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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。
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。
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。
3.微藻修复水体中重金属的机理微藻修复水体中重金属的机理实为微藻对重金属的生物吸附。
3.1其主要过程：胞内的结合与沉淀胞外的吸收与转化1）微藻细胞内的金属络合物研究表明，重金属能诱导高等植物合成螯合重金属的蛋白，同超富集高等植物一样，金属硫蛋白（MT）、植物螯合肽（PC）等重金属结合蛋白也陆续在藻类中发现.藻类通过诱导产生金属络合物把有害的离子形式转变为无害的蛋白结合形式，从而能够耐受环境中的重金属。
（藻类中也含金属硫蛋白（MT）、植物螯合肽（PC）等重金属结合蛋白，将有害的离子形式转变为无害的蛋白结合形式，）2）胞外产物的吸附作用除了细胞壁的特殊结构外，藻类通常还会向周围水体中排泄或分泌大量有机物藻酸盐，藻类胞外产物主要由糖类、果胶质等大分子物质组成•与细胞壁内的有机物一样，该胞外产物也能络合金属离子，即通过与重金属形成缔合物或络合物，附着在群体细胞的胶质外鞘上被改变形态，使金属离子不能进入细胞内部，从而降低污水中游离态的重金属离子含量，实现解毒功能。
（藻类胞外产物：藻酸盐。
与重金属形成缔合物或络合物，附着在群体细胞的胶质外鞘上被改变形态，使金属离子不能进入细胞内部，从而降低污水中游离态的重金属离子含量。
藻酸盐是由B -D甘露糖醛酸(M)及a -L -古洛糖醛酸(G)两种酸性单糖无序排列的线型缩合高聚物。
其中所含的羟基、氨基、羧基等在络合中起重要作用。
COGHCa) 露糖醉残墓(M)HO(b) a-L^古洛糖醛酸残基(G))表面络合作用32物理化学作用:离子交换氧化还原微沉淀物理吸附1)微藻细胞结构与功能的相适应性：①藻类细胞壁是由纤维素、果胶质、藻酸铵岩藻多糖和聚半乳糖硫酸酯等多层微纤维组成的多孔结构(有利于物理吸附)，具有较大的表面积。
②细胞壁上的多糖、蛋白质、磷脂等多聚复合体给藻类提供了大量可以与金属离子结合的官能团（如氨基、硫基、巯基、羧基、羰基、咪唑基、磷酸根、硫酸根、酚、羟基、醛基和酰氨基等）这些官能团能合理排列在具有较大表面积的藻类细胞壁上，与金属离子充分接触.其中有些可以失去质子而带负电荷，靠静电引力吸附金属离子进行离子交换；有的带孤对电子，可与金属离子形成配位键而络合吸附金属离子。
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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敏,镍,锌,铝对羊角月芽藻生长及酶活性影响研究[J],环境科学学报,1997,17:193—197.[21] Ray H Crist Karl Ober hoiser ,Dwight Schwartz et al .Interactions of Metals and Protons With algae .EnvironSci Technol [J ],1988,22:755-760.[22] 沈德中,王宏康,铜,镍,铅,锌4种重金属对水田土壤藻类的综合效应[J ],中国环境科学,1994,14:277—282.[23] 林碧琴,姜彬慧,藻类与环境保护[M ],沈阳:辽宁民族出版社,1999.[24] Fujita M L and Hashizume ,Water Res [J ],1975,9:889.[25] Glooschenko W A .j Ph y col [J ],1969,5:224.[26] Davies A G .In Rulicactive Contamination of the Marin Environ ment [J ],1973,403-420Seattle .[27] Stokes P .Utake and accumulation of Cu and Ni by metaltolerant Strain of Scenedes mus ,Verh Int Ver Limnol[J ],1975,19:2135-2128.