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藻类富集水体重金属的机理及应用郑蒙蒙;邵鲁泽;管幼青;周思齐;李非里【摘要】Algae are considered as ideal bioremediation materials because of their high enrichment ability, environmental friendliness and high repair efficiency, therefore become a hot spot in the environmental research. The article reviewed the research progress of algae removal of heavy metals in the water,introduced the classification of the alga biological adsorbent, focused on adsorption and enrichment mechanism of heavy metal on algae,and main factors affecting the adsorption of heavy metals (adsorption time,living algae and not living algae,algae size,dissolved organic matter),and the accumulation of heavy metals in the application of algae water restoration trend analysis.%由于藻类高的重金属富集能力、环境友好、修复效率高等特点,藻类被认为是理想的生物修复材料,并成为环境领域的研究热点.结合国内外藻类去除水体重金属的研究进展,介绍了各藻类生物吸附剂的分类,阐述藻类吸附和富集重金属机理,以及影响重金属吸附的主要因素(吸附时间、活体藻与非活体藻、微藻粒径、溶解性有机质),并对藻类富集重金属在水体修复应用的趋势进行分析.【期刊名称】《环境科技》【年(卷),期】2017(030)006【总页数】5页(P66-70)【关键词】生物修复;重金属;藻类【作者】郑蒙蒙;邵鲁泽;管幼青;周思齐;李非里【作者单位】浙江工业大学环境学院,浙江杭州310014;浙江工业大学环境学院,浙江杭州310014;浙江工业大学环境学院,浙江杭州310014;浙江工业大学环境学院,浙江杭州310014;浙江工业大学环境学院,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】X70 引言重金属污染在淡水生态系统日趋严重。
藻类去除水体中重金属的机理及应用
重金属污染是当今环境污染的一个主要问题，藻类是一种有效的去除水体中重金属的方法。
藻类去除水体中重金属的机理及应用如下：
藻类去除水体中重金属的机理主要有三种：吸附、沉淀和生物吸收。
吸附是指重金属离子
在藻类表面上形成一层薄膜，从而阻止重金属离子进入藻类体内；沉淀是指重金属离子在
藻类表面上形成沉淀物，从而阻止重金属离子进入藻类体内；生物吸收是指藻类体内的酶
将重金属离子吸收，从而阻止重金属离子进入藻类体内。
藻类去除水体中重金属的应用主要有两种：一种是生物技术，即利用藻类的生物吸收能力，将重金属离子从水体中吸收出来；另一种是生态技术，即利用藻类的吸附和沉淀能力，将
重金属离子从水体中沉淀出来。
藻类去除水体中重金属的机理及应用，为改善水体环境提供了一种有效的方法。
它不仅可
以有效地去除水体中的重金属，而且还可以减少对环境的污染，保护水体的生态环境。
因此，藻类去除水体中重金属的机理及应用，在改善水体环境中具有重要的意义。
藻类对重金属污染水体的生物吸附藻类对重金属污染水体的生物吸附：一、什么是藻类吸附？藻类吸附是指重金属在水体（如河流、湖泊等水质）中，以藻类为吸附剂，将其吸附后形成的一种效果。
藻类吸附技术是目前最常用的水体活性污染物除去技术形式之一。
二、藻类吸附的作用1.除去水体重金属污染：重金属离子不断污染水体，当藻类遇到重金属离子时，金属离子会与其结合，这样就可以将重金属离子吸附落实，降低这些重金属离子污染水体环境的程度。
2.吸附有害有机物：藻类也可以用作吸附一些有机物，如果这些有机物对人体造成危害，藻类的吸附作用也可以降低有害有机物对人体的污染程度。
3.对水体改善过程中发挥重要作用：藻类改善水体环境格外重要。
藻类可以从水体中积累化学元素，建立植物体组织，可以促进水体的恢复，减少污染物的浓度，从而让水体环境更加健康。
三、藻类吸附实践1.藻类的选择：决定吸附效果的核心是藻类的选择。
