4种淡水微藻对水体重金属铅吸附特性研究

程方贝贝,甘婷婷,赵南京,殷高方,汪 颖,范梦西,石朝毅

（1.合肥学院生物食品与环境学院，安徽 合肥 230601；2.中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031；3.中国科学技术大学，安徽 合肥 230026；4.安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601）

0 引言

近年来，随着社会经济及工农业生产的快速发展，环境污染问题日益严重。重金属作为制造、采矿、冶金、化工等工业活动及大量化肥、农药施用等农业活动的主要环境污染物，使得我国水体重金属污染问题十分突出，江河湖库底质的污染率高达80.1%[1]。重金属因具有不可降解性和生物富集性以及致癌、致畸和致突变性，一旦在生物体内累积，将严重威胁着人体健康及生态环境，并给国民经济造成重大损失，因此水体重金属污染问题需高度重视。

现场快速检测水体重金属可为水体重金属污染状况的及时判断提供关键数据及重要依据，对水体重金属有效防治及水质安全保障具有重要意义。而在重金属污染现场快速检测技术方面，X 射线荧光（XRF）光谱法因具有对待测样品无破坏性、多种元素可同时测量、谱线干扰少、分析速度快等优点[2-3]，是现场快速、实时在线分析重金属元素的一种有效技术手段。但该方法用于直接测量水体重金属时，水体对X 射线产生较高的散射背景，从而导致信噪比较低，重金属检测的稳定性[4]和灵敏度较差[5]，难以满足实际水体重金属的检测要求。因此XRF 光谱法在直接检测水体重金属应用方面一直受到限制。

针对上述问题，目前国内外很多研究学者以活性炭、碳纳米管、石墨烯、树脂等作为吸附剂，采用沉淀/共沉淀[6-7]或固相萃取[8-12]等方法对水体中的重金属进行分离与富集，再进行XRF 光谱测量与分析，以解决直接测量水体重金属XRF 光谱中稳定性差、灵敏度低的问题。但以上吸附剂在使用前通常需功能化改性或活化处理，操作过程较为复杂、繁琐且费时，并且重复性较差，增加了水体重金属监测的难度与应用成本。而藻类作为一种生物吸附剂，具有种类繁多、容易获取、易于培养、经济环保等特点。研究表明：藻细胞对重金属具有一定的吸附功能[13-18]，以藻细胞作为吸附剂富集水体重金属[19]，不但能够处理及修复已受重金属污染的水体，而且也为XRF 光谱法检测水体重金属提供了新的富集手段。

因此以水体中典型重金属污染物铅（Pb）为研究对象，选择淡水中较为常见且细胞分散性较好的蛋白核小球藻、二形栅藻、铜绿微囊藻、平裂藻4 种淡水微藻为吸附剂，研究分析不同培养时间及不同藻细胞状态下4 种淡水微藻对重金属Pb2+的吸附特性，以筛选出对重金属Pb2+具有高效富集能力的合适藻种，为后续建立基于藻富集的水体重金属污染快速XRF 监测方法提供了重要依据。

1 材料与方法

1.1 藻种与试剂

主要藻种：蛋白核小球藻、二形栅藻、铜绿微囊藻、平裂藻（中国科学院水生生物研究所淡水藻种库）。在SW-CJ-1D 型无菌工作台中将上述藻种接种于灭菌处理后的BG11 培养基中，并将接种后的藻液置于MQD-S3R 型恒温摇床培养箱中进行扩大培养，培养条件：温度为25±1 ℃，光源发光强度为6 600 lux，光暗比为12 h∶12 h。在培养至第3 天、第7 天和第12 天时提取纯藻细胞开展对重金属Pb2+的吸附实验。

Pb 的来源：分析纯硝酸铅（Pb(NO3)2）（天津市津北精细化工有限公司）。用AL104 型电子分析天平准确称取一定量的Pb(NO3)2，并用去离子水配制成100 mL 质量浓度为100 mg/L 的Pb2+标准储备液。再用去离子水稀释Pb2+储备液，分别配制成不同浓度的Pb2+标准工作液。