[28] Foster P L .Copper exclusion as a mechanis m of heavy metal tolerance in a green alga [J ].Nature ,1977,269:322-323.[29] Butler M et al .Plant cell Environ [J ],1980,3:119.[30] Hall A et al ,Mar Biol [J ],1979,54:195.Toxicological Effects of Heavy Metals on AlgaeJIANG BinhuiA cade my of Resource and Civil Engineering ,Northeast Unive rsity Shengyang 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.。
藻类在环境污染治理中的应用及其作用原理藻类是一类广泛存在于水体中的微生物，具有高生物群落多样性和生物活性，可以有效地处理环境污染问题。
下面将从藻类在水体富营养化治理、重金属治理和废水处理等方面的应用及其作用原理进行详细介绍。
首先，藻类在水体富营养化治理中的应用。
水体富营养化是指水体中氮、磷等营养物质过多积累，导致藻类大量繁殖，形成藻华。
藻类通过光合作用可以吸收大量的营养物质，并将其转化为植物生长所需的有机物和氧气。
同时，藻类可以将水体中的有机有毒物质转化为无毒物质，达到净化水体的效果。
此外，藻类还可以通过高密度生物反应器等方法有效去除水体中的营养物质。
通过这些方式，藻类可以减少水体中的富营养化现象，恢复水体的生态平衡。
其次，藻类在重金属治理中的应用。
重金属是一类有害物质，具有累积性和毒性，对人体和其他生物产生严重的危害。
藻类可以通过吸附、离子交换和还原等作用去除水体中的重金属污染物。
藻类表面具有丰富的官能团，可以有效吸附重金属离子，降低水体中的重金属浓度。
同时，藻类体内的酵素和代谢产物可以与重金属形成络合物，减少重金属的毒性。
一些特殊的藻类还具有还原重金属离子的能力，将其转化为无毒物质。
通过这些方式，藻类可以降低水体中重金属污染物的浓度和毒性，净化水体环境。
再次，藻类在废水处理中的应用。
废水中含有大量的有机和无机物质，对环境和人体健康造成严重威胁。
藻类可以利用废水中的有机物质作为碳源生长，吸收有机物质和无机离子，并将其转化为藻体和氧气。
同时，藻类还可以分解废水中的有机物质，降解底泥中的富营养物质。
此外，藻类的生长需要大量的氮和磷等营养物质，可以从废水中去除这些营养物质，达到净化废水的效果。
通过这些方式，藻类可以有效地处理废水，减少废水对环境的污染。
藻类在环境污染治理中的应用作用原理主要包括光合作用吸收营养物质、生物吸附重金属离子、降解有机物质和去除废水中的营养物质。
藻类通过光合作用吸收大量的营养物质，减少水体中的富营养化现象。
微藻对水环境低浓度重金属的去除作用及机理研究微藻对水环境低浓度重金属的去除作用及机理研究随着工业化进程的加快，重金属污染问题越来越突出，对水环境和生态系统造成了严重的影响。
低浓度重金属的去除一直是环境科学领域的重要课题之一。
近年来，研究者们发现，微藻在低浓度重金属的去除过程中起到了重要作用。
本文将对微藻对水环境中低浓度重金属的去除作用及机理进行研究和探讨。
微藻是一类微小的单细胞或多细胞藻类生物，具有高效的生态修复和生物吸附能力。
研究发现，微藻可以通过生物吸附、沉淀、螯合等方式去除水中的重金属物质。
首先，微藻通过胞外物质和细胞壁上的吸附位点与金属离子相结合，形成金属离子的络合物，从而减少了金属离子的浓度。
同时，微藻的细胞壁还具有一定的电荷性质，可以吸附水中带电的重金属离子。
此外，微藻表面也能分泌出一些有机物质，能够与金属离子形成络合物，进一步提高重金属的去除效果。
微藻的生物吸附能力与其生理特性密切相关。
不同种类的微藻对重金属的吸附能力有所差异。
一般来说，新鲜水藻的吸附能力较强，而老化的水藻则吸附能力较差。
此外，微藻在不同生长阶段对重金属的吸附能力也存在差异。
研究发现，微藻的生长期和饥饿状态下对重金属的吸附能力相对较强。
研究者们还发现，微藻的形态结构和胞内物质的含量对重金属吸附能力也有一定影响。
除了生物吸附外，微藻还能通过沉淀的方式去除水中的重金属物质。
微藻细胞内的蛋白质和有机酸可以与金属离子发生化学反应，形成不溶性的沉淀物。