由于藻类的吸附特性各不相同，所以在取得良好的吸附效果时，必须有恰当的藻类的选择，以确保必须的水体污染物的有效除去。
2.水体环境因素：水体环境因素也是决定藻类吸附效果的重要因素。
对于水体温度、PH值、电导率、悬浮物等因素，都会产生相应的影响。
因此，在实践中必须考虑这些因素，将这些因素控制在适宜的范围之内，才能够获得更好的吸附效果。
3.藻类的取样：在吸附过程中，必须对藻类定期取样，以评估其吸附效果并调整处理方法。
除此之外，还需要对水体中重金属离子的变化情况进行定期监测，以便在一定时期内监测水体中重金属离子的最终数值。
四、藻类吸附的缺点1.藻类只有在一定浓度的重金属离子存在时，才能发挥出足够的吸附效用，所以在循环使用过程中会降低其吸附效率，使得环境污染更难以清除。
2.由于藻类有一定的生长周期，在一段时间内会暂时停止成长，这就减少了其吸附量，影响了吸附效率。
3.藻类的添加会使水体的PH值发生变化，从而影响重金属的溶解性，并且藻类本身也含有重金属，这也会影响藻类的有效率。
藻降解重金属的潜能摘要藻类在工业应用中可以降低生物燃料联合生产的成本。
在这些共同生产应用中，生物治理环境和废水变得越来越重要。
重金属污染及其对公共卫生和环境的影响，使人们开始广泛关注开发环境生物技术方法。
回顾藻类生物吸附和（或）中和重金属离子的毒性作用的潜能的研究，主要集中在藻类的细胞结构，预处理，改性以及在生物吸附性能中遗传工程的潜在应用。
我们对预处理，固定和影响生物吸附能力的因素进行了评估，如初始金属离子浓度，生物质浓度，初始pH，时间，温度和多金属离子的干扰，并且引入分子工具开发具有较高生物吸附能力和选择性的工程化藻类菌株。
由此得出结论，以上所提及的参数可以生产出具有高生物修复潜能的低成本微型和大型藻类。
1. 引言重金属离子如铅，铜，镉，锌和镍作为工业废水中的常见污染物，这些导致了对自然环境的污染。
残留的营养物质和重金属离子的工业废水对农业、河流、湖泊和海洋的污染也是很严重的。
重金属离子在食物链中的生物吸附和积累会传给人类，造成严重的健康问题。
重金属离子即使在低浓度下也可能对人体有毒。
例如，铅是剧毒的，会对神经系统，肾脏以及维生素D代谢紊乱从而对身体造成损害，尤其是儿童。
镍化合物是已知的致癌物，长期暴露于镉相关的环境中会导致肾损害，骨矿物质损失，骨折风险增加，肺功能下降。
探索有效处理废水的创新手段，可进一步保护全球淡水资源和水生态系统。
基于藻类的废水处理和环境生物技术在五十多年的工业污染治理和研究中发挥着重要的作用。
为了降低处理成本，从处理的废水中回收贵金属如金和银，以及从水溶液中提取铀等放射性元素都具有一定的经济效益。
然而，处理含有重金属离子的废水是一个巨大的经济挑战。
从废水中去除重金属离子的主要物理化学方法包括化学沉淀、离子交换、电动法、膜处理和吸附。
化学工业规模的高成本和重金属离子的清除不完全是物理化学方法发展的主要限制因素。
此外，越来越严格的规定和限制排放到环境中的排放物需要使用替代方法。
藻体对水环境中N、P及重金属Cu2+、Pb2+、Cd2+、Cr6+的吸附特征研究摘要：水环境中的污染物对生态系统和人类健康带来了严重的威胁。
本研究通过对藻体进行实验室吸附实验，探究了藻体对水环境中氮、磷以及重金属铜、铅、镉、铬的吸附特征。
实验结果表明，藻体对这些污染物的吸附性能存在一定的差异，但总体上表现出对这些污染物的吸附能力。
这些研究结果对于水环境污染的治理具有重要的参考价值。
1. 引言水资源是人类生存和发展的重要基础，但由于人类活动的增加，水环境污染问题日趋严重。
其中，氮、磷和重金属污染物是造成水体富营养化和毒性的主要因素之一。
藻类作为一类常见的生物类群，在水环境中起着重要的生态作用。
本研究旨在探究藻体对水环境中氮、磷和重金属污染物的吸附特征，为水环境污染治理提供科学依据。
2. 实验方法选取常见水生藻类作为研究对象，采集并处理藻体样品。
同时，准备好一定浓度的含有氮、磷以及重金属铜、铅、镉、铬的溶液作为实验样品。
在实验室条件下，将藻体样品与不同浓度的溶液进行接触，一定时间后，采集液体样品进行分析。
3. 实验结果实验结果表明，藻体对水环境中的氮、磷和重金属污染物的吸附能力有所差异。
在氮和磷的吸附实验中，藻体对这两种养分的吸附能力较强，随着初始浓度的增加，吸附能力有所提高。
而对于重金属污染物，藻体对Cu2+的吸附较强，其次是Cd2+和Pb2+，对Cr6+的吸附能力相对较低。
4. 讨论与分析这种差异可能与污染物的性质及藻体的生物化学特性有关。
氮和磷是藻类生长的重要营养元素，藻体能够主动吸收并利用它们。
而重金属污染物则具有毒性，其对藻体生理功能的影响较大，因此藻体对重金属的吸附能力相对较强。
此外，藻体表面的功能性羟基和胞外多糖也可能参与了污染物的吸附作用，进一步提高了藻体对污染物的吸附能力。