1.2 试验准备

（1）为排除培养基对藻细胞吸附重金属Pb2+的干扰，采用称重与抽滤相结合的方法提取藻培养液中的活藻细胞，并配制等浓度的纯藻液用于其对重金属Pb2+的吸附研究。首先用电子天平称量质量为G1 的空白滤膜（混合纤维素脂膜，孔径为0.22 m，直径为50 mm，上海新亚净化材料厂）作为富集滤膜，对体积为V 的藻培养液进行抽滤，将富集有藻细胞的滤膜质量G2 进行再次称量，根据富集前、后滤膜的质量差与所抽滤的藻培养液的体积比，计算原藻培养液中的藻细胞浓度C，计算公式（1）如下：

为保证不同藻种及同种藻种在重金属Pb2+吸附过程中，在不同培养时间下藻细胞的用量相同，根据以上确定的原藻培养液中的藻细胞浓度C，通过计算取一定体积的原藻培养液进行抽滤，使富集在滤膜上的藻细胞质量为10 mg，再将滤膜上的藻细胞转移至100 mL 去离子水中，配制成活藻细胞质量浓度为100 mg/L 的纯藻悬浮液。

（2）为探究灭活藻细胞对重金属Pb2+的吸附特性，取适量的原藻培养液置于高压灭菌锅中在121 ℃下加热20 min，待冷却至室温后，采用上述同样方法确定并配制原藻培养液中藻细胞质量浓度为100 mg/L 的灭活纯藻悬浮液。

1.3 藻细胞吸附重金属Pb2+试验

分别取培养至第3 天、第7 天及第12 天的蛋白核小球藻、二形栅藻、铜绿微囊藻、平裂藻的纯藻液各20 mL 置于不同的洁净锥形瓶中，再分别加入1 mL 不同浓度Pb2+标准工作液，将反应液摇匀后置于转速为100 r/min、温度为25 ℃的培养箱中进行吸附反应，并在反应时间分别为5,10,20,30,40,50 和60 min 时各取2 mL 反应液进行抽滤，将滤液转移至5 mL 离心管中。将20 mL 去离子水与1 mL 不同浓度Pb2+标准工作液混合、摇匀，获得藻细胞对不同浓度重金属Pb2+吸附的空白对照样。

1.4 吸附效率计算

采用iCAP RQ 型电感耦合等离子体-质谱仪（Thermo Fisher Scientific，美国）测量吸附后滤液中剩余的Pb2+浓度及未经藻细胞吸附的空白样品中Pb2+浓度。并根据公式（2）计算反应时间为t 时藻细胞对重金属Pb2+的吸附效率：

式中：t 为反应时间，min；C0为反应液中未经藻细胞吸附的初始Pb2+质量浓度（即空白样品中Pb2+质量浓度），mg/L；Ct为在反应时间t 时经过藻细胞吸附后滤液中剩余的Pb2+质量浓度，mg/L；P 为藻细胞对重金属Pb2+的吸附效率，%。

2 结果与讨论

2.1 不同培养时间对4 种淡水微藻吸附重金属Pb2+的特性影响

藻细胞状态及活性随培养时间的变化而变化，为探究不同培养时间的藻细胞是否对重金属Pb2+的吸附特性产生影响，对培养至第3 天、第7 天和第12 天时蛋白核小球藻、二形栅藻、铜绿微囊藻、平裂藻的活藻细胞在60 min 内对质量浓度为5 mg/L 重金属Pb2+的吸附特性进行研究，结果见图1。

图1 不同培养时间下4 种淡水微藻对重金属Pb2+的吸附效率

由图1可以看出，在相同反应时间下，培养至第3 天的蛋白核小球藻细胞对重金属Pb2+的吸附效率最高，其次是第12 天，而培养至第7 天的藻细胞吸附效率最低；培养至第3 天和第7 天的二形栅藻和平裂藻细胞对Pb2+的吸附效率最高，且两者没有明显差异性，而培养至第12 天的藻细胞对Pb2+的吸附效率却有较大程度的降低；培养至第3 天和第12 天的藻铜绿微囊细胞对Pb2+的吸附效率最高，且两者较为接近，而培养至第7 天的藻细胞对Pb2+的吸附效率则稍有降低。研究表明：培养时间不同，不同藻种对Pb2+的吸附特性具有一定的差异性，但4 种微藻均在培养至第3 天时表现出对Pb2+最好的吸附特性，其中蛋白核小球藻、二形栅藻、铜绿微囊藻在60 min 内的吸附效率均已达到95%以上。推断其原因是由于培养至第3 天时，藻细胞正处于快速生长繁殖阶段，旺盛的藻细胞分裂导致该阶段藻细胞尺寸比较小，细胞比表面积较大，从而导致相同质量的藻细胞对重金属Pb2+的吸附效率更高。

