刚毛藻对重金属Pb2+的耐受性及吸附性研究

从善畅，汪家权，董玉红，程 婷，吕 宙

(合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009)

重金属能和人体内的蛋白质及各种酶发生作用，使它们失去活性，也能在人体的某些器官中富集，如果超过人体所能耐受的限度，会造成人体急性中毒、亚急性中毒、慢性中毒等，对人体会造成很大的危害，其中铅(Pb)是重金属污染中毒性较大的一种，可以直接伤害人的脑细胞，特别是对胎儿的神经板，可造成先天大脑沟回浅、智力低下，对老年人可造成痴呆、脑死亡等。藻类可以利用水体中的无机物，通过光合作用放出氧气，并起到了净化水质的作用，在环境领域有净化空气、清洁水质、监测污染、废水处理以及净化农药、吸附重金属等作用，利用藻类修复重金属污染的水体，具有高效、低能耗、环保的特点[1-10]。

藻体细胞对重金属离子的吸附机理包括络合、螯合、离子交换、转化、吸收和微沉淀等。金属阳离子可被细胞表面的负电荷位点所吸附。许多阴离子参与结合金属离子，如膜蛋白上的磷酸基、羧基、巯基和羟基等。细胞原生质膜外有明显的细胞壁，其在微生物吸附重金属离子的过程中起着重要作用，它是阻止金属离子进入细胞产生毒害的第一道屏障[10]。为此，笔者研究刚毛藻对重金属Pb2+的耐受性和吸附性，为其在重金属污染水体治理中的应用奠定科学依据。

1 材料与方法

1.1试验材料

1.1.1试验藻体。刚毛藻和培养液均采集于合肥市某公园内，试验前经过简单的处理。

1.1.2试验设备。Themo ELement M5型原子吸收分光光度计，722S型可见分光光度计，SPX-250B-G型光照培养箱，SC-3612低速离心机，HH-6数显恒温水浴锅，电子天平，CP214万分之一天平，研钵。

1.1.3试验药品。硝酸铅(AR)，浓硝酸(AR)，丙酮(AR)，乙醇(AR)，三氯乙酸(TCA)，硫代巴比妥酸(TBA)，石英砂，考马斯亮蓝G-250，磷酸(AR)。

1.2试验方法在1 L烧杯中分别配制含有Pb2+浓度梯度为0、2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、17.5、20 mg/L的培养液，每一组设3个对照，向培养液中加入5.0 g新鲜刚毛藻，在恒温光照培养箱中培养10 d。培养条件为：温度25 ℃，光照强度8 000～9 000 lx，溶液初始pH 7.0。在10 d培养结束后，测定下列指标：①刚毛藻体内叶绿素含量；②刚毛藻体内Ca/Cb值；③刚毛藻体内丙二醛含量；④刚毛藻体内蛋白质含量；⑤刚毛藻体内Pb2+含量。

2 结果与分析

2.1重金属Pb2+对刚毛藻生化指标的影响

2.1.1对叶绿素含量的影响。进入刚毛藻体内的重金属Pb2+会改变细胞膜透性，对刚毛藻体内的叶绿体造成一定程度的破坏，致使叶绿素结构破坏，刚毛藻体失绿。叶绿素含量可以反映刚毛藻光合作用的强弱，通过测定叶绿素含量的变化，可反映重金属Pb2+对刚毛藻的损害程度。

由图1可知，Pb2+浓度在12.5 mg/L以下时，刚毛藻体内叶绿素含量急剧下降到0.32 mg/mg，再增加培养液中Pb2+的浓度，刚毛藻体内的叶绿素维持在0.30 mg/mg左右。重金属Pb2+在一定程度上影响了刚毛藻的生长代谢，减少了叶绿素的含量，但刚毛藻体内的叶绿素并没有被完全破坏，只是在一定程度上抑制了刚毛藻的光合作用，刚毛藻可以作为重金属的耐受指示物中的一种。

图1 不同浓度Pb2+培养后刚毛藻体内叶绿素含量变化

2.1.2对Ca/Cb的影响。由图2可知，进一步研究重金属Pb2+对叶绿素a与叶绿素b含量的影响(Ca/Cb)，随着重金属Pb2+浓度的增大，Ca/Cb比值逐渐减少，最终维持在0.30左右，重金属Pb2+对叶绿素a的损害作用随着重金属Pb2+浓度的增大而逐渐增大，且对叶绿素a的损害作用要大于对叶绿素b的损害作用。

