4種淡水微藻對水體重金屬鉛吸附特性研究

程方貝貝,甘婷婷,趙南京,殷高方,汪 穎,范夢西,石朝毅

（1.合肥學院生物食品與環境學院，安徽 合肥 230601；2.中國科學院安徽光學精密機械研究所 中國科學院環境光學與技術重點實驗室，安徽 合肥 230031；3.中國科學技術大學，安徽 合肥 230026；4.安徽大學物質科學與信息技術研究院，安徽 合肥 230601）

0 引言

近年來，隨著社會經濟及工農業生產的快速發展，環境污染問題日益嚴重。重金屬作為制造、采礦、冶金、化工等工業活動及大量化肥、農藥施用等農業活動的主要環境污染物，使得我國水體重金屬污染問題十分突出，江河湖庫底質的污染率高達80.1%[1]。重金屬因具有不可降解性和生物富集性以及致癌、致畸和致突變性，一旦在生物體內累積，將嚴重威脅著人體健康及生態環境，并給國民經濟造成重大損失，因此水體重金屬污染問題需高度重視。

現場快速檢測水體重金屬可為水體重金屬污染狀況的及時判斷提供關鍵數據及重要依據，對水體重金屬有效防治及水質安全保障具有重要意義。而在重金屬污染現場快速檢測技術方面，X 射線熒光（XRF）光譜法因具有對待測樣品無破壞性、多種元素可同時測量、譜線干擾少、分析速度快等優點[2-3]，是現場快速、實時在線分析重金屬元素的一種有效技術手段。但該方法用于直接測量水體重金屬時，水體對X 射線產生較高的散射背景，從而導致信噪比較低，重金屬檢測的穩定性[4]和靈敏度較差[5]，難以滿足實際水體重金屬的檢測要求。因此XRF 光譜法在直接檢測水體重金屬應用方面一直受到限制。

針對上述問題，目前國內外很多研究學者以活性炭、碳納米管、石墨烯、樹脂等作為吸附劑，采用沉淀/共沉淀[6-7]或固相萃取[8-12]等方法對水體中的重金屬進行分離與富集，再進行XRF 光譜測量與分析，以解決直接測量水體重金屬XRF 光譜中穩定性差、靈敏度低的問題。但以上吸附劑在使用前通常需功能化改性或活化處理，操作過程較為復雜、繁瑣且費時，并且重復性較差，增加了水體重金屬監測的難度與應用成本。而藻類作為一種生物吸附劑，具有種類繁多、容易獲取、易于培養、經濟環保等特點。研究表明：藻細胞對重金屬具有一定的吸附功能[13-18]，以藻細胞作為吸附劑富集水體重金屬[19]，不但能夠處理及修復已受重金屬污染的水體，而且也為XRF 光譜法檢測水體重金屬提供了新的富集手段。

因此以水體中典型重金屬污染物鉛（Pb）為研究對象，選擇淡水中較為常見且細胞分散性較好的蛋白核小球藻、二形柵藻、銅綠微囊藻、平裂藻4 種淡水微藻為吸附劑，研究分析不同培養時間及不同藻細胞狀態下4 種淡水微藻對重金屬Pb2+的吸附特性，以篩選出對重金屬Pb2+具有高效富集能力的合適藻種，為后續建立基于藻富集的水體重金屬污染快速XRF 監測方法提供了重要依據。

1 材料與方法

1.1 藻種與試劑

主要藻種：蛋白核小球藻、二形柵藻、銅綠微囊藻、平裂藻（中國科學院水生生物研究所淡水藻種庫）。在SW-CJ-1D 型無菌工作臺中將上述藻種接種于滅菌處理后的BG11 培養基中，并將接種后的藻液置于MQD-S3R 型恒溫搖床培養箱中進行擴大培養，培養條件：溫度為25±1 ℃，光源發光強度為6 600 lux，光暗比為12 h∶12 h。在培養至第3 天、第7 天和第12 天時提取純藻細胞開展對重金屬Pb2+的吸附實驗。

Pb 的來源：分析純硝酸鉛（Pb(NO3)2）（天津市津北精細化工有限公司）。用AL104 型電子分析天平準確稱取一定量的Pb(NO3)2，并用去離子水配制成100 mL 質量濃度為100 mg/L 的Pb2+標準儲備液。再用去離子水稀釋Pb2+儲備液，分別配制成不同濃度的Pb2+標準工作液。