此外，微藻还可以将重金属物质转化为无毒或较低毒性的形态，减少对水环境的危害。
微藻对水环境低浓度重金属的去除机理还包括不同微藻种类之间的竞争和协同作用。
研究发现，不同微藻种类的共同生长可以提高重金属的去除效果。
一些微藻种类能够在吸附金属离子后将其释放到环境中，而另一些微藻则能够再次吸附释放的金属离子，形成闭合循环。
这种协同作用能够提高微藻对低浓度重金属的去除效果。
总之，微藻对水环境低浓度重金属的去除作用主要通过生物吸附、沉淀和协同作用来实现。
铅离子（Pb2+）胁迫对小球藻的生长及生理生化的影响摘要在小球藻三天生长期后，设置5个实验组，1个对照组，添加不同浓度的Pb2+。
通过研究小球藻各项生理指标的变化，进行横向与纵向的比较，得到结果表明：较低Pb2+浓度生物量大于对照组，随着离子浓度上升，生物量减小，且生长速度减慢；水溶性蛋白含量在较低Pb2+下高于对照组，较高浓度下，其含量随着铅离子胁迫强度的增大而降低；通过叶绿素荧光测定，除较低浓度外，Yield值随着铅离子胁迫的增强而减小。
关键词小球藻；铅离子胁迫；生物量；叶绿素荧光；水溶蛋白随着人口的持续增长，工农业的不断发展，目前，环境污染已经威胁到人类生活的方方面面，水体污染更是一大难题。
水体的主要污染之一就是重金属污染。
重金属离子主要产生于采矿、冶金、电镀、无机化工和造纸工业等部门, 如果进入水体并达到一定水平, 将会影响水环境质量。
其对水生生物具有毒性, 能够在其体内积累并通过食物链进入人体,引起慢性中毒甚至导致致癌。
藻类是水体中的初级生产者，在水生态系统中起着十分重要的作用。
重金属离子，既包括铅离子（Pb2+）通过各种途径进人水体后，首当其冲的受害者是藻类生物，并将通过食物链进而危害人类。
反过来。
利用从污染严重的水体或污水中筛选出耐受重金属并可去除重金属的藻类，并利用藻类生物技术来治理含重金属污水、净化被重金属污染的水域成为一种值得探索的方法。
为进一步探索铅的生物学功能和小球藻的抗胁迫机制,本实验着重研究铅离子（Pb2+）胁迫对小球藻的生长及生理生化的影响。
一、实验目的1．在一定重金属离子浓度下，通过对小球藻生物量、叶绿素荧光、水溶蛋白含量等生理指标的测定，了解其方法和原理，分析铅离子胁迫对小球藻生长的影响；2．运用控制变量法，制定一系列的浓度梯度的实验，探究小球藻的抗重金属离子性，即对铅离子的抗逆性；3．目前我国部分地区水污染的形势不容乐观，通过本实验，初步探索藻类生物技术治理含重金属污水、净化被重金属污染水域的方法，对解决水体污染的严峻形势有重要意义。
蓝藻响应和适应铁限制的生理及分子机制下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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3.微藻修复水体中重金属的机理微藻修复水体中重金属的机理实为微藻对重金属的生物吸附。
3.1其主要过程：胞内的结合与沉淀胞外的吸收与转化1）微藻细胞内的金属络合物研究表明, 重金属能诱导高等植物合成螯合重金属的蛋白, 同超富集高等植物一样,金属硫蛋白(MT) 、植物螯合肽( PC) 等重金属结合蛋白也陆续在藻类中发现. 藻类通过诱导产生金属络合物把有害的离子形式转变为无害的蛋白结合形式, 从而能够耐受环境中的重金属。
（藻类中也含金属硫蛋白(MT) 、植物螯合肽( PC) 等重金属结合蛋白，将有害的离子形式转变为无害的蛋白结合形式,）2）胞外产物的吸附作用除了细胞壁的特殊结构外, 藻类通常还会向周围水体中排泄或分泌大量有机物藻酸盐, 藻类胞外产物主要由糖类、果胶质等大分子物质组成.与细胞壁内的有机物一样, 该胞外产物也能络合金属离子,即通过与重金属形成缔合物或络合物, 附着在群体细胞的胶质外鞘上被改变形态, 使金属离子不能进入细胞内部, 从而降低污水中游离态的重金属离子含量, 实现解毒功能。
（藻类胞外产物：藻酸盐。
与重金属形成缔合物或络合物, 附着在群体细胞的胶质外鞘上被改变形态, 使金属离子不能进入细胞内部, 从而降低污水中游离态的重金属离子含量。
藻酸盐是由β-D 甘露糖醛酸(M) 及α-L - 古洛糖醛酸( G) 两种酸性单糖无序排列的线型缩合高聚物。
其中所含的羟基、氨基、羧基等在络合中起重要作用。
）3.2.物理化学作用：表面络合作用离子交换氧化还原微沉淀物理吸附1）微藻细胞结构与功能的相适应性：①藻类细胞壁是由纤维素、果胶质、藻酸铵岩藻多糖和聚半乳糖硫酸酯等多层微纤维组成的多孔结构（有利于物理吸附）, 具有较大的表面积。