图2 不同浓度Pb2+培养后刚毛藻体内Ca/Cb变化

2.1.3对丙二醛含量的影响。在生物体内，自由基作用于脂质发生过氧化反应，氧化最终产物为丙二醛，会引起蛋白质、核酸等生命大分子的交联聚合，且具有细胞毒性，在体外影响线粒体呼吸链复合物及线粒体内关键酶活性。丙二醛是在生物体衰老或受到伤害的情况下产生的，它的主要伤害是导致膜脂过氧化，损伤生物膜结构，尤其是细胞质膜，使得细胞膜结构和功能受到损伤，改变膜的通透性，从而影响一系列生理生化反应的正常进行。丙二醛含量高低可以作为考察细胞受到胁迫严重程度的指标之一。

由图3可知，重金属Pb2+浓度在0～20 mg/L时，刚毛藻体内的丙二醛含量呈持续上升趋势，最大值为20.44 μmol/g，其含量的明显增高反映了刚毛藻体内细胞的细胞膜的完整性遭到破坏，重金属Pb2+对刚毛藻的毒害作用在逐渐增大。

图3 不同浓度Pb2+培养后刚毛藻体内丙二醛含量变化

2.1.4对蛋白质含量的影响。蛋白质是生命的基础，机体中的重要组成部分都有蛋白质的参与，通过研究蛋白质含量的变化可以反映刚毛藻体的生长状况，也可以反映刚毛藻体组织器官的损伤情况。

由图4可知，随着重金属Pb2+浓度的增加，刚毛藻体内蛋白质含量整体呈下降趋势，其中重金属Pb2+浓度在0～5 mg/L时，刚毛藻体内蛋白质含量的下降趋势较小，此时重金属Pb2+对刚毛藻的危害较小；随着重金属Pb2+浓度的继续增加，刚毛藻体内蛋白质含量的下降趋势增大，最终刚毛藻体内蛋白质含量维持在1.10 mg/g左右，说明Pb2+对刚毛藻的毒害作用增强，但并没有导致刚毛藻体的死亡。

图4 不同浓度Pb2+培养后刚毛藻体内蛋白质含量变化

2.2刚毛藻对重金属Pb2+吸附量研究由图5可知，重金属Pb2+浓度在0～10 mg/L时，刚毛藻体内重金属Pb2+含量增加缓慢；重金属Pb2+浓度在10～15 mg/L时，刚毛藻体内重金属Pb2+含量增加较为明显；重金属Pb2+浓度在15～20 mg/L时，刚毛藻体内重金属Pb2+含量维持在1.39 mg/g。推测刚毛藻对重金属Pb2+的吸附分为两个阶段：第1阶段为快速吸附阶段，此时重金属Pb2+仅仅停留在刚毛藻体细胞壁及细胞壁的表面；第2阶段为缓慢吸附阶段，此时重金属Pb2+通过细胞壁膜进入到细胞内，加速了对刚毛藻的损害。对水样中Pb2+的去除率随浓度梯度的变化比较平稳。刚毛藻对Pb2+具有吸附作用，验证了刚毛藻对重金属Pb2+的超富集特性。今后，就如何提高藻体对重金属的吸附量同时减少对藻体本身的危害值得做进一步研究。

图5 不同浓度Pb2+培养后刚毛藻体内重金属Pb2+含量

3 结论

验证了刚毛藻对重金属Pb2+具有一定的吸附能力及耐受性，可以用于控制并修复水体中的重金属，但刚毛藻对重金属Pb2+的吸附及耐受性的机理还有待进行继续研究。采用藻类处理含有重金属的废水具有一定的应用前景，优点为：处理成本低、藻类来源丰富、吸附能力强。就刚毛藻对重金属Pb2+的研究现提出如下展望：①确定藻类的生长阶段和藻类的种类对重金属吸附能力的影响，采用最优的藻类去除重金属，有助于提高重金属的去除率；②水体中的重金属是多重的，对此可以进行多种重金属的交互试验，有助于提高应用范围；③可以将藻类进行固定化，设置固定的藻类处理重金属的装置，方便移动，提高处理效率，让藻类处理重金属的技术真正运用于实际工程项目中。

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