5. 结论本研究结果表明，藻体对水环境中氮、磷和重金属污染物的吸附能力存在差异，但总的来说，藻体对这些污染物都具有吸附能力。
藻类吸附法去除废水中的重金属作者：何子常;吴锐坤来源：《价值工程》2010年第06期摘要:介绍了藻类吸附法处理重金属废水的研究现状, 讨论了不同藻类的预处理方法和吸附能力, 总结了藻类吸附水中重金属的效果、影响因素、机理和规律, 展望了藻类在重金属废水处理中的应用前景。
Abstract: Current research of Wastewater Treatment with Algae adsorption is introduced and the pretreatment of different algae and adsorption capacity are discussed with the effect of algae adsorb heavy metals, influencing factors, mechanism and laws of the prospect of algae in the heavy metal are summed up in the paper, finally, wastewater treatment application prospects are looked ahead.关键词:藻类;生物吸附;重金属;废水Key words: algae;biosorption;heavy metals;waste water中图分类号:S70文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)06-0060-010引言藻类大致可以分为褐藻门、蓝藻门、红藻门、绿藻门四个门类及墨角藻属、囊叶藻属、鞘颤藻属、马尾藻属、松藻属、乳节藻属、巨藻属、昆布属、海带属、小球藻属、角叉菜属、螺旋藻属、红皮藻属、刚毛藻属等属类。
藻类的细胞壁由多糖、蛋白质和脂类组成,具有粘性, 带一定的负电荷,可提供氨基、酰氨基、羰基、醛基、羟基、硫醇、硫醚、咪唑、磷酸根和硫酸根等官能团与金属离子结合。
辽宁大学学报 自然科学版第27卷 第3期 2000年JOU RNA L O F LIA ONING UNIV ER SIT Y Natu ral Sciences Edition Vol.27 No.3 2000重金属对藻类的毒性作用研究进展 姜彬慧1,林碧琴2(1.东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110006;2.辽宁大学生物系,辽宁沈阳110036)摘 要:从四方面分析了藻类与重金属的相互作用,提示重金属污染对水体危害十分严重,而利用藻类净化重金属废水具有重要的意义.关键词:重金属;藻类;毒性作用.中图分类号:Q949.2 文献标识码:A 文章编号:1000-5846(2000)03-0281-07在水生系统及水生食物链中,作为其他浮游动物的食物及氧气来源,藻类占据着重要位置,起着重要的作用.以各种途径进入自然水体中的重金属,对水生浮游动物的毒害作用在国外已被人们广泛注意到.早在30年代,对藻类与金属的关系的研究就已开始;30年代到50年代的研究主要集中在金属对藻类营养方面的作用,50年代以后,重金属对藻类的毒性作用才开始引起人们的重视,其中研究最多的是Cu对藻类的毒性作用[1,2].从60年代中期到现在,关于藻类与金属相互作用的生理学、生物化学、毒理学及遗传学方面的研究取得的成就最大,这是实验技术迅猛发展的结果[3].本文通过单一重金属对藻类的生长、繁殖、生理生化功能的影响、几种重金属对藻类的综合作用、藻类对重金属的反应及影响重金属毒性的环境因素等四方面的分析,旨在提示重金属污染对水体危害是十分严重的,而利用藻类净化含重金属废水具有重要的意义.1 重金属对藻类的毒性作用1.1 单一金属对藻类的影响1.1.1 重金属对藻类生长、繁殖的影响在国外,关于单一金属对藻类生长、发育、细胞形态结构、繁殖等影响的研究已有许多报道[4—8].其中Rai所作的工作较多,他总结了不同金属在不同浓度下对不同藻类的毒性作用.在国内,况琪军、夏宜 [9]对几种重要金属(Hg、Cd、Cu、Pb、Ni、Zn)对藻类的致毒作用加以概述.一般来讲,几种重要金属对水生生物的毒性强弱顺序为:Hg>Cd≈Cu>Zn>Pb>Co >Cr.但这不是绝对的,不同的藻类对金属离子的毒性反应顺序可能有变化.Erich(1986)收稿日期:2000-03-18 作者简介:姜彬慧(1962-),女,辽宁沈阳人,硕士,讲师,从事环境工程微生物教学和研究工作282辽宁大学学报 自然科学版 2000年 第3期利用Pb、Cu、Cd、和Hg对5种小球藻的生长限制试验结果表明:4种金属的毒性顺序为: Hg>>Cu>Cd<Pb.