同时，由图1可以看出，不同培养时间的蛋白核小球藻、二形栅藻、平裂藻对重金属Pb2+的吸附效率均在5 min 时达到最大值，在5～60 min 之间蛋白核小球藻和二形栅藻对Pb2+的吸附效率近乎保持稳定，而平裂藻对Pb2+的吸附效率随时间的增加呈缓慢降低再缓慢上升的趋势，变化程度不大；不同培养时间的铜绿微囊藻对重金属Pb2+的吸附效率均在10 min 时达到最大值，在10～60 min 之间吸附效率保持不变。由此可见，选用的4 种淡水微藻对重金属Pb2+都具有快速吸附特性，在5～10 min 内即可达到最好的吸附效果。姜爱莉等[20]的研究表明，微藻对重金属的吸附过程分为2 个阶段，第一阶段为被动吸附，吸附速度非常快，吸附效率非常高，该阶段重金属仅被吸附到藻细胞的表面；第二阶段为主动吸附，是一个能量驱动过程，藻细胞对重金属的吸附与藻体的代谢密切相关，需要某些特定酶的参与，因此该阶段吸附速度较慢。试验中蛋白核小球藻、二形栅藻、铜绿微囊藻、平裂藻在5～10 min 内即对重金属Pb2+达到最好的吸附效果，该吸附为被动吸附过程。

2.2 不同细胞状态的4 种淡水微藻对吸附重金属Pb2+的特性影响

在藻对重金属吸附研究方面，李恺等[21]发现，与非活性海藻相比，活性海藻对重金属具有更好的吸附特性；而SYAFIUDDIN A 等[22]的研究表明与活藻细胞相比，非活藻细胞对重金属的吸附效果更好。为验证选用的4 种淡水微藻在何种藻细胞状态下对重金属Pb2+具有更好的吸附性能，对培养至第3 天时活藻细胞及加热灭活藻细胞2 种细胞状态下4 种微藻吸附重金属Pb2+的特性进行研究。4 种淡水微藻的活藻细胞及灭活藻细胞在60 min 反应时间内对质量浓度为5 mg/L 的重金属Pb2+的吸附效率见图2。

图2 不同细胞状态下4 种淡水微藻对重金属Pb2+的吸附效率

由图2可以看出，在相同反应时间下，蛋白核小球藻、二形栅藻和铜绿微囊藻均是活藻细胞对重金属Pb2+具有最大的吸附效率，而灭活后藻细胞对Pb2+的吸附效率却有较大程度的降低，例如在反应时间为5 min 时，蛋白核小球藻活藻细胞、二形栅藻活藻细胞和铜绿微囊藻活藻细胞对Pb2+的吸附效率分别为95%,99%和96%，而灭活后吸附效率分别降至55%,68%和65%。并且这3 种藻的活藻细胞对Pb2+的吸附效率均在5～10 min 时快速吸附达到最大值，在10～60 min 内吸附效率基本保持稳定；而灭活藻细胞对Pb2+的吸附效率在5～60 min 内却有较大的变化，稳定性较差。因此蛋白核小球藻、二形栅藻和铜绿微囊藻活藻细胞比灭活藻细胞对重金属Pb2+具有更好的吸附性能。

