脆弱剛毛藻對(duì)水體中三種苯系物的去除效果

樊蘭英，馮 佳，張猛，劉曉鈴，李砧，謝樹(shù)蓮

(1.山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西太原030006;2.太原師范學(xué)院生物系，山西太原030031)

苯系物包括苯、甲苯、二甲苯、乙苯等，是環(huán)境中毒性較大的污染物，多存在于焦化、造紙、橡膠和家裝材料等工業(yè)廢水中。此類(lèi)物質(zhì)往往難于降解，并具有生物積累性和致癌、致畸、致突變作用或慢性毒性，有的通過(guò)遷移、轉(zhuǎn)化、富集，濃度水平可提高數(shù)倍甚至上百倍，可對(duì)土壤等環(huán)境和人類(lèi)健康造成嚴(yán)重的甚至不可逆的影響與危害，已被列入中國(guó)環(huán)境優(yōu)先污染物黑名單[1-4]。

藻類(lèi)植物是水體中主要的初級(jí)生產(chǎn)者，是物質(zhì)和能量循環(huán)的起點(diǎn)。在生長(zhǎng)過(guò)程中，藻類(lèi)植物能吸收水體中的氮、磷、重金屬等污染物，同時(shí)進(jìn)行光合作用，增加水體中溶解氧，提高水體的自?xún)裟芰5-8]。特別是一些絲狀綠藻植物，具有個(gè)體差異大，分布廣泛，易于培養(yǎng)和收獲，成本低廉等特點(diǎn)，在水體環(huán)境污染治理方面已有研究[9-14]，但有關(guān)絲狀綠藻對(duì)水體中苯系物的作用還未見(jiàn)有報(bào)道。

本文以脆弱剛毛藻〔Cladophoraf racta(Dillw.)〕Kuetz.為實(shí)驗(yàn)材料，研究了不同實(shí)驗(yàn)條件下剛毛藻對(duì)苯、甲苯和二甲苯的去除作用，并分析了溫度、處理時(shí)間和藻體重量對(duì)去除效率的影響，旨在尋找一種綠色除污的方法，為工業(yè)和生活污水中苯系物的消解提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為脆弱剛毛藻，于2007年5月采自山西省太原市晉祠公園。采集生長(zhǎng)旺盛的脆弱剛毛藻，用自來(lái)水反復(fù)清洗，去除變老發(fā)黃的部分和其它雜質(zhì)，選擇新鮮翠綠、生長(zhǎng)良好的藻種在蒸餾水中進(jìn)行馴化培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為人工氣候箱，光強(qiáng)3 000 lx左右，濕度35%～50%，溫度18℃，光暗周期比為12 h∶12 h。待馴化培養(yǎng)1～2 d后，進(jìn)行苯系物污染的處理。

1.2 苯系物溶液的配置

精確量取一定體積的苯、甲苯和二甲苯，用無(wú)水乙醇配成母液，備用。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，于100 ml容量瓶中用蒸餾水分別稀釋到所需濃度。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 3種苯系物的紫外可見(jiàn)吸收光譜 將3種苯系物分別溶于無(wú)水乙醇，以紫外分光光度計(jì)于230～290 nm范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，確定3種苯系物的最大吸收波長(zhǎng)，掃描結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，苯、甲苯和二甲苯的最大吸收波長(zhǎng)分別為252，258和262nm。

圖1 3種苯系物的吸收光譜

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[15-17]和3種苯系物在水中的溶解性，設(shè)置7個(gè)濃度梯度的溶液，分別在紫外光區(qū)252，258和262 nm波長(zhǎng)下測(cè)定其吸光值，得到苯、甲苯和二甲苯的標(biāo)準(zhǔn)曲線及濃度與吸光值的函數(shù)關(guān)系，如圖2所示。

圖2 苯、甲苯和二甲苯的標(biāo)準(zhǔn)曲線

由圖2可見(jiàn)3種苯系物在各自最大吸收波長(zhǎng)下與吸光值的函數(shù)及對(duì)應(yīng)公式，實(shí)驗(yàn)值與趨勢(shì)線的擬合度均達(dá)到95%以上，說(shuō)明3個(gè)函數(shù)基本能反映實(shí)際值的大小。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用正交設(shè)計(jì)法，L9(34)等水平正交設(shè)計(jì)表[18-19]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其對(duì)應(yīng)處理見(jiàn)表1。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其對(duì)應(yīng)處理