②细胞壁上的多糖、蛋白质、磷脂等多聚复合体给藻类提供了大量可以与金属离子结合的官能团( 如氨基、硫基、巯基、羧基、羰基、咪唑基、磷酸根、硫酸根、酚、羟基、醛基和酰氨基等) 这些官能团能合理排列在具有较大表面积的藻类细胞壁上, 与金属离子充分接触. 其中有些可以失去质子而带负电荷, 靠静电引力吸附金属离子进行离子交换; 有的带孤对电子, 可与金属离子形成配位键而络合吸附金属离子。
文章编号： 1005-2690（2019）13-0023-04 中图分类号： X173 文献标志码：B 小球藻对重金属胁迫的响应研究王兴娜，王惠芬，鹿小诗，矫 强（ 齐鲁理工学院，山东 济南 250200 ）摘 要：以小球藻为受试物，通过其生物量、叶绿素a 含量、丙二醛含量、SOD 活性等指标的变化，研究其在不同暴露时间对重金属（Cu 2+、Zn 2+、Cd 2+）胁迫的响应。
结果表明，相同浓度的重金属对小球藻的毒性强度顺序为Cu 2+＞Cd 2+＞Zn 2+；低浓度的Cu 2+对小球藻的抑制作用就十分明显；Cd 2+浓度≤0.3 mg/L 时对小球藻的促进非常明显，能促进小球藻的光合作用；Zn 2+浓度≤0.9 mg/L 对小球藻的正常生长影响不大。
关键词：小球藻；重金属；叶绿素a ；MDA ；SOD 基金项目：齐鲁理工学院2018年度高校科技计划（QL19K070）。
作者简介：王兴娜（1990-），女，山东济南人，硕士，助教，主要从事分子生物学及基因工程学方面的教学和科研工作。
蛋白核小球藻属绿藻纲小球藻科，属于单细胞藻，常单生，也有多细胞聚集。
小球藻细胞内的蛋白质、脂肪和碳水化合物含量都很高，又有多种维生素。
此外，小球藻中还含有一种最重要的成分——小球藻促进生长因子（CGF），它具有诱发干扰素，激发人体防御、免疫组织中的巨噬细胞、T 细胞和B 细胞的作用，具有促进对以二噁英为代表污染环境的有害物质的解毒、排泄作用。
小球藻中叶绿素的含量是螺旋藻的5～6倍，是自然界中叶绿素含量最高的。
小球藻可食用和作为饵料，是一种高效的光合植物，以光合自养生长繁殖，分布极广。
藻类能通过吸附和吸收机制清除水中重金属，因其成本低便于大规模养殖，已被成功用作废水处理的生物吸附介质，近年来，不少研究表明可以通过藻类细胞的损伤情况反应水体污染程度。
根据重金属胁迫下小球藻生物量、叶绿素a 含量、丙二醛含量、SOD 酶活力的改变来反映小球藻对几种重金属胁迫的响应。
藻类吸附水中重金属的研究发布时间：2021-09-03T06:40:50.449Z 来源：《学习与科普》2021年9期作者：谢沂芮1 周文锦1[导读] 去除效率高，没有二次污染等优势逐渐被人熟知，研究小球藻处理重金属废水的方法迫在眉睫[4-5]。
1.山东理工大学资源与环境工程学院山东淄博 255000摘要：将微藻培养与污水处理相耦合，研究了吸附时间和重金属离子浓度对小球藻吸附重金属效率的影响。
结果表明：小球藻吸附重金属分为吸附与累积两个阶段，其对重金属离子的吸附能力强大，效果显著，且吸附率均在90%以上，但吸附过程中存在脱附现象。
小球藻对铜铅镉三种金属的吸附效率有区别，Pb（Ⅱ）>Cd（Ⅱ）>Cu（Ⅱ），吸附阈值均小于10 mg/L。
关键词：小球藻；重金属；吸附重金属通过电镀、农药、化肥等来源进入水环境，造成了水体中重金属含量的急剧增加。
重金属具有迁移性强，不可降解性和毒性大等特点，通过食物链聚集对人类造成危害[1-2]。
目前，重金属的处理方法主要有吸附法、混凝法、离子交换法、电化学技术法等技术手段[3]。
传统处理重金属废水花费昂贵、操作麻烦、处理效率低下。
由于小球藻培养方法简单，繁殖速度快，占地不大，费用较为低廉，去除效率高，没有二次污染等优势逐渐被人熟知，研究小球藻处理重金属废水的方法迫在眉睫[4-5]。
1 长期吸附Cu2+的吸附效果由50 mg/L Cu（Ⅱ）长期吸附的曲线，可以看出50 mg/L的Cu（Ⅱ）藻液在第一天吸附率较低，第二天突然升高，在未来的一周内吸附率变化不大，均在99%左右波动。
通过显微镜观察可以发现，从第二天起藻液中的小球藻均已死亡，这可能是铜离子太高超过小球藻的耐受度导致的。
死亡的小球藻的吸附率本该保持水平，然而吸附率的剧烈升高说明死亡小球藻吸附能力更强。
通过10 mg/L Cu（Ⅱ）长期吸附曲线发现，虽然有所波动，但主要趋势稳定在99%以上，表明小球藻对10 mg/L的Cu（Ⅱ）有较好的吸附能力。