但这种结果很大程度上是受培养基中的化合物和pH等影响,尤其是受磷酸盐和氯化物的浓度及螯合因子的影响.我们曾以不同浓度Ni3+、Cr6+、Ag+分别处理纤维藻,结果表明,Ag的毒性远远大于Mi和Cr,Ni、Cr、Ag3种金属对纤维藻的半数有效浓度分别为Cr6+3.4mg/L、Ni2+0.33mg/L、Ag+0.11mg/L.Hutchinson[10]对小球藻的研究也表明金属毒性大小为Ag>>Cd>Ni>Pb>Cr.在已研究的金属中,Cu和Zn是很特殊的,它们起着双重作用,既为生物代谢必须的微量营养元素,又是一种高毒的重金属,一旦超过了有益的浓度,它们对藻类的生长就产生较大的毒性作用,Prask和Plocke(1987)证明Zn在保持蛋白核的完整性方面起着重要的作用,他们发现:在缺Zn的条件下,裸藻蛋白核便消失,当添加Zn之后,蛋白核又恢复.但高浓度的Zn能抑制藻类的生长,降低叶绿素含量及光合作用.痕量的Cu是藻类代谢过程中所必须的,但高浓度的Cu对藻类具有毒害作用.Cu是一种强烈的细胞代谢抑制剂.某些Cu化合物(含CuSo4)被用作为杀藻剂(作为控制和防止水华的除藻剂).用含Cu0.05mg/L的溶液培养海洋藻类观察到最初几天细胞数迅速降低,其后分裂速率略有增加,但在实验开始7天后仍低于对照30%～40%.斜生栅藻在第4天细胞分裂就完全停止,且明显出现褪色.重金属元素Cd、Pb、Ni、Hg等对淡水藻类的影响主要表现为:改变运动器的细微结构,使核酸组成发生变化;影响细胞生长和缩小细胞体积等[11].Pb和Cd这两种金属的生态毒理学目前还很少研究.它们对藻类的致毒机理尚不十分了解,但有许多报道表明,Pb在藻体内积累.Rivkin(1979)指出在0.05～10mg/L Pb中生长的骨条藻,它的生长率、最高产量和细胞呼吸作用均有不同程度的下降;相反,细胞体积和每个细胞的光合作用强度增加.Ni对纤维藻细胞生长的抑制作用原因是一方面Ni可能与Zn、Cu、Fe、Mn等微量元素之间存在着拮抗作用[12],另一方面Ni与蛋白质、氨基酸、DNA和RNA结合,阻碍细胞分裂,破坏DNA结构[13].Cr对细胞产生毒性的原因是Cr可与一SH结合,破坏蛋白质结构,沉淀核酸、核蛋白、干扰酶系统,同时六价铬的强氧化能力对DNA具有损伤作用[14].林碧琴、张晓波[15]研究表明Cd对羊角月芽藻毒作用的半数有效浓度96h E C50为0. 83mg/L CdCl2,Cd浓度超过0.75mg/L羊角月芽时生长明显受抑制,1mg/L的CdCl2使其生长的滞缓期延长,2mg/L的CdCl2使细胞停止生长,96h出现死亡.3mg/L的CdCl2作用24h,细胞出现死亡.姜彬慧、林碧琴[16]在研究Ni对纤维藻毒性作用时指出纤维藻对Ni毒反应敏感,当NiCl2浓度大于0.4mg/L时,纤维藻的生长受到明显抑制.董庆霖、林碧琴[17]观察到PbCl2对羊角月芽藻生长的影响有双重性,低于38.5mg/L PbCl2能促进藻类生长,高于38.5mg/L的PbCl2抑制羊角月芽藻生长,羊角月芽藻对铅有较强的耐毒性,半数有效浓度为73.2mg/L PbCl2.1.1.2 重金属对藻类生理、生化功能的影响重金属对藻类生理生化功能影响的研究侧重于藻类的光合作用和碳代谢方面,有关藻类的DNA、RNA、蛋白质合成及酶活性等方面也有些报道.Fillippis [18]报道在藻类培养基中添加HgCl 2之后,小球藻的RNA 、DNA 及蛋白质与同样条件下的水平相比有所提高;相反,添加醋酸苯汞脂则引起RNA 、DNA 和蛋白质的水平下降,他们还发现:(同样条件下)小球藻的干重大量增加,这可能是由于乙醇酸盐的排泄途径受阻所致.林碧琴、张小波[15]试验表明:在非致死浓度范围内(0.25～1.5mg /L CdCl 2)随Cd 浓度增加其DNA 酶、脱氢酶、过氧化物酶活性受到强烈的影响.细胞分裂、光合放氧和细胞膜透性受到强烈抑制.重金属影响酶活性的机理:一种可能是由于重金属的作用使作为酶的辅助因子的金属离子的吸收和利用受阻;另一种可能是重金属与酶蛋白的某些结合形成螯合物,使酶的结构与构型发生变化而影响酶的活性.Davies [5]观察到,Hg 浓度为10mg /L 时,使杜氏藻形成巨细胞,而不进行分裂.他认为这是由于生长和分裂解偶联,抑制了蛋氨酸的合成.Davies 和Sleep [19]证明:较低浓度的Zn 抑制海生浮游植物的天然群落的光合作用.Zn 还能导致细胞膜透性增加,使电解质漏失;高浓度的Zn 抑制各种藻类生长、并使叶绿素含量下降,以致类胡萝卜素与叶绿素的比例失调.姜彬慧、林碧琴[16]报道,当Ni 2+浓度≥0.4mg /L (Arkistr odesmas sp .)的生长受到明显抑制,其生长滞期延长、光合作用受阻、细胞膜透性增加.