)=(EC1/EC2)×100[4]。

1.6 江蓠对水体中 Pb和 Ni重金属离子去除效率测定

培养后的第 1,3,5,7 d,取各组水样5mL,密封保存,用等离子发射光谱仪 (Vista MPX)测定水体中各重金属离子的含量。

江蓠对水体中各重金属去除率 (%)=(重金属离子的起始浓度 -培养后重金属离子的浓度)/重金属离子起始浓度 ×100。

1.7 江蓠对水体中 Pb和 Ni重金属离子吸附效应测定

按 1.6方法取样并测定后,计算江蓠对水体中不同重金属离子吸附效应。

江蓠对各重金属离子的吸附量 (mg/g)=(重金属离子的起始浓度 -培养后重金属的浓度)×500 mL/江蓠质量 (g),质量以湿重表示。

1.8 Pb和 Ni重金属离子在江蓠体内的积累量测定

取新鲜的藻体样品 1 g,先用自来水和蒸馏水分别冲洗,然后用 5 mmol的 EDTA浸泡清洗,最后用去离子水洗净,研磨粉碎,样品采用 HNO3-HC lO4湿法消化后,用等离子发射光谱仪 (Vista MPX)测定各重金属离子的含量。

1.9 Pb和 Ni重金属离子在江蓠质外体、共质体中积累量的测定

参照 B IPASHA和 SHEELA方法[5]区分江蓠质外体 (以细胞壁为主)、共质体 (以细胞质、液泡为主)组分。称新鲜样品 0.5 g,加入 1 mL 0.1mol/L Tris-HCl缓冲液 (pH=7.0),置于冰上研磨均匀,匀液在10 000 g、4℃下离心 20 min,沉淀为质外体组分,上清液为共质体组分。以上各组分采用HNO3-HClO4湿法消化后用等离子发射光谱仪测定各重金属离子的含量。

1.10 Pb和 Ni重金属离子在江蓠各功能细胞器中的分布

取新鲜的江蓠样品 0.5 g,参照 BROOKS等差速离心法[6]区分各功能细胞器组分。将新鲜样品加入 0.1mol/L Tris-HCl缓冲液 (pH=7.5,料液比1∶10)研磨匀液,匀液在 200 g下离心 2 min,4层纱布过滤。去滤液在 1 500 g下离心 10 min,沉淀为叶绿体部分,取上清液在 5 000 g下离心 20 min,沉淀为细胞核部分,取 2次上清液在 10 000 g下离心60 min,沉淀为线粒体部分,3次上清液在 100 000 g下离心 3 h,沉淀为核糖体部分。以上各部分 (叶绿体、细胞核、线粒体、核糖体)处理样品在等离子发射光谱仪上测定各重金属离子的含量。

所有待测样品均平行检测 3次取平均值。数据用统计软件 Excel 2003和 SPSS 13.0处理,进行显著性检验 (p<0.05,n=3)。

2 结果与分析

2.1 Pb和Ni重金属离子对江蓠外观形态的影响

江蓠外观形态的变化是反映江蓠受重金属胁迫的最直观指标,综合分析实验 7 d期间江蓠外观形态的变化可以比较这 4种重金属离子对江蓠毒害的影响。经过 7 d的连续观察发现,Ni各浓度梯度处理组的藻体外观形态基本没有什么变化;而对于 Pb,在 0～2.5mg/L处质量浓度范围内,江蓠的外观形态没有显著性影响,在 2.5～5mg/L处质量浓度范围内,从第 3d开始,江蓠体开始受到毒害,主支开始变黄变细,分支开始变白变细,在 10 mg/L的 Pb处理 6d时,江蓠的主支部分已经变黄,分支部分变白,并开始脱落。

2.2 Pb和 Ni重金属离子对江蓠鲜重的影响

由图 1可以发现,在不同浓度的 Pb和 Ni处理相同鲜重的江蓠 7 d后,Pb对江蓠鲜重的影响较大;Ni对江蓠鲜重的影响较小,在各浓度处理中,未发生显著性影响,与对照组无显著性变化(p>0.05)。对于 Pb处理,在质量浓度为 0～5 mg/L的范围内,对江蓠的鲜重影响不大,在 10 mg/L Pb处理时,发生了显著性的变化,鲜重只有对照组的 86%(p<0.05)。

图1 不同浓度的铅和镍胁迫对江蓠鲜重的影响

2.3 Pb和 Ni重金属离子对江蓠细胞膜透性的影响

细胞膜透性的测定常作为植物抗性研究中的一个重要生理指标。实验结果如图 2所示,江蓠在不同浓度的 Pb和 Ni重金属离子处理 7d后,细胞膜透性均有所变大,Ni处理对江蓠细胞膜透性的影响很小,与对照组无显著性变化 (p>0.05);在Pb质量浓度达 2.5～10 mg/L范围内,细胞膜透性发生了显著性变化 (p<0.05)。