1.2 試驗準備

（1）為排除培養基對藻細胞吸附重金屬Pb2+的干擾，采用稱重與抽濾相結合的方法提取藻培養液中的活藻細胞，并配制等濃度的純藻液用于其對重金屬Pb2+的吸附研究。首先用電子天平稱量質量為G1 的空白濾膜（混合纖維素脂膜，孔徑為0.22 m，直徑為50 mm，上海新亞凈化材料廠）作為富集濾膜，對體積為V 的藻培養液進行抽濾，將富集有藻細胞的濾膜質量G2 進行再次稱量，根據富集前、后濾膜的質量差與所抽濾的藻培養液的體積比，計算原藻培養液中的藻細胞濃度C，計算公式（1）如下：

為保證不同藻種及同種藻種在重金屬Pb2+吸附過程中，在不同培養時間下藻細胞的用量相同，根據以上確定的原藻培養液中的藻細胞濃度C，通過計算取一定體積的原藻培養液進行抽濾，使富集在濾膜上的藻細胞質量為10 mg，再將濾膜上的藻細胞轉移至100 mL 去離子水中，配制成活藻細胞質量濃度為100 mg/L 的純藻懸浮液。

（2）為探究滅活藻細胞對重金屬Pb2+的吸附特性，取適量的原藻培養液置于高壓滅菌鍋中在121 ℃下加熱20 min，待冷卻至室溫后，采用上述同樣方法確定并配制原藻培養液中藻細胞質量濃度為100 mg/L 的滅活純藻懸浮液。

1.3 藻細胞吸附重金屬Pb2+試驗

分別取培養至第3 天、第7 天及第12 天的蛋白核小球藻、二形柵藻、銅綠微囊藻、平裂藻的純藻液各20 mL 置于不同的潔凈錐形瓶中，再分別加入1 mL 不同濃度Pb2+標準工作液，將反應液搖勻后置于轉速為100 r/min、溫度為25 ℃的培養箱中進行吸附反應，并在反應時間分別為5,10,20,30,40,50 和60 min 時各取2 mL 反應液進行抽濾，將濾液轉移至5 mL 離心管中。將20 mL 去離子水與1 mL 不同濃度Pb2+標準工作液混合、搖勻，獲得藻細胞對不同濃度重金屬Pb2+吸附的空白對照樣。

1.4 吸附效率計算

采用iCAP RQ 型電感耦合等離子體-質譜儀（Thermo Fisher Scientific，美國）測量吸附后濾液中剩余的Pb2+濃度及未經藻細胞吸附的空白樣品中Pb2+濃度。并根據公式（2）計算反應時間為t 時藻細胞對重金屬Pb2+的吸附效率：

式中：t 為反應時間，min；C0為反應液中未經藻細胞吸附的初始Pb2+質量濃度（即空白樣品中Pb2+質量濃度），mg/L；Ct為在反應時間t 時經過藻細胞吸附后濾液中剩余的Pb2+質量濃度，mg/L；P 為藻細胞對重金屬Pb2+的吸附效率，%。

2 結果與討論

2.1 不同培養時間對4 種淡水微藻吸附重金屬Pb2+的特性影響

藻細胞狀態及活性隨培養時間的變化而變化，為探究不同培養時間的藻細胞是否對重金屬Pb2+的吸附特性產生影響，對培養至第3 天、第7 天和第12 天時蛋白核小球藻、二形柵藻、銅綠微囊藻、平裂藻的活藻細胞在60 min 內對質量濃度為5 mg/L 重金屬Pb2+的吸附特性進行研究，結果見圖1。

