藻类吸附缓解稻田重金属污染的研究

陈家武，邓沛怡，程明玲，卢以群，李青峰

（1. 湖南生物机电职业技术学院，湖南 长沙 410127；2. 湖南省农业科学院，湖南 长沙 410125）

工业化和城镇化的进程中，乡镇企业的发展加快，印染、造纸等乡镇企业污水的排放以及化肥和农药的大量使用，严重污染了农村生态环境。其中，污灌导致的农田重金属污染严重危害水稻生长，籽粒重金属残留威胁水稻质量或产品安全[1-2]。因此，在重金属污染稻田中，减少水稻对重金属的吸收及降低稻谷残留量对保证水稻质量安全具有重要意义。目前，国内外对土壤重金属污染修复的研究较多[3-4]，主要采用物理工程措施[5-6]、化学措施（施改良剂等）[7-8]。这些方法尽管在一定程度上发挥了作用，但因其成本较高，难以推广而无法产生较大社会效益。因此，探索一种既有效又可推广的农田重金属去除或缓解的治理技术很有必要。研究采用藻类吸附方法[9]，实验室培植对重金属具有很强吸附能力的藻类，进行盆栽和模拟重金属污染稻田栽培试验，通过藻类吸附清理农田水体中的重金属，减轻水体的重金属污染，控制水稻对重金属的吸收，为进一步农田生态化工程打下基础。这种生物法比工程措施和化学措施更节能环保，更符合农业的可持续发展，国内外尚未见报道。

1 材料与方法

1.1 器材和试剂

主要器材：三角瓶、细胞培养箱、离心机、显微镜、塑料盆；等离子体发光色谱。主要试剂：硫酸镉（3CdSO4·8H2O）、硫酸汞（HgSO4）、硫酸铬[Cr2(SO4)3·6H2O]。生物材料：稻谷品种为早籼52对，淡水藻为普通小球藻、椭圆小球藻和梅尼小环藻（由武汉水生生物研究所提供）。

1.2 淡水藻培养

普通小球藻和椭圆小球藻采用HB111培养基，梅尼小环藻采用D1培养基[10]。将3种藻接种至小三角瓶，待藻生长繁殖到一定浓度，再转接至中、大三角瓶，逐级扩大培养[11]。整个培养过程光、暗各12 h交替进行，光强10 000 Lx，温度28~30℃。如图1、图2所示。

1.3 试验方法

1.3.1 藻类吸附重金属能力的测定 按化学计量精确称量硫酸镉（3CdSO4·8H2O）、硫酸汞（HgSO4）、硫酸铬（Cr2(SO4)3·6 H2O）倒入3个150 mL的烧杯，用20 mL蒸馏水溶解，再用藻液定容至100 mL，使Cd、Hg、Cr的初始浓度为50 mg/L，试验设置3次重复。吸附开始计时1 h取样，用等离子体发射光谱分析测定各自的重金属浓度。将吸附1 h时的藻液离心（4 000 r/min），收集藻并准确称重。

1.3.2 盆栽藻吸附试验 栽盆大小长×宽×高均为70 cm×45 cm×60 cm，置于透光大棚。编号1、2、3分别为Hg、Cd、Cr，插稻定根后投放水藻；编号4、5、6分别为不放藻对照Hg、Cd、Cr（如见图3)。盆栽前，先测定试验用水和土壤重金属含量，确定未受重金属污染（未超过自然土壤背景值）后将各盆土壤称重，按4 mg/kg的浓度将重金属投入盆内土壤，充分混合后施肥加水放置3 d，浅水插秧后精心管理，适量施肥，控制水位。

1.3.3 模拟稻田藻吸附试验 将长×宽×高约为6.0 m×2.5 m×0.4 m的水池一分为二，填土灌溉，整理成稻田，计算好各自的面积和体积（图4）。模拟重金属污染：准确称量投入水池中的土壤重量，按Cd浓度4 mg/kg投放硫酸镉，充分搅匀，再注水进行泥水混合，3 d后插秧。在水稻拔节期开始向南边稻田投放普通小球藻、椭圆小球藻和梅尼小环藻3种藻的混合藻液，投放量为6 L（藻密度约为5.0x107个/mL），培肥水质，小球藻慢慢繁殖生长。水稻成熟期收割稻谷进行重金属残留检测。

1.4 稻谷及营养器官中重金属残留检测

取稻谷或营养器官样品5 g，无污染碾碎磨成粉，置于瓷坩埚内，盖好置于350~400℃的马弗炉内灰化，取出样品，用100 mL王水溶解后，加热浓缩至40 mL，过滤洗涤，滤液定容为50 mL，用等离子体发射光谱分析。