图2 不同浓度的铅和镍胁迫对江蓠细胞膜透性影响

2.4 江蓠对水体中 Pb和 Ni重金属离子的去除效率

图3显示了江蓠对水体中 Pb、Ni的去除效果随培养时间而变化的情况。可以看出,江蓠能够一定程度地吸收水体中的 Pb和 Ni,随着时间的延长,水体中重金属离子浓度量呈下降趋势并逐渐趋于稳定。其去除水体中重金属的能力与重金属的种类有关,对于 Pb、Ni离子表现出不同的吸收能力。江蓠对重金属离子的去除效果与重金属离子的浓度相关,在低质量浓度 (0.05 mg/L)下,江蓠对 Pb和 Ni 1d后的去除率就分别达到了 92.8%、91.09%,7d后分别达到 93.19%、92.98%,对 2种重金属离子的去除效果基本一致,均有很好的效果。但水体中重金属离子质量浓度较高 (10 mg/L)时,江蓠对这 2种重金属离子的去除效果有了明显变化,7 d后江蓠对 Pb和 Ni的累积去除率分别为 64.32%和 41.97%,这可能与各重金属元素的结构和化学性质有关。

图3 江蓠对水体中铅(a)和镍(b)的去除效果

2.5 江蓠对水体中 Pb和 Ni重金属离子的吸附量

实验研究了江蓠对 Pb、Ni离子处理 7 d时的吸附量,由图 4可见,在低质量浓度 (0.05 mg/L)重金属离子情况下,江蓠对 Pb、Ni的吸附量分别为 0.007 76,0.007 74 mg/gFW。对 Pb和 Ni的吸附量基本一致 (p>0.05)。而在较高重金属离子质量浓度 (10 mg/L)下,江蓠对 Pb和 Ni的累积吸附量分别为 1.072,0.699 mg/gFW,其吸附效果的变化显著 (p<0.05)。

图4 江蓠对不同浓度铅和镍的吸附量

2.6 Pb和 Ni重金属离子在江蓠体内的积蓄

图5 不同浓度的铅和镍在江蓠体内的蓄积

Pb和 Ni在江蓠体内的蓄积量见图 5,2种重金属离子在江蓠体内的积蓄量均随着溶液中重金属离子的浓度增加而增大,低质量浓度下 (0.05 mg/L),江蓠体内对 Pb和 Ni的蓄积量基本相同;但在较高质量浓度 (10 mg/L)时,江蓠对 Pb的蓄积量大于对 Ni的蓄积量。积趋势和江蓠体内对各重金属离子的积累趋势基本相同,均随处理浓度的提高而逐渐提高,呈直线上升趋势。共质体对这 2种重金属离子的蓄积呈饱和动力学曲线趋势;质外体中的重金属离子的含量远大于共质体,说明江蓠对重金属的蓄积主要以质外体为主。这可能是由于江蓠质外体与共质体对各种重金属离子的积累存在着不同的机制。质外体主要包括细胞壁、细胞间隙,其对重金属离子的积累以电化学势梯度介导的扩散方式为主。共质体对重金属离子的积累可能以载体蛋白介导的协助扩散或主动吸收为主,因载体蛋白数量的限制而呈饱和现象[7]。江蓠质外体、共质体对 Pb和 Ni的积蓄趋势基本相同。但蓄积量是不一样的,质外体对 Pb积蓄能力大于对 Ni积蓄能力。

图6 不同浓度的铅和镍在江蓠质外体(a)、共质体(b)中的积蓄

2.7 Pb和 Ni重金属离子在江蓠质外体、共质体中的积蓄

图6反映了江蓠质外体和共质体对 Pb和 Ni的蓄积情况。江蓠质外体对 2种重金属离子的蓄

2.8 Pb和 Ni重金属离子在江蓠各功能细胞器中的分布

具有光合作用的叶绿体、遗传物质主要贮存部位的细胞核、进行呼吸作用的线粒体以及蛋白质合成工厂核糖体,由于其生理功能的重要性,在重金属的离子稳态平衡研究中越来越受到重视[8]。本实验研究了江蓠在 5 mg/L的重金属离子中处理7 d时,在不同功能的细胞器中的 Pb和 Ni的分布情况(图 7)。可以看出,Pb分布在江蓠体内叶绿体中的含量最高,核糖体中次之,线粒体及细胞核中最少。Ni分布在江蓠体内叶绿体和核糖体的含量基本相同,在线粒体及细胞核中的含量也较叶绿体和核糖体少,表明 Pb和 Ni在江蓠体内细胞质中的各功能细胞器中的分布主要集中在叶绿体和核糖体中,这将对江蓠的光合作用和蛋白质的合成造成较大影响。

