小球藻吸附镉的表征及机理

陈星星，周朝生，陆荣茂，张鹏*

(1.浙江省海洋水产养殖研究所，浙江 温州 325005；2.浙江省近岸水域生物资源开发与保护重点实验室，浙江 温州 325005)

近些年，工业“三废”的排放及酸雨的影响，造成海水养殖环境中的重金属污染，尤其是对近海海水养殖业带来了严重危害，导致水产品重金属污染问题日益突出，养殖产品重金属超标屡有发生。人类食用重金属污染的水产品，会造成重金属在人体器官内富集，从而危害人体健康；受重金属污染的环境会对养殖的生物造成影响，引发生物变异或死亡，阻碍水产养殖行业的发展。随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们越来越关注舌尖上的安全[1-5]。

泥蚶(TegillarcagransaLinnaeus)属广温、广盐性贝类，口味鲜美，营养丰富，经济价值高，已成为东部沿海地区的重要海水养殖品种，是沿海地区的主要产业之一[6-7]。随着工业化的发展，重金属污染海水养殖环境，水生生物通过食物链富集环境中的重金属。根据食品安全国家标准《食品中污染物限量》(GB 2762—2012)，海水双壳类的重金属镉安全标准是≤1.0 mg·kg-1[8]。

当前消除贝类体内蓄积重金属的方法并不多，通过将贝类投入到未受污染的海水暂养，可以降低其重金属含量，但效率较低；通过向养殖的贝类环境投放化学添加剂，可以降低其重金属含量，但这样经济成本上升，推广难度增大[9-13]。微藻是大部分贝类的食源，同时研究[14-16]表明，微藻对重金属有显著的富集能力，微藻在贝类去除重金属的应用中具有重要意义，但其具体机理的相关报道较为少见。

1 材料与方法

1.1 供试材料

傅里叶变换红外光谱仪FTIR(Spotlight 200i)，场发射扫描电子显微镜FE-SEM(SIGMA500)，X射线能谱分析仪(51-XMX1121)，电感耦合等离子体发射光谱仪(安捷伦5100ICP-MS)，移液枪(Eppendorf)，电热恒温鼓风干燥箱(上海森信实验仪器DGG-9070A)，电子天平(赛多利斯科学仪器CPA225D)，微波消解/萃取仪(意大利Milestone ETHOS-1)。

镉标准溶液(中国计量科学研究院，100 mg·L-1)；氯化镉(阿拉丁，分析纯)；双氧水(国药，优级纯)；硝酸(国药，优级纯)。

1.2 处理设计

小球藻镉暴露与富集：取暂养后的小球藻放入含5 L新鲜海水的塑料箱中，用1.0 g·L-1的镉母液调节海水使其中Cd2+浓度为100 μg·L-1。使得小球藻暴露富集5 d，并且每隔24 h更换新鲜海水并重新染毒一次，每天人工振荡3次，设不含镉的小球藻(对照)和配置了含镉的小球藻两个处理组，每个处理设3个平行。

1.3 指标测定

小球藻的电镜扫描—能谱：将正常培养5 d(120 h)的小球藻(对照组)和吸附100 μg·L-1Cd2+的小球藻(实验组)离心后，于101 ℃下干燥24 h。制成待测样品，进行电镜扫描分析。

小球藻镉含量测定：称取干燥后的小球藻样品，按照微波消解仪设定的生物样消解程序进行消解，采用电感耦合等离子体发射光谱仪(安捷伦5100ICP-MS)测定小球藻的含量。

2 结果与分析

2.1 小球藻的电镜扫描

分别对吸附Cd2+前后的小球藻进行能谱分析，发现C、N、P和O是小球藻的主要组成元素，Na、Mg和Ca是小球藻中主要的金属元素，而Cd在吸附前后的小球藻中均未检测出来(图1)。图2表明，吸附Cd2+后的能谱图中出现了K峰，Ca2+、Mg2+含量在小球藻表面也有大幅上升，由此可知，在小球藻对Cd2+的生物吸附过程中，发生了阳离子交换吸附，Cd2+被吸附到小球藻上，而Ca2+、Mg2+被释放到溶液中，附着在小球藻的表面，而Cd2+被吸附到了小球藻的细胞内部。

图1 小球藻活藻吸附重金属前SEM-EDX分析

图2 小球藻活藻吸附重金属后SEM-EDX分析

小球藻的SEM照片显示，吸附前藻细胞的细胞壁平滑，小球藻细胞在吸附Cd2+之后，不再保持光滑，说明金属离子吸附后，导致小球藻细胞的死亡，细胞壁不再保持平滑。

2.2 傅里叶变换红外光谱分析

图3 吸附Cd2+前的傅立叶变换红外光谱

小球藻吸收Cd2+后，傅里叶红外图谱发生明显变化(图4)。吸收了Cd2+离子后，3 276 cm-1的峰强度减弱，表明部分羟基或氨基参与吸附，使官能团氢键部分形成断裂，引起最大峰值伸缩振动位移，说明在小球藻吸附Cd2+的过程中羟基、氨基参与了该吸附的过程。酰胺Ⅱ带的1 535 cm-1处，官能团N—H弯曲振动和C—N伸缩振动，1 044 cm-1有减少17 cm-1的变化，说明吸附的Cd2+离子干扰了藻细胞表面官能团的微环境，可能暗示了相关基团，如C—N、N—H等基团也参与了小球藻对重金属Cd2+的吸附过程。

图4 吸附Cd2+后的傅立叶变换红外光谱

2.3 元素组成分析

运用ICP-OES方法对吸附Cd2+前后的小球藻，主要元素组成进行了分析，测试结果如表1所示。结果表明，小球藻中含有大量Na、P元素和较多的K、Ca、Mg、Mn和Fe元素。比较吸附前后小球藻中主要元素浓度的变化，发现吸附后Cd2+增加，K+、Na+含量也有所增加，而Ca2+、Mg2+、Mn2+和Fe2+减少，由此可知，在吸附过程中发生了阳离子交换，并且阳离子的交换可能和离子的价态有关。

表1 吸附Cd2+前后小球藻中各元素的含量

3 小结

小球藻的SEM照片显示，吸附前藻细胞的细胞壁平滑，吸附后细胞不再保持光滑。小球藻吸附Cd2+后，傅里叶红外图谱变化表明，吸附了Cd2+离子后，3 276 cm-1的吸收强度减弱，可能是部分羟基或氨基参与吸附，使官能团氢键部分形成断裂，最大峰值伸缩振动，从而发生位移。说明小球藻吸附Cd2+的过程中羟基、氨基参与了该过程。酰胺Ⅱ带的1 535 cm-1处，N—H弯曲振动和C—N伸缩振动，1 044 cm-1有减少17 cm-1的变化，说明吸附的Cd2+离子干扰了藻细胞表面官能团的微环境，可能暗示了相关基团，如C—N、N—H等基团也参与了小球藻对重金属Cd2+的吸附过程。通过ICP-OES测定发现，小球藻中含有大量Na、P元素和较多的K、Ca、Mg、Mn和Fe元素。比较吸附前后小球藻中主要元素浓度的变化，发现吸附后Cd2+增加，K+、Na+含量也有所增加，而Ca2+、Mg2+、Mn2+和Fe2+减少。由此可知，在吸附过程中，小球藻表面发生了阳离子交换，并且交换可能和离子的价态有关。