当Ni 2+浓度为3.2mg /L 时,其蛋白质氨基酸的含量明显下降.孔繁翔[20]在研究不同浓度的Ni 、Zn 、Al 对羊角月芽藻的生长速度、蛋白质含量、ATP 水平、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G 6PDH )、酸性磷酸酶及硝酸还原酶活性的影响试验表明,3种金属离子在所试浓度范围内对羊角月芽藻的生长速度均有抑制作用.但单位藻培养物中蛋白质随着金属离子浓度的增加而增加;高浓度金属离子对酶活性有明显抑制作用;藻细胞中ATP 水平随着金属离子浓度的增加而下降,说明重金属离子的存在会导致藻细胞内能量代谢的变化,他提出重金属离子对藻类产生影响的机理可能是:高浓度重金属离子的存在,打破了生物最佳的各种营养元素(氮和磷等)生物可利用性的平衡.1.2 几种重金属对藻类的综合作用无论是人工培养液还是天然水体中,重金属的种类和数量都不可能是单一的和固定不变的.各种水生生物,包括藻类,常常受到多种金属联合作用的综合影响.联合作用的效应分4种类型:即拮抗作用(Antigonystic effect )、协同作用(Synergistic effect )、相加作用(Ad -ditive effect )、致敏作用(Sensibilization ).Davi Prasad [12]用Cd 、Pb 和Ni 分别组合处理纤维藻,结果,Ni +Cd 、Cd +Pb 混合使用时比单独使用更易刺激藻体生长,所以它们的联合效应为拮抗作用.Rai [21]等研究了Cr 与Ni 、Pb 间相互作用对灰色念珠藻(Nost misoor um )的生长、光合作用、硝酸盐的吸收和固氮酶活性等的影响时,表明Cr +Ni 、Cr +Pb 对该藻生长的联合作用均为拮抗作用,但Cr +Ni 的拮抗作用仅维持到培养72h ,随后则表现为协同作用.Ni 和Pb 混合使用的影响与它们单独的影响没有多大差别.沈德中[22]指出Cu 、Ni 、Pb 、Zn 4种重金属对水田土壤藻类的综合效应表现为使土壤藻283姜彬慧,等: 重金属对藻类的毒性作用研究进展284辽宁大学学报 自然科学版 2000年 第3期类的种群结构发生改变,蓝藻数量减少,硅藻数量或增加或减少,视条件而定,裸藻成为优势种.在土壤—藻类体系中重金属临界值分别为Cu50mg/kg、Ni50mg/kg、Pb150mg/kg,Zn 为300mg/kg.我们用Ni+Cr、Ni+Ag、Cr+Ag分别组合处理纤维藻,结果发现,Ni+Cr各以0.1mg/L 混合使用时,比单独作用时更抑制纤维藻的生长(抑制率为79.5%);这种趋势还出现在较高的浓度中,1.0mg/L Ni+Cr时对纤维藻的抑制率为100%;而Ni+Ag,各以0.1mg/L 混合使用时对纤维藻的抑制率即为100%;Cr+Ag,各以0.1mg/L混合使用时,其抑制率为65%,当各以1.0mg/L混合使用时,抑制率达100%.说明Ni+Cr、Ni+银的联合效应为协同作用,而Cr+Ag的联合效应为相加作用.1.3 污染物对天然浮激藻类群落的影响藻类群落的种类构成和生物量的不同对污染物的效应也有差别,如,Patin等人, (1974)在里海西部某一区域的沿岸水体中对Exuviaella cordata、水花蓝针藻(Aphanizomenon floaquae),Thalassiosiro caspica和距端根管藻(Rhizonsolenia calcaravia)进行24h短期实验,结果表明在低浓度下,石油刺激单细胞藻类的生长,在0.05～0.5mg/L时,出现系列的抑制作用.当DDT的浓度由0.001mg/L上升到0.1mg/L时,其抑制效应逐渐增加;0.005～0. 01mg/L的Hg、Cu、Pb的Cd强烈地抑制了初级生产作用,当汞的浓度为0.005mg/L时,碳的同化作用实际上已不存在了.Cu、Cd和Pb在相同的浓度下抑制了光合作用强度,使之仅达到对照值的30%～80%.Tomphins和Bilinn(1976)观察到,Hg的亚致死浓度对浮游硅藻能引起明显的形态变化,不是正常的8～16个细胞组合的星形群体,而是形成20～30个细胞堆积成的圆柱状群体.Paatrick等人(1975)记录到,当实验河流中存在0.002～1.0 mg/L Ni浓度时,藻类的种类组成发生变化,即硅藻种类的多样性和丰度减少,绿藻与蓝藻的丰度增加.总之,最常见的毒物对天然浮游藻类群落的效应和相对毒性一般与单种培养所得结果无明显差异.在多数情况下,使天然浮游群落光合强度降低的毒物浓度低于单种培养实验的浓度.天然浮游藻类对毒物有较高的敏感性可能是与群落的种间关系相互影响有关.天然浮游藻类对毒物的效应除与环境因子有关外,还与它的种类构成特性有关.