脆弱刚毛藻对水体中三种苯系物的去除效果

樊兰英，冯 佳，张猛，刘晓铃，李砧，谢树莲

(1.山西大学生命科学学院，山西太原030006;2.太原师范学院生物系，山西太原030031)

苯系物包括苯、甲苯、二甲苯、乙苯等，是环境中毒性较大的污染物，多存在于焦化、造纸、橡胶和家装材料等工业废水中。此类物质往往难于降解，并具有生物积累性和致癌、致畸、致突变作用或慢性毒性，有的通过迁移、转化、富集，浓度水平可提高数倍甚至上百倍，可对土壤等环境和人类健康造成严重的甚至不可逆的影响与危害，已被列入中国环境优先污染物黑名单[1-4]。

藻类植物是水体中主要的初级生产者，是物质和能量循环的起点。在生长过程中，藻类植物能吸收水体中的氮、磷、重金属等污染物，同时进行光合作用，增加水体中溶解氧，提高水体的自净能力[5-8]。特别是一些丝状绿藻植物，具有个体差异大，分布广泛，易于培养和收获，成本低廉等特点，在水体环境污染治理方面已有研究[9-14]，但有关丝状绿藻对水体中苯系物的作用还未见有报道。

本文以脆弱刚毛藻〔Cladophoraf racta(Dillw.)〕Kuetz.为实验材料，研究了不同实验条件下刚毛藻对苯、甲苯和二甲苯的去除作用，并分析了温度、处理时间和藻体重量对去除效率的影响，旨在寻找一种绿色除污的方法，为工业和生活污水中苯系物的消解提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验材料为脆弱刚毛藻，于2007年5月采自山西省太原市晋祠公园。采集生长旺盛的脆弱刚毛藻，用自来水反复清洗，去除变老发黄的部分和其它杂质，选择新鲜翠绿、生长良好的藻种在蒸馏水中进行驯化培养，培养条件为人工气候箱，光强3 000 lx左右，湿度35%～50%，温度18℃，光暗周期比为12 h∶12 h。待驯化培养1～2 d后，进行苯系物污染的处理。

1.2 苯系物溶液的配置

精确量取一定体积的苯、甲苯和二甲苯，用无水乙醇配成母液，备用。进行实验时，于100 ml容量瓶中用蒸馏水分别稀释到所需浓度。

1.3 实验方法

1.3.1 3种苯系物的紫外可见吸收光谱 将3种苯系物分别溶于无水乙醇，以紫外分光光度计于230～290 nm范围内进行扫描，确定3种苯系物的最大吸收波长，扫描结果见图1。由图1可见，苯、甲苯和二甲苯的最大吸收波长分别为252，258和262nm。

图1 3种苯系物的吸收光谱

1.3.2 标准曲线的绘制 根据有关文献[15-17]和3种苯系物在水中的溶解性，设置7个浓度梯度的溶液，分别在紫外光区252，258和262 nm波长下测定其吸光值，得到苯、甲苯和二甲苯的标准曲线及浓度与吸光值的函数关系，如图2所示。

图2 苯、甲苯和二甲苯的标准曲线

由图2可见3种苯系物在各自最大吸收波长下与吸光值的函数及对应公式，实验值与趋势线的拟合度均达到95%以上，说明3个函数基本能反映实际值的大小。

1.3.3 实验设计 实验设计采用正交设计法，L9(34)等水平正交设计表[18-19]。试验设计及其对应处理见表1。

表1 L9(34)正交试验设计及其对应处理

选取驯化培养后生长旺盛的脆弱刚毛藻，按设计称取不同重量，分别接入不同浓度的苯系物处理液中(100 ml的硬质玻璃三角瓶中盛放50 ml的处理液)，依照处理条件放入人工气候箱中进行培养。培养条件设定为光照3 000 lx，光源为日光灯，湿度为35%～50%，温度、时间的设定按照正交实验安排而分别设定。定时晃动并随机换动三角瓶的摆放位置，以减少因光照强度不同而带来的实验误差。

每种苯系物的处理分空白对照(只加苯系物，不加刚毛藻，以修正苯系物自然挥发对处理结果的影响)、单种处理(只加刚毛藻，不加苯系物，以修正刚毛藻可能的溶出物对处理结果的影响)和目标处理物处理(加刚毛藻和苯系物)。每个处理设3个重复，结果取其平均值。

1.4 实验结果测定

实验结果测定采用紫外分光光度法，所得数据消除空白对照组挥发量和单种处理组溶出物量的偏差。计算公式分别为:

浓度单位为mg/L;b表示苯;t表示甲苯;x表示二甲苯;A表示吸光值)。

2 结果与分析

2.1 刚毛藻对苯的去除效果

本实验中苯的初始浓度为156.22 mg/L，在此浓度下，苯的挥发性较低，溶解度可达到较高水平。刚毛藻对苯的去除效果见表2。结果显示，处理后苯浓度最低的是第 5组，为 58.45 mg/L，去除率达到46.6%。各因素极差值(R值)大小依次为温度＞处理时间＞藻体重量，说明温度是影响去除效果的主要因素，处理时间次之。