圖1 不同培養時間下4 種淡水微藻對重金屬Pb2+的吸附效率

由圖1可以看出，在相同反應時間下，培養至第3 天的蛋白核小球藻細胞對重金屬Pb2+的吸附效率最高，其次是第12 天，而培養至第7 天的藻細胞吸附效率最低；培養至第3 天和第7 天的二形柵藻和平裂藻細胞對Pb2+的吸附效率最高，且兩者沒有明顯差異性，而培養至第12 天的藻細胞對Pb2+的吸附效率卻有較大程度的降低；培養至第3 天和第12 天的藻銅綠微囊細胞對Pb2+的吸附效率最高，且兩者較為接近，而培養至第7 天的藻細胞對Pb2+的吸附效率則稍有降低。研究表明：培養時間不同，不同藻種對Pb2+的吸附特性具有一定的差異性，但4 種微藻均在培養至第3 天時表現出對Pb2+最好的吸附特性，其中蛋白核小球藻、二形柵藻、銅綠微囊藻在60 min 內的吸附效率均已達到95%以上。推斷其原因是由于培養至第3 天時，藻細胞正處于快速生長繁殖階段，旺盛的藻細胞分裂導致該階段藻細胞尺寸比較小，細胞比表面積較大，從而導致相同質量的藻細胞對重金屬Pb2+的吸附效率更高。

同時，由圖1可以看出，不同培養時間的蛋白核小球藻、二形柵藻、平裂藻對重金屬Pb2+的吸附效率均在5 min 時達到最大值，在5～60 min 之間蛋白核小球藻和二形柵藻對Pb2+的吸附效率近乎保持穩定，而平裂藻對Pb2+的吸附效率隨時間的增加呈緩慢降低再緩慢上升的趨勢，變化程度不大；不同培養時間的銅綠微囊藻對重金屬Pb2+的吸附效率均在10 min 時達到最大值，在10～60 min 之間吸附效率保持不變。由此可見，選用的4 種淡水微藻對重金屬Pb2+都具有快速吸附特性，在5～10 min 內即可達到最好的吸附效果。姜愛莉等[20]的研究表明，微藻對重金屬的吸附過程分為2 個階段，第一階段為被動吸附，吸附速度非常快，吸附效率非常高，該階段重金屬僅被吸附到藻細胞的表面；第二階段為主動吸附，是一個能量驅動過程，藻細胞對重金屬的吸附與藻體的代謝密切相關，需要某些特定酶的參與，因此該階段吸附速度較慢。試驗中蛋白核小球藻、二形柵藻、銅綠微囊藻、平裂藻在5～10 min 內即對重金屬Pb2+達到最好的吸附效果，該吸附為被動吸附過程。

2.2 不同細胞狀態的4 種淡水微藻對吸附重金屬Pb2+的特性影響

在藻對重金屬吸附研究方面，李愷等[21]發現，與非活性海藻相比，活性海藻對重金屬具有更好的吸附特性；而SYAFIUDDIN A 等[22]的研究表明與活藻細胞相比，非活藻細胞對重金屬的吸附效果更好。為驗證選用的4 種淡水微藻在何種藻細胞狀態下對重金屬Pb2+具有更好的吸附性能，對培養至第3 天時活藻細胞及加熱滅活藻細胞2 種細胞狀態下4 種微藻吸附重金屬Pb2+的特性進行研究。4 種淡水微藻的活藻細胞及滅活藻細胞在60 min 反應時間內對質量濃度為5 mg/L 的重金屬Pb2+的吸附效率見圖2。

圖2 不同細胞狀態下4 種淡水微藻對重金屬Pb2+的吸附效率

由圖2可以看出，在相同反應時間下，蛋白核小球藻、二形柵藻和銅綠微囊藻均是活藻細胞對重金屬Pb2+具有最大的吸附效率，而滅活后藻細胞對Pb2+的吸附效率卻有較大程度的降低，例如在反應時間為5 min 時，蛋白核小球藻活藻細胞、二形柵藻活藻細胞和銅綠微囊藻活藻細胞對Pb2+的吸附效率分別為95%,99%和96%，而滅活后吸附效率分別降至55%,68%和65%。并且這3 種藻的活藻細胞對Pb2+的吸附效率均在5～10 min 時快速吸附達到最大值，在10～60 min 內吸附效率基本保持穩定；而滅活藻細胞對Pb2+的吸附效率在5～60 min 內卻有較大的變化，穩定性較差。因此蛋白核小球藻、二形柵藻和銅綠微囊藻活藻細胞比滅活藻細胞對重金屬Pb2+具有更好的吸附性能。