图7 铅和镍在江蓠各功能细胞器中的分布

3 讨论

利用藻类修复重金属污染水体具有投资小、针对性强、吸附量大、污染小、效率高等特点,可以选择性去除低浓度重金属,尤其是一般方法不易去除的重金属,具有显著而独特的环境生态效益[9]。实验生物大型海藻江蓠具有适应性强、生长快、产量高、栽培方法简单,容易推广等优点。在重金属对江蓠生长的影响研究中,实验观察分析 7 d时江蓠外观形态、鲜重、细胞膜透性的变化,可以初步反映各重金属对江蓠生长的影响。结果表明,Pb对江蓠的生长影响较 Ni对江蓠的生长影响大。

(1)通过江蓠对水体中 2种重金属离子的去除效率的研究,在低质量浓度 (0.05 mg/L)下,江蓠对 Pb和 Ni 1d后的去除率就分别达到了92.8%、91.09%。表明江蓠对低浓度重金属污染的废水有良好的短期修复效果,为目前比较棘手的低浓度重金属污染的治理途径提供了理论参数。

(2)经 7 d吸附效应比较,江蓠对 Pb的吸附能力大于对 Ni的吸附能力,与目前很多相关的研究结果[10-13]相吻合。说明 Pb具有很强的配位能力,能与生物大分子的众多配位点结合,迅速生成金属有机配合物,亲脂性较强,很容易穿过细胞膜直接进入有机体内,与酶、谷胱胺肽、类金属硫蛋白和叶绿素等结合;而 Ni与其他重金属离子相比,是一种反抗性较强的污染物,可能在生物吸附过程中形成的离子结构的空间阻碍,因此很多对其他重金属离子具有较强吸附能力的微藻对Ni的结合力却很低。

(3)在重金属胁迫下,植物细胞膜的修复在其对重金属的解毒过程起到十分重要的作用。本次实验发现,不同浓度的 Pb和 Ni对江蓠细胞膜透性都有一定的影响,其中 Pb表现较为严重。这与SALT和 S ILVER的研究结果相吻合[14,15],说明在细胞膜质上存在一些蛋白可将特定的重金属转移到细胞内,而另一些蛋白能将一些重金属转运至细胞外,2者的相互作用调控着细胞内外重金属的稳态平衡;同时也验证了另外一些学者研究得出的结论,认为细胞质膜上的一些蛋白,如 YCF1(依赖于ATP膜蛋白转运家族的一种)、Zn tA(一种 Pb、Cd、Zn转运的 ATPase)对重金属离子有排斥作用,阻止了重金属 Pb和 Ni进入原生质[16-18]。这也说明了江蓠体内可能也存在着这样类型的蛋白而使共质体中的重金属离子比质外体中含量要少得多。

4 结论

通过本实验研究发现江蓠对低浓度 Pb和 Ni重金属污染的废水有良好的短期修复效果,为目前比较棘手的低浓度重金属污染的治理途径提供了理论参数。从江蓠对各重金属的耐性来看,江蓠对Ni的耐性较对 Pb的耐性好;而从江蓠对各重金属的积累量来看,对 Pb的积累量大于对 Ni的积累量。说明江蓠对不同的重金属有不同的积累机制,这和江蓠在耐重金属污染的生理生化机制密切相关。而目前对于各重金属离子以何种方式同江蓠细胞壁的那些物质结合尚不清楚。仍需要不懈地深入研究。江蓠对各重金属的积蓄和在质外体、共质体中的分布协调统一,开展江蓠体内重金属离子稳态平衡的研究工作,对江蓠修复重金属水体污染具有十分重要的理论意义。

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The Cumulation and Biologic Restoretion to Pb,Ni by Gracilaria in theWater

ZHANG Hao
(Changzhou EnvironmentalMonitoring Central Station,Changzhou,Jiangsu 213001,China)

This research uses Gracilariatunuistipitata Var as a research material and uses Pb,Ni as pollutants,through a series of experiments such as the indoor static simulation exper iment,comprehensive utilization of plasma-atomic emission spectrometer,high speed centrifuge,and differential speed centrifuge exper imental methods.Comparative study on the removal of short-term effects of Gracilaria to Pb,Ni,the accumulation effect of heavy metal ions in the body of Gracilaria and the distribution of heavy metal ions in Gracilaria's apoplast and symplast from different angles in a single heavymetal ion'spollution stressof Pb,Ni has been studied.Evaluation of the purifying effect of Gracilaria to heavy metal as well as the accumulation effect in vivo of a single heavy metal ion about Pb,Ni is perfor med so as to lay the foundation for the further exploration of the physiological and biochemical adsorption mechanis ms of Gracilaria to heavymetals and its practical application in heavymetal pollution in environmental recovery.

Gracilariatunuistipitata var;Pb;Ni;bioremediation

X506

A

1674-6732(2011)-01-0048-06

2010-02-14;

2010-04-06

张皓 (1984—),男,助理工程师,硕士,从事环境生物监测与研究工作。

(本栏目编辑 熊光陵)

·环境预警·

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.01.001