不同温度对刚毛藻去除苯作用的影响见图3a。可以看出，当温度由8℃增加到18℃时，苯的浓度明显降低。当温度由18℃增加到28℃时，苯的去除率增加，当温度由18℃增加到28℃时，苯的去除率下降。分析其原因可能是因为温度过高会使藻细胞的活力受到抑制，处理能力下降所致。

不同处理时间对刚毛藻去除苯作用的影响见图3b。可以看出，当处理时间由1 h增加到2 h时，苯的去除率增加，当处理时间由2 h增加到4 h时，苯的去除率有所下降。这可能是因为刚毛藻的吸附能力随时间的延长达到了饱和。

表2 刚毛藻对苯的去除效果

不同藻重对刚毛藻去除苯作用的影响见图3 c。可以看出，随着藻重由0.5 g增加到1.5 g，刚毛藻对苯的去除率呈上升趋势。说明随着生物量的增大，刚毛藻对苯的去除效果明显上升。

图3 不同温度(a)、处理时间(b)和藻体重量(c)对刚毛藻去除苯效果的影响

2.2 刚毛藻对甲苯的去除效果

本实验中甲苯的初始浓度为92.14 mg/L。根据多次预试验发现，如果甲苯含量大于这个浓度，刚毛藻难以承受其毒性，很快死亡。刚毛藻对甲苯的去除效果见表3。结果显示，处理后甲苯浓度最低的是第3组，为41.09 mg/L，去除率为13.6%。各因素R值大小依次为处理时间＞藻体重量＞温度，说明处理时间是影响去除效果的主要因素，藻体重量次之。

不同温度对刚毛藻去除甲苯作用的影响见图4a。当温度由8℃增加到18℃时，甲苯的去除率增加，当温度由18℃增加到28℃时，甲苯的去除率下降。其原因与前述苯的处理一样，可能是因为温度过高使藻细胞的活力受损所致。

表3 刚毛藻对甲苯的去除效果

不同处理时间对刚毛藻去除甲苯作用的影响见图4b。当处理时间由1 h增加到2 h时，对甲苯的去除率明显增加，当处理时间由2 h增加到4 h时，对甲苯的去除率有所下降。这可能是由于刚毛藻的吸附能力有限，随时间的延长藻体吸附的甲苯与周围环境中达到了动态平衡。

不同藻体重量对刚毛藻去除甲苯作用的影响如图4c所示。由图4c中可以看出，藻体重量由0.5 g增加到1.0 g时，刚毛藻对甲苯的去除率有明显的上升趋势。藻体重量由1.0 g增加到1.5 g时，对甲苯的去除率有下降的趋势。其原因还有待进一步研究分析。

图4 不同温度(a)、处理时间(b)和藻体重量(c)对刚毛藻去除甲苯效果的影响

2.3 刚毛藻对二甲苯的去除效果

本实验中二甲苯的初始浓度为106.17 mg/L。刚毛藻对二甲苯的去除效果见表4。结果显示，处理后二甲苯浓度最低的是第1组，为98.34 mg/L，去除率为7.4%。各因素R值大小依次为藻体重量＞处理时间＞温度，说明藻体重量是影响去除效果的主要因素，处理时间次之。

由实验结果可看出，第2组和第3组处理后的二甲苯浓度甚至大于初始浓度，推测可能是因为二甲苯存在使刚毛藻细胞中一些有机物溶解渗出，而某种物质的吸光值刚好在262 nm附近，导致吸光值增加，使计算出的二甲苯浓度大于初始浓度。

表4 刚毛藻对二甲苯的去除效果

3 结论

刚毛藻对苯系物具有明显的去除效果，对苯、甲苯和二甲苯的去除率分别达到了46.6%，13.6%，7.4%，显示了其作为水质净化材料的优势，其藻体本身生长适应性强，分布广泛，易于培养和收获，成本低廉，在工业和生活污水处理方面具有较大应用潜力。

刚毛藻对3种苯系物的去除效率差异很大，去除率与3种苯系物的分子量呈负相关。从化学结构方面讲，3种物质的结构差别在于侧链上甲基的数目，很可能随着目标处理物侧链甲基数目和分子量的增加，其分子穿透藻体细胞或与藻体细胞粘附的能力有所降低。

对于不同的目标处理物，温度、处理时间和藻体重量3个影响因子的影响程度不同。刚毛藻去除苯的实验中，各因素R值大小依次为温度＞处理时间＞藻体重量，温度是影响苯去除效果的主要因素。在刚毛藻去除甲苯的实验中，各因素R值大小依次为处理时间＞藻体重量＞温度，主要影响因素是处理时间。而对于二甲苯，藻体重量是最主要的因素。

藻类的细胞壁主要是由肽聚糖、磷脂和蛋白质组成，具有黏性，带有一定的负电荷，可提供许多能与有机分子结合的官能团。不同藻类的细胞结构及被吸附的有机分子的性质决定了藻类对不同有机物的去除能力的大小[20-21]。藻类对有机物质的富集过程首先是有机分子在藻体表面的被动吸附，这一过程可在很短时间内完成，随后藻体表面吸附的分子可能被主动转移至细胞内。刚毛藻对这3种苯系物的去除机制还需要深入研究。

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