在吸附反應時間為5 min 時，平裂藻活藻細胞對Pb2+的吸附效率要稍大于滅活藻細胞，在反應時間為10～50 min 時，滅活藻細胞對Pb2+的吸附效率反而大于活藻細胞，而在反應時間為60 min 時，活藻細胞對Pb2+的吸附效率又大于滅活藻細胞。并且無論是活藻細胞還是滅活藻細胞，在5～60 min 的反應時間范圍內，其對Pb2+的吸附效率均隨反應時間的增加而變化，活藻細胞在5 min 時吸附效率達到最大值，隨反應時間的延長，吸附效率呈先逐漸降低再緩慢升高的趨勢；而對于滅活藻細胞，在10 min時吸附效率達到最大值，之后10～30 min 時吸附效率保持穩定，而在30～60 min 時，吸附效率隨時間的增加而呈逐漸降低趨勢。由此可見平裂藻2 種藻細胞狀態對Pb2+的吸附性能與蛋白核小球藻、二形柵藻和銅綠微囊藻明顯不同。在60 min 反應時間內，平裂藻的滅活藻細胞對Pb2+的吸附效果要略優于活藻細胞，但無論是活藻細胞還是滅活藻細胞，其對Pb2+的吸附效果均不夠穩定。

2.3 4 種淡水微藻吸附重金屬Pb2+的性能對比

為篩選出具有較好吸附重金屬Pb2+性能的淡水藻種，對培養至第3 天的蛋白核小球藻、二形柵藻、銅綠微囊藻、平裂藻活藻細胞吸附不同濃度重金屬Pb2+的特性分別進行研究。當反應時間為5 min 時，相同濃度的4 種微藻對質量濃度分別為1，1.75，2.5和5 mg/L 重金屬Pb2+的吸附效率見圖3。由圖3可以看出，當Pb2+質量濃度為5 mg/L 時，4 種微藻對Pb2+的吸附效率依次為：二形柵藻＞銅綠微囊藻＞蛋白核小球藻＞平裂藻；當Pb2+質量濃度為2.5 mg/L時，4 種微藻對Pb2+的吸附效率依次為：二形柵藻＞蛋白核小球藻＞銅綠微囊藻＞平裂藻；當Pb2+質量濃度為1.75 mg/L 時，4 種微藻對Pb2+的吸附效率依次為：二形柵藻＞蛋白核小球藻＞平裂藻＞銅綠微囊藻；而當Pb2+質量濃度為1 mg/L 時，4 種微藻對Pb2+的吸附效率依次為：蛋白核小球藻＞二形柵藻＞銅綠微囊藻＞平裂藻。由此可見，當藻細胞濃度相同，而重金屬Pb2+濃度不同時，4 種淡水微藻對Pb2+的吸附性能排序會有所變化，綜合來看，二形柵藻及蛋白核小球藻2 種淡水綠藻表現出了更好的吸附特性，其中二形柵藻對較高濃度的Pb2+有較好的吸附性能，而蛋白核小球藻對較低濃度的Pb2+表現出更好的吸附性能。因此淡水綠藻中的二形柵藻和蛋白核小球藻更適合于水體中重金屬Pb2+的吸附與富集。此外，當藻細胞用量相同，而重金屬Pb2+濃度不同時，同種藻細胞也表現出了不同的吸附特性。由此推斷藻細胞對Pb2+的吸附性能可能與反應液中藻細胞與Pb2+濃度或兩者的濃度比值有關。

圖3 4 種淡水微藻對不同濃度重金屬Pb2+的吸附效率

3 結論

（1）試驗所選用的蛋白核小球藻、二形柵藻、銅綠微囊藻、平裂藻4 種淡水微藻均具有快速吸附重金屬Pb2+特性，在5～10 min 時吸附效率即可達最大值。但培養時間不同，4 種淡水微藻吸附重金屬Pb2+的特性雖有一定差異性，但均表現在培養至第3天時對Pb2+的吸附效率最高。

（2）蛋白核小球藻、二形柵藻和銅綠微囊藻對重金屬Pb2+的吸附性能均表現為活藻細胞高于滅活藻細胞；而平裂藻滅活藻細胞對重金屬Pb2+的吸附效果要略高于活藻細胞。

（3）4 種淡水微藻中二形柵藻及蛋白核小球藻吸附重金屬Pb2+性能更好，其中二形柵藻對較高濃度的Pb2+有較好的吸附性能，而蛋白核小球藻對較低濃度Pb2+的吸附性能則更好，因此二形柵藻和蛋白核小球藻更適合于水體中重金屬Pb2+的吸附與富集。該結論為建立基于藻富集的水體重金屬污染快速監測方法提供了重要依據。