与污染物作用时间长短、污染物的浓度高低有关[23].2 藻类对重金属的反应2.1 藻类对重金属的吸收和积累许多水生藻类可从它们周围环境中吸收溶解的金属,这种现象在废水处理方面很有应用价值.许多学者研究了藻类对可溶性金属吸收的动力学机制,发现藻类对金属的吸收是分二步的:第一步,是被动的吸附过程(即在细胞表现上的物理吸附或离子交换)藻类对金属的这种吸附过程是迅速的,其发生的时间极短,不需要任何代谢过程和能量提供,重金属只是简单地被吸附到藻细胞表面上.这些金属有一部分可以藻类细胞上经蒸馏水的反复清洗而洗掉[24].有关重金属在死藻细胞上的吸附现象也有过报道.这就更说明了吸附是无需代谢参与的.Clooschenlco[25]发现,用甲醛处理过的硅藻Chaetoceros costatum细胞吸附Hg 的量是未处理细胞的2倍.他认为用甲醛溶液处理细胞增加了藻细胞表面的正电荷,Hg 在水中是以负电荷化合物存在的,所以甲醛的处理增加了细胞对Hg 的吸附.第二步:可能是主动的吸收也就是与代谢活动有关的吸收,这一吸收过程是缓慢的,是藻细胞吸收重金属离子的主要途径.Cadd 和Griffiths [7]强调指出:与那些代谢或依赖于能量的吸收过程相比,藻类细胞对金属离子的被动的吸附量是很低的.同样,Fujita 和Hashizumdl [24]报道肘状针杆藻(Synedra ulna )以吸附作用进入体内的Hg 量仅为吸收总量的20%.Davies [26]指出:Phaeodactylum tri -cornutum 对Zn 的吸收过程如下:细胞表面的吸附、扩散吸收、Zn 对细胞内蛋白质的束缚.Stokes [27]提出藻细胞对各种金属的吸收率与金属对藻细胞的毒性大小有密切相关.他指出几种因素,尤其是藻细胞老幼,培养时的通气状况、温度、pH 、螯合剂及其它金属的存在等,均明显地影响细胞对金属的吸收.Bowen (1966)发现藻类可积累许多金属元素,它们对金属的结合一方面可能是生物对微量元素的利用;另一方面也可能是相对缓慢的、长期的随意积累(被动积累).董庆霖和林碧琴[17]的研究指出:羊角月芽藻吸收并富集Pb 的能力很强,在PbCl 2浓度低于38.5mg /L 对其生长尚未造成毒害时,细胞内就能大量富集Pb .这些Pb 可沿食物链向更营养级转移,造成潜在的危险,但另一方面,我们又可以利用羊角月芽藻的这一特点来消除废水中Pb 污染.Ste wart (1977)认为藻类对Pb 的高忍耐力,可能是由于Pb 离子容易从细胞壁的排出或高浓度的Pb 易从溶液中沉淀所致.笔者曾研究过纤维藻对不同浓度Ni 的吸附与吸收作用,结果表明纤维藻对Ni 的吸附量及吸收作用在同一培养时间内,随着Ni 浓度的增加而增加,表现出明显的正相关r =0.99(P <0.01),纤维藻细胞对Ni 的富集能力较大,其累积系数高达382.2.2 藻类对金属的抗性和耐受性从受重金属污染的环境中分离得到的几种藻类已证明了藻类对金属具有抗性和耐受性.藻类对金属的耐受性的机制可能包括细胞对金属的外排作用、及各种细胞的内解毒作用.Foster [28]指出:小球藻(Chlorella )对金属的耐受机制是外排作用.他指出:耐受细胞与非耐受细胞含Cu 浓度是相同的.如果细胞内部存在降毒作用机制的话,那么在耐受细胞中应含有更多的Cu .Butler 等[19]假设:外排作用是由于Cu 和细胞外物质化合的结果.Hall [30]指出耐受的和非耐受的藻类细胞都可释放细胞的外产物来束缚Cu ,但这和耐受作用没有相关性.小球藻Chlorella 对Cu 的外排作用是由于释放有机螯合物,这种物质与Cu 形成一种有机—金属化合物,与非耐受种相比,它们具有极高的稳定系数.Stokes [27]从不同途径证明了耐受栅藻(Scenedesmus sp .)的细胞对Cu 的内吸收是缓慢的,这表明耐受细胞能降低膜对Cu 的渗透作用.Silverbery 等[11]用电镜观察栅藻细胞,发现在耐受细胞中有核外化合物存在.通过X -射线扫描分析指出:这些化合物明显是由核排除的,并可在核膜上看到有小孔存在.非耐受细胞也有这种内含物存在,但却伴随着极强的核膜损伤.他在核内发现Cu ,且在细胞质中发现在液泡中存在许多非正常的含Cu 沉淀物,这说明细胞核是一个Cu 的解毒位点.285姜彬慧,等: 重金属对藻类的毒性作用研究进展286辽宁大学学报 自然科学版 2000年 第3期3 影响重金属对藻类毒性的环境因素重金属对藻类的毒性作用受各种环境因素直接或间接的影响,其中主要的环境因素有水中的酸碱度(pH值)、温度、光照、磷酸盐及螯合剂等.水中的pH值和氧化还原电位势是影响水中金属迁移转化的两个重要的理化因素.温度是环境中金属离子浓度和金属对藻类毒性的调节因素之一.至今研究表明:磷在降低Zn、Cu、Hg、甲基汞、Fe、Ni等对不种的蓝藻、绿藻、硅藻的毒性方面起着重要的作用.