選取馴化培養(yǎng)后生長(zhǎng)旺盛的脆弱剛毛藻，按設(shè)計(jì)稱(chēng)取不同重量，分別接入不同濃度的苯系物處理液中(100 ml的硬質(zhì)玻璃三角瓶中盛放50 ml的處理液)，依照處理?xiàng)l件放入人工氣候箱中進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)條件設(shè)定為光照3 000 lx，光源為日光燈，濕度為35%～50%，溫度、時(shí)間的設(shè)定按照正交實(shí)驗(yàn)安排而分別設(shè)定。定時(shí)晃動(dòng)并隨機(jī)換動(dòng)三角瓶的擺放位置，以減少因光照強(qiáng)度不同而帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差。

每種苯系物的處理分空白對(duì)照(只加苯系物，不加剛毛藻，以修正苯系物自然揮發(fā)對(duì)處理結(jié)果的影響)、單種處理(只加剛毛藻，不加苯系物，以修正剛毛藻可能的溶出物對(duì)處理結(jié)果的影響)和目標(biāo)處理物處理(加剛毛藻和苯系物)。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，結(jié)果取其平均值。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)定

實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)定采用紫外分光光度法，所得數(shù)據(jù)消除空白對(duì)照組揮發(fā)量和單種處理組溶出物量的偏差。計(jì)算公式分別為:

濃度單位為mg/L;b表示苯;t表示甲苯;x表示二甲苯;A表示吸光值)。

2 結(jié)果與分析

2.1 剛毛藻對(duì)苯的去除效果

本實(shí)驗(yàn)中苯的初始濃度為156.22 mg/L，在此濃度下，苯的揮發(fā)性較低，溶解度可達(dá)到較高水平。剛毛藻對(duì)苯的去除效果見(jiàn)表2。結(jié)果顯示，處理后苯濃度最低的是第 5組，為 58.45 mg/L，去除率達(dá)到46.6%。各因素極差值(R值)大小依次為溫度＞處理時(shí)間＞藻體重量，說(shuō)明溫度是影響去除效果的主要因素，處理時(shí)間次之。

不同溫度對(duì)剛毛藻去除苯作用的影響見(jiàn)圖3a。可以看出，當(dāng)溫度由8℃增加到18℃時(shí)，苯的濃度明顯降低。當(dāng)溫度由18℃增加到28℃時(shí)，苯的去除率增加，當(dāng)溫度由18℃增加到28℃時(shí)，苯的去除率下降。分析其原因可能是因?yàn)闇囟冗^(guò)高會(huì)使藻細(xì)胞的活力受到抑制，處理能力下降所致。

不同處理時(shí)間對(duì)剛毛藻去除苯作用的影響見(jiàn)圖3b。可以看出，當(dāng)處理時(shí)間由1 h增加到2 h時(shí)，苯的去除率增加，當(dāng)處理時(shí)間由2 h增加到4 h時(shí)，苯的去除率有所下降。這可能是因?yàn)閯偯宓奈侥芰﹄S時(shí)間的延長(zhǎng)達(dá)到了飽和。

表2 剛毛藻對(duì)苯的去除效果

不同藻重對(duì)剛毛藻去除苯作用的影響見(jiàn)圖3 c。可以看出，隨著藻重由0.5 g增加到1.5 g，剛毛藻對(duì)苯的去除率呈上升趨勢(shì)。說(shuō)明隨著生物量的增大，剛毛藻對(duì)苯的去除效果明顯上升。

圖3 不同溫度(a)、處理時(shí)間(b)和藻體重量(c)對(duì)剛毛藻去除苯效果的影響

2.2 剛毛藻對(duì)甲苯的去除效果

本實(shí)驗(yàn)中甲苯的初始濃度為92.14 mg/L。根據(jù)多次預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果甲苯含量大于這個(gè)濃度，剛毛藻難以承受其毒性，很快死亡。剛毛藻對(duì)甲苯的去除效果見(jiàn)表3。結(jié)果顯示，處理后甲苯濃度最低的是第3組，為41.09 mg/L，去除率為13.6%。各因素R值大小依次為處理時(shí)間＞藻體重量＞溫度，說(shuō)明處理時(shí)間是影響去除效果的主要因素，藻體重量次之。

不同溫度對(duì)剛毛藻去除甲苯作用的影響見(jiàn)圖4a。當(dāng)溫度由8℃增加到18℃時(shí)，甲苯的去除率增加，當(dāng)溫度由18℃增加到28℃時(shí)，甲苯的去除率下降。其原因與前述苯的處理一樣，可能是因?yàn)闇囟冗^(guò)高使藻細(xì)胞的活力受損所致。