2 结果与分析

2.1 试验用藻对主要重金属的吸附能力

表1显示：普通小球藻、椭圆小球藻和梅尼小环藻3种藻对重金属Hg、Cr、Cd具有很强的吸附能力。以普通小球藻为例，投入0.14 g藻，吸附1 h后Hg浓度由50 mg/L下降至24.89 mg/L，吸附速率为17.94 mg/g·h；投入0.10 g藻，吸附1 h后Cd浓度由50 mg/L下降至22.40 mg/L，吸附速率为27.60 mg/g·h；投入0.20 g藻，吸附1 h后Cr浓度由50 mg/L下降至4.96 mg/L，吸附速率为22.52 mg/g·h。比较吸附速率，对重金属Hg，梅尼小环藻>椭圆小球藻>普通小球藻；对重金属Cd，普通小球藻>椭圆小球藻>梅尼小环藻；对重金属Cr，梅尼小环藻>普通小球藻>椭圆小球藻。试验用藻之所以能快速吸附重金属，主要是藻细胞比表面积很大，且表面有大量的氨基、酰胺基、羰基、醛基、羟基、硫醇、咪唑、磷酸根、硫酸根等基团，可以通过物理吸附、络合、离子交换和沉淀等方式吸附环境中的金属离子[12]。研究表明，由于藻细胞表面的功能团数量和带电性质不一样，不同藻类对不同重金属的吸附能力是有差异的[13]。

2.2 盆栽藻吸附处理的稻谷重金属残留

从表2中可知：普通小球藻、椭圆小球藻和梅尼小环藻混合投放的盆栽试验表明，藻类吸附可明显降低稻谷重金属含量，相对于盆栽无藻组，有藻组稻谷重金属Hg、Cd和Cr含量分别降低76.53%、65.71%和53.57，其中稻谷Cr残留量达到国家标准。

2.3 模拟稻田中藻的生长及吸附效果

表1 普通小球藻、椭圆小球藻和梅尼小环藻对Hg、Cr、Cd的吸附Table 1 Adsorption of Chlorella vulgaris,Chlorella ellipsoidea and Cyclotella meneghiniana to Hg, Cr and Cd

表2 盆栽和模拟污染稻田藻处理的稻谷重金属残留 （mg/kg）Table2 Remained heveay metal in rice at Potted rice and Simulation pollution rice fi eld

对模拟Cd污染稻田中的藻生长观察发现：无藻稻田的水质透明，而有藻稻田水质明显变绿。

在水稻拔节期即将结束进入孕穗期的阶段，即插秧后34~42 d天气晴好时段，对稻田藻的生长情况用血球计数板进行了取样测定，结果如图5所示。

从图5中看出，稻田中的藻在34～42 d的数量呈上升趋势，从第34天的2.34×106个/mL上升至第42天的2.15×107个/mL。稻田水体中的藻数量（包括活细胞和沉入泥中的死藻）关系到其对水体中重金属的吸附量，进而影响水溶性重金属离子被水稻根部的吸收量。需要说明的是，尽管试验难免受到下雨等因素的影响，但有藻田（盆栽）和对照组的生态条件是基本相同的，因而两者的试验结果具有可比性。

模拟稻田试验结果表明，无藻类吸附的稻谷中重金属含量为0.68 mg/kg，投放藻类吸附后，稻谷中重金属Cd含量降至0.16 mg/kg，降低76.47%，含量达到国家标准。

2.4 Cd在水稻植株营养器官中的分布对比

模拟稻田试验中，无论是藻处理组还是对照组，重金属残留规律是：根>茎>叶。在有藻处理组中，根、茎和叶中Cd残留量分别为0.97、0.58和0.27 mg/kg，而对照组为1.67、1.25和0.63 mg/kg。可见，稻田水环境中藻对重金属的吸附大大减少了重金属进入水稻植株中的量。在有藻组中，稻田土壤的总Cd被土壤胶体吸附一部分[14]，被水体藻吸附一部分，雨水影响淋失一部分，稻田水中溶解一部分，其余将通过根部吸收进入水稻植株[15]。