另外藻类本身的群落密度也影响着重金属对藻类的毒性.Williams(1976)发现,分裂旺盛的衣藻和小球藻群落只吸附少量的137Cs,而较大的细胞和较密集的群落能吸附大量的137Cs.[参考文献][1] Spencer C P.J Gen Microbiol[J].1951,16:228.[2] Mcbrien P C H.Phy siol Plant[J].1965,18:1959.[3] Stokes P M.Responses of freshwater algae to metals[J].Progress in phycological Research(Round/Chapman,eds),1983,2:87-97.[4] Whitton B A.Toxicityofheavymebal to algae[J].A review.Phykos,1970,9:116-125.[5] Davies A G Sleep J A.J Mar B iol Ass o UK[J],1976,56:39-57.[6] 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110036,ChinaLING BinqingDe partme nt of Environmental Scie nce ,Liaoning Unive rsity Shenyang 110036,ChinaAbstract The interaction between algae and heavy metal was discussed in four aspects .Due to the seriously har mful effects of heavy metals on water body ,it is very important to purify heavy met -als polluted wastewater with algae .Key Words heavy metals ,algae ,toxicological effects .(编辑 崔久满)287姜彬慧,等: 重金属对藻类的毒性作用研究进展。
藻类对重金属的耐性与解毒机理
重金属是一类具有潜在危害的重要污染物,越来越多的重金属被排入水体,对水生生态环境构成严重威胁.藻类在长期响应重金属胁迫过程中,建立起一系列的适应机制.藻类通过控制重金属的吸收,富集,转运与解毒,使不同细胞组分中的重金属维持在正常浓度范围内.这些保护机制主要包括藻细胞的某些胞外组分与重金属结合,从而减少重金属进入胞内;在重金属诱导下藻细胞可合成金属结合蛋白或多肽;重金属诱导藻细胞合成一些代谢物使其免受伤害或修复由重金属胁迫造成的损伤;藻细胞通过液泡区室化作用使重金属远离代谢;藻细胞对重金属具有排斥与排出作用.。
蓝藻对重金属的吸附作用研究金螳螂建筑与城市环境学院 08级园艺(城市园艺)朱怡航 0841405023在现代工业发展的同时，人类向环境排放的含重金属的废水也日益增多，这既污染了土壤与水体环境，也威胁到人类自身的健康。
在众多的重金属废水处理方法中,生物吸附是最有效并且最有前途的方法之一。
与传统的物理、化学方法如沉淀法、螯合树脂法、高分子捕集剂法、天然沸石吸附法、膜技术、活性炭吸附工艺、离子交换法等[1,2]相比，生物吸附更适合处理高、低浓度金属离子的水体;不产生二次污染；具有更好的选择性;并且原料廉价易得，分布广，易收集。
用于生物吸附的原料主要有细菌、真菌、藻类及其代谢产物以及多种有机物如淀粉、纤维素、壳聚糖等。
生物吸附剂的来源是影响其制造成本的最重要的因素[3]。
许多藻类具有富集重金属的能力，其吸附性能往往比其他生物高。
蓝藻在世界上分布极为广泛,在淡水、海洋和陆地上都能找到蓝藻的踪迹，许多种类还能生长在极端环境下，具有很强的抗逆性。
蓝藻丰富的生理生化特性及强大的抗逆性决定了其吸附特性有别于其他藻类，因此，蓝藻在对重金属的吸附研究中具有不可替代的地位。
蓝藻对重金属的吸附原理一般认为，蓝藻对重金属的吸附与细胞壁的性质以及吸附效率很大程度上相关，这是由于蓝藻细胞壁带有负电荷，具有许多官能团如羟基、羧基、酰胺基等供金属离子结合，并且具有较大表面积。
一些没有细胞壁的藻类对重金属吸附作用弱小也证明了这一点。
蓝藻细胞通过电信号对重金属离子做出响应，其响应灵敏度随离子重金属种类而异[4]，若能建立藻细胞对常见重金属的响应模式和数据库，则可有效预警早期水污染和预防突发性水污染事故。
蓝藻细胞壁的成分与细菌相似，主要是两种肽聚糖：N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸。