表3 剛毛藻對(duì)甲苯的去除效果

不同處理時(shí)間對(duì)剛毛藻去除甲苯作用的影響見(jiàn)圖4b。當(dāng)處理時(shí)間由1 h增加到2 h時(shí)，對(duì)甲苯的去除率明顯增加，當(dāng)處理時(shí)間由2 h增加到4 h時(shí)，對(duì)甲苯的去除率有所下降。這可能是由于剛毛藻的吸附能力有限，隨時(shí)間的延長(zhǎng)藻體吸附的甲苯與周?chē)h(huán)境中達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。

不同藻體重量對(duì)剛毛藻去除甲苯作用的影響如圖4c所示。由圖4c中可以看出，藻體重量由0.5 g增加到1.0 g時(shí)，剛毛藻對(duì)甲苯的去除率有明顯的上升趨勢(shì)。藻體重量由1.0 g增加到1.5 g時(shí)，對(duì)甲苯的去除率有下降的趨勢(shì)。其原因還有待進(jìn)一步研究分析。

圖4 不同溫度(a)、處理時(shí)間(b)和藻體重量(c)對(duì)剛毛藻去除甲苯效果的影響

2.3 剛毛藻對(duì)二甲苯的去除效果

本實(shí)驗(yàn)中二甲苯的初始濃度為106.17 mg/L。剛毛藻對(duì)二甲苯的去除效果見(jiàn)表4。結(jié)果顯示，處理后二甲苯濃度最低的是第1組，為98.34 mg/L，去除率為7.4%。各因素R值大小依次為藻體重量＞處理時(shí)間＞溫度，說(shuō)明藻體重量是影響去除效果的主要因素，處理時(shí)間次之。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，第2組和第3組處理后的二甲苯濃度甚至大于初始濃度，推測(cè)可能是因?yàn)槎妆酱嬖谑箘偯寮?xì)胞中一些有機(jī)物溶解滲出，而某種物質(zhì)的吸光值剛好在262 nm附近，導(dǎo)致吸光值增加，使計(jì)算出的二甲苯濃度大于初始濃度。

表4 剛毛藻對(duì)二甲苯的去除效果

3 結(jié)論

剛毛藻對(duì)苯系物具有明顯的去除效果，對(duì)苯、甲苯和二甲苯的去除率分別達(dá)到了46.6%，13.6%，7.4%，顯示了其作為水質(zhì)凈化材料的優(yōu)勢(shì)，其藻體本身生長(zhǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，分布廣泛，易于培養(yǎng)和收獲，成本低廉，在工業(yè)和生活污水處理方面具有較大應(yīng)用潛力。

剛毛藻對(duì)3種苯系物的去除效率差異很大，去除率與3種苯系物的分子量呈負(fù)相關(guān)。從化學(xué)結(jié)構(gòu)方面講，3種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)差別在于側(cè)鏈上甲基的數(shù)目，很可能隨著目標(biāo)處理物側(cè)鏈甲基數(shù)目和分子量的增加，其分子穿透藻體細(xì)胞或與藻體細(xì)胞粘附的能力有所降低。

對(duì)于不同的目標(biāo)處理物，溫度、處理時(shí)間和藻體重量3個(gè)影響因子的影響程度不同。剛毛藻去除苯的實(shí)驗(yàn)中，各因素R值大小依次為溫度＞處理時(shí)間＞藻體重量，溫度是影響苯去除效果的主要因素。在剛毛藻去除甲苯的實(shí)驗(yàn)中，各因素R值大小依次為處理時(shí)間＞藻體重量＞溫度，主要影響因素是處理時(shí)間。而對(duì)于二甲苯，藻體重量是最主要的因素。

藻類(lèi)的細(xì)胞壁主要是由肽聚糖、磷脂和蛋白質(zhì)組成，具有黏性，帶有一定的負(fù)電荷，可提供許多能與有機(jī)分子結(jié)合的官能團(tuán)。不同藻類(lèi)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)及被吸附的有機(jī)分子的性質(zhì)決定了藻類(lèi)對(duì)不同有機(jī)物的去除能力的大小[20-21]。藻類(lèi)對(duì)有機(jī)物質(zhì)的富集過(guò)程首先是有機(jī)分子在藻體表面的被動(dòng)吸附，這一過(guò)程可在很短時(shí)間內(nèi)完成，隨后藻體表面吸附的分子可能被主動(dòng)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞內(nèi)。剛毛藻對(duì)這3種苯系物的去除機(jī)制還需要深入研究。

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