在吸附反应时间为5 min 时，平裂藻活藻细胞对Pb2+的吸附效率要稍大于灭活藻细胞，在反应时间为10～50 min 时，灭活藻细胞对Pb2+的吸附效率反而大于活藻细胞，而在反应时间为60 min 时，活藻细胞对Pb2+的吸附效率又大于灭活藻细胞。并且无论是活藻细胞还是灭活藻细胞，在5～60 min 的反应时间范围内，其对Pb2+的吸附效率均随反应时间的增加而变化，活藻细胞在5 min 时吸附效率达到最大值，随反应时间的延长，吸附效率呈先逐渐降低再缓慢升高的趋势；而对于灭活藻细胞，在10 min时吸附效率达到最大值，之后10～30 min 时吸附效率保持稳定，而在30～60 min 时，吸附效率随时间的增加而呈逐渐降低趋势。由此可见平裂藻2 种藻细胞状态对Pb2+的吸附性能与蛋白核小球藻、二形栅藻和铜绿微囊藻明显不同。在60 min 反应时间内，平裂藻的灭活藻细胞对Pb2+的吸附效果要略优于活藻细胞，但无论是活藻细胞还是灭活藻细胞，其对Pb2+的吸附效果均不够稳定。

2.3 4 种淡水微藻吸附重金属Pb2+的性能对比

为筛选出具有较好吸附重金属Pb2+性能的淡水藻种，对培养至第3 天的蛋白核小球藻、二形栅藻、铜绿微囊藻、平裂藻活藻细胞吸附不同浓度重金属Pb2+的特性分别进行研究。当反应时间为5 min 时，相同浓度的4 种微藻对质量浓度分别为1，1.75，2.5和5 mg/L 重金属Pb2+的吸附效率见图3。由图3可以看出，当Pb2+质量浓度为5 mg/L 时，4 种微藻对Pb2+的吸附效率依次为：二形栅藻＞铜绿微囊藻＞蛋白核小球藻＞平裂藻；当Pb2+质量浓度为2.5 mg/L时，4 种微藻对Pb2+的吸附效率依次为：二形栅藻＞蛋白核小球藻＞铜绿微囊藻＞平裂藻；当Pb2+质量浓度为1.75 mg/L 时，4 种微藻对Pb2+的吸附效率依次为：二形栅藻＞蛋白核小球藻＞平裂藻＞铜绿微囊藻；而当Pb2+质量浓度为1 mg/L 时，4 种微藻对Pb2+的吸附效率依次为：蛋白核小球藻＞二形栅藻＞铜绿微囊藻＞平裂藻。由此可见，当藻细胞浓度相同，而重金属Pb2+浓度不同时，4 种淡水微藻对Pb2+的吸附性能排序会有所变化，综合来看，二形栅藻及蛋白核小球藻2 种淡水绿藻表现出了更好的吸附特性，其中二形栅藻对较高浓度的Pb2+有较好的吸附性能，而蛋白核小球藻对较低浓度的Pb2+表现出更好的吸附性能。因此淡水绿藻中的二形栅藻和蛋白核小球藻更适合于水体中重金属Pb2+的吸附与富集。此外，当藻细胞用量相同，而重金属Pb2+浓度不同时，同种藻细胞也表现出了不同的吸附特性。由此推断藻细胞对Pb2+的吸附性能可能与反应液中藻细胞与Pb2+浓度或两者的浓度比值有关。

图3 4 种淡水微藻对不同浓度重金属Pb2+的吸附效率

3 结论

（1）试验所选用的蛋白核小球藻、二形栅藻、铜绿微囊藻、平裂藻4 种淡水微藻均具有快速吸附重金属Pb2+特性，在5～10 min 时吸附效率即可达最大值。但培养时间不同，4 种淡水微藻吸附重金属Pb2+的特性虽有一定差异性，但均表现在培养至第3天时对Pb2+的吸附效率最高。

（2）蛋白核小球藻、二形栅藻和铜绿微囊藻对重金属Pb2+的吸附性能均表现为活藻细胞高于灭活藻细胞；而平裂藻灭活藻细胞对重金属Pb2+的吸附效果要略高于活藻细胞。

（3）4 种淡水微藻中二形栅藻及蛋白核小球藻吸附重金属Pb2+性能更好，其中二形栅藻对较高浓度的Pb2+有较好的吸附性能，而蛋白核小球藻对较低浓度Pb2+的吸附性能则更好，因此二形栅藻和蛋白核小球藻更适合于水体中重金属Pb2+的吸附与富集。该结论为建立基于藻富集的水体重金属污染快速监测方法提供了重要依据。