3 讨 论

在模拟Cd污染稻田中，Cd的存在形态可分为水溶性和难溶性Cd两大类[16]。水溶性Cd主要包括离子态[如CdCI2、Cd（NO3）2等]和络合态[如Cd（OH）O2]，易迁移并能被水稻根吸收；难溶性Cd的化合物（如CdS等）则不易迁移，也不易被植物吸收。另外，稻田酸碱度和氧化还原条件对Cd的存在形态有直接影响[17]，水溶性Cd含量随土壤氧化还原电位的增大和pH值减小而增加，从而增加了Cd的生物有效性，更容易被水稻吸收。稻田有机质可与Cd螯合或络合，从而降低Cd的生物有效性，不易被水稻吸收。因此，当用呈酸性且被Cd污染的水灌溉时，水稻对Cd的吸收量相应增加，这种情形下稻田藻对水溶性Cd2+的吸附显得尤为重要。研究中模拟稻田重金属Cd污染试验中，藻在稻田中生长良好，密度增加快，是吸附Cd、遏制Cd污染的根本原因。同时，利用藻各自不同的习性和适应能力，采用3种藻的混合投放培养，确保了稻田中藻的繁殖能力和数量，产生了良好的Cd吸附效果。

土壤中有离子吸附Hg和共价吸附Hg、可溶性Hg（如HgCl2、HgCl3-、HgCl42-等），难溶性Hg（如HgHPO4、HgCO3、HgS等）等。盆栽中的可溶性Hg如HgCl3-、HgCl42-可被水体中及沉降在泥中的藻吸附。本研究的盆栽试验中，1号盆和4号盆是Hg吸附对比组，前者有藻，后者无藻，有藻组的稻谷Hg残留为0.23 mg/kg，而无藻组的稻谷Hg残留为0.98 mg/kg。

研究认为[18-19]：Cr在土壤中主要有Cr6+的络合阴离子和Cr3+的阳离子形式存在。前者进入土壤后大部分游离于土壤溶液中，仅有8.5%～36.2%被土壤胶体吸附固定，吸附部分的90%以物理吸附形式，其余以物理化学吸附（离子交换）和化学吸附（Cr6+还原为Cr3+）。这些没有被土壤吸附的游离Cr很容易被植物吸收，而且植物根分泌物中的羧基酸和氨基酸可能增加Cr在植物中的吸收[20-21]。而当稻田中有大量藻存在时，可吸附土壤游离Cr，减少植物根的吸收。本研究中的3号盆栽和6号盆栽，有藻的稻谷Cr残留量明显降低。通过上述3种重金属在稻田中的存在形式、行为特征以及Cd在植株的总量分析，稻谷水环境中的藻可以对离子态的重金属大量吸附，从而改变无藻情况下重金属被水稻根部大量吸收的状况，大大减少重金属进入水稻植株的总量，稻谷重金属残留随之大幅下降。

研究在缓解农田重金属污染方面作了小范围的初步探讨，在实际应用中，研究方法上还需要完善和改进。譬如，可以采用藻类固定法将灌溉前的污染水进行集中吸附，将大量的藻类以固定池或固定器的形式固定下来，形成单级或多级藻类固定装置，使被重金属污染的灌溉用水预先流经藻类固定器进行单级或多级吸附处理，减少灌溉水中的重金属量。然后将藻类吸附器进行脱附处理，使藻类吸附器再生，恢复重金属吸附能力，如此循环使用。另外，本研究认为，该法对稻田土壤的结构会产生一定的影响，吸附了重金属的藻类死亡后会沉入稻田土壤，成为稻田土壤中又一个固定重金属的组分，藻类死亡后对重金属的吸附作用有什么变化，这些被吸附固定的重金属在藻类死亡后会不会被释放而再次污染这些都有待进一步研究。

4 小 结

（1）淡水藻对重金属离子有较强的吸附能力。普通小球藻对Cd、Hg、Cr的吸附能力分别为：27.60、17.94和22.52 mg/g·h；椭圆小球藻吸附Hg、Cd、Cr的能力分别为：19.14、12.00和15.70 mg/g·h；梅尼小环藻吸附Hg、Cd、Cr的能力分别为28.00、9.08和26.38 mg/g·h。

（2）盆栽试验中，藻吸附处理的稻谷重金属残留量明显下降。普通小球藻、椭圆小球藻和梅尼小环藻混合投放的处理稻谷重金属Hg、Cd和Cr含量分别降低76.53%、65.71%和53.57。

（3）试验用藻在稻田内能正常繁殖生长，可以降低稻谷中的重金属Cd含量。在模拟镉污染稻田的藻吸附处理试验中，有藻田的稻谷Cd残留量为0.16 mg/kg，达到国家标准，而同等条件下无藻田的稻谷Cd残留为0.68 mg/kg。

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