李建宏等研究了极大螺旋藻( Spirulina maxima) 对金属离子的吸附作用，表明主要是细胞壁多糖在起作用[5]。
蓝藻还能通过液泡化吸附重金属，并抵御重金属的毒害。
有报道指出，衰老的蓝藻细胞形成液泡，并认为，形成液泡是一个细胞濒临死亡的标志[6]。
但李志勇的研究认为死的藻细胞比活的藻细胞具有更强的吸附能力[7]。
死细胞多破碎，使内部官能团暴露而结合金属离子，细胞膜失去选择性使金属离子更易通过。
赵玲等对海洋原甲藻的研究也证实了这一点，同时也证明了藻细胞对金属离子的吸附，主要是多糖的吸附作用，多糖与金属离子的结合主要是通过多糖的-OH和-CONH2，与金属离子进行络合作用[8]。
蓝藻对重金属的吸附性能目前用于重金属生物吸附研究的蓝藻主要有螺旋藻(Spirulina)、鱼腥藻(Anabaena)、微囊藻(Microcystis)、念珠藻(Nostoc)、席藻(Phormidium)和聚球藻(Synechococcus) 等[]。
姜闻新等研究了铜绿微囊藻对Pb2+和Ni2+的吸附作用，表明铜绿微囊藻对Pb2+和Ni2+都有吸附作用, 且对Pb2+的吸附效果远大于Ni2+[9]。
张秀红等对螺旋藻对Hg2+的吸附性能研究表明，汞离子浓度的升高，藻的吸附效率下降。
当pH为6时，吸附效率最大。
随着pH 在3~6 之间的增大，吸附效率逐渐上升，达到最大值56.12%[10]。
由于使用了藻粉复水作为试验材料，一方面使得藻体细胞吸附表面增大并维持溶胀状态，对吸附有明显帮助，可以使藻粉迅速达到最高的吸附效率；另一方面也说明蓝藻作为商品化生物吸附剂的可行性。
周文彬在铜绿微囊藻培养过程中加入Cd2+，48h后检测Cd浓度表明随着培养基中Cd浓度逐渐增加，细胞内Cd含量也随着增加。
Cd浓度在培养基中达到2和4 µM， 48 h后细胞内Cd含量显著增加[11]。
将鼠尾藻(Sargassum thunbergii)暴露在不同质量浓度Zn2+和Cd2+溶液里40 d,和暴露20 d 后,移入自然海水恢复20 d，藻体内的金属离子质量浓度均显著降低,但是均显著高于暴露前浓度[12]。
说明了鼠尾藻对Zn2+和Cd2+有较强的吸附能力，这为检测海洋环境重金属污染，修复受污染的海洋水体奠定了理论基础。
蓝藻除了能吸附水体中的重金属外，通过一定的方法，还能从藻细胞中解吸回收重金属。
邓莉萍研究了非活体刚毛藻对水体中重金属Cu2+、Pb2+和Cd2+的吸附影响因子，发现吸附过程的最佳pH值为 5.0，25℃时，刚毛藻对Cu2+、Pb2+和Cd2+的最大吸附容量分别为1.61mmol/g、0.96 mmol/g和0.98 mmol/g，且吸附过程为吸热反应。
解吸试验表明，用EDTA 可以对重金属进行回收，刚毛藻可以循环利用[13]。
结果表明，刚毛藻是一种高效、经济实用的重金属生物吸附材料。
刘建英研究了乙酸根和柠檬酸根对钝顶螺旋藻吸附Cu2+和Cd2+的影响，发现乙酸根和柠檬酸根都是钝顶螺旋藻的解吸附剂，乙酸根对Cd2+的解吸附能力比对Cu2+的解吸附能力强，而柠檬酸根则正好相反[14]。
许多报道中对于重金属吸附性能的测定都是采用杀死或滤去藻体，测定剩余溶液中重金属浓度并与起始浓度比较的方法，也有用ICP—AES(inductively coupled plasma atomic emission spectrometry)(PerkinElmer instruments，Optima 2000DV)分析细胞内镉含量(周文彬)。
相比较前者的方法对于蓝藻作为污水处理的吸附剂的效果而言更为直观，而后者的方法则更加注重吸附机理的研究。
展望利用蓝藻这种特殊的生物材料作为处理重金属污染的工具，在提倡发展集约型社会的今天有着广阔的发展前景。
蓝藻生物吸附材料的研究不仅是处理重金属污染的热门课题，也是利用水华元凶——蓝藻处理水体污染，变废为宝的不二选择[15,16]。
然而，目前许多有关于蓝藻吸附重金属的方法还处于研究阶段，在吸附剂应用方面还有很多限制，还需要许多进一步的实践性研究。
在利用蓝藻的同时，对蓝藻吸附重金属的探究应该加重吸附机理和对单一金属的特异性吸附方面的研究，如通过扫描电镜研究重金属在细胞内的富集部位[17]，通过研究细胞壁的成分来确定细胞壁对重金属种类的吸附偏好，从而建立相关的吸附模型和数据库，为高效处理特定重金属污染提供可行方法。
另外，活体生物吸附和非活体生物吸附相比，前者有较多的局限性，主要表现在重金属中毒[18,19,20]、产生死体和细胞自溶等。
因此为了防止重金属在水体环境中富集，尤其要注意吸附剂的使用时限，同时严格制定生物吸附剂产品的标准用以监控产品质量。
我们应该在利用生物吸附剂处理重金属污染的同时，加入一定的物理、化学手段以达到更佳的处理效果。
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