藻类植物在水体污染中的研究进展

张步云 韩玉洁 杨 琳

（1天津师范大学生命科学学院天津市动植物抗性重点实验室 天津 300387 2清华大学生命科学学院 北京 100084）

引言

水是难以替代的资源，由于人口的增加，各方面用水量的不断扩大使得淡水供应紧张。不仅如此，森林被毁、土壤退化等因素导致地面对水的吸收保护能力下降，雨季大水泛滥，而旱季严重缺水，而近些年来，水资源也遭到了严重的污染，造成水质量逐年下降。

水污染就是由有害化学物质造成水的使用价值降低或丧失。水的污染有两类：一类是自然污染；另一类是人为污染，两者中人为污染占重要比例。不同水域主要污染物不同：有机物污染在河流污染起主要作用；湖泊则以磷，氮污染物富营养化为特征；无机氮、活性磷酸盐和重金属则为近岸海域的主要污染物。

传统的水污染处理方法主要分为物理方法和化学方法。物理方法主要包括引水冲淤和调水等；化学方法主要包括如加入铁盐促进磷的沉淀、加入石灰脱氮等方法。而新型的一种净化水体的方法是水生植物净化法，该方法充分利用了水生植物的自然净化机能，而藻类就起到了很大的作用。

藻类属于原生生物界，构造简单，没有根、茎、叶的分化，是具同化色素而能进行独立营养生活的水生低等植物的总称，也是地球上最庞大的生物群体。它种类繁多，无维管束，也没有真正的根、茎、叶，能进行光合作用。大多数藻类都是水生的，也有生于陆水中的淡水藻，也有产于海洋的海藻。由此可见，几乎到处都有藻类的存在，藻类对环境的要求并不严格，而且适应性强，这也为水污染的净化奠定了基础。

藻类在水净化中，显示出的优势：（1）藻类植物可以适应多样的环境条件，对生长所需的营养及光照强度的要求不高。（2）藻类植物含有光合色素，可以进行光合作用，它可以将无机物合成有机物供自身所需，（3）藻类能吸附重金属，二氧化碳固定能力强，对水体净化有很大的帮助。本文就藻类对水体污染净化的研究进展进行综述。

1 藻类对水体中重金属离子净化的研究进展

重金属对藻类生长的影响，以重金属镉为例，镉在水环境中十分稳定，首先镉离子（Cd2+）有毒性，其次Cd2+对藻类的光合作用也有影响，Cd2+会使藻类光合放氧减少，叶绿素荧光(Fv/Fm)降低，抑制光系统Ⅱ（PSⅡ）的电子传输，并降低PSⅡ活性[1]。由于某些重金属离子对活藻菌株具有毒性，因此优化金属离子浓度是藻类高效生长的必要条件。Shanab和Essa观察到，低浓度的铅和镉离子(5-20ppm)通过增加叶绿素含量来促进藻类生长，而汞离子在任何浓度下都对藻类细胞有毒性作用[2]。重金属离子的毒性过大，可能导致蛋白质结构变性，取代必需元素，或破坏活海藻的氧化平衡，藻类细胞的应激强度取决于藻类细胞中氧化蛋白和脂质的含量，它对重金属离子的保护反应极其依赖于其对氧化损伤的抵抗能力。

藻类对重金属的吸附主要分为胞外快速吸附和胞内缓慢富集两个阶段：第一阶段：在大多数情况下，藻类细胞表面吸附重金属后，由于藻类细胞壁含有的一些官能团如巯基和磷酸根[3]等，使得其带负电，再通过离子交换或配位反应与重金属结合。第二阶段：重金属可以跨膜进入胞内富集。

藻类细胞壁吸附的金属离子是生物积累的第一步。研究发现，藻类细胞的细胞壁一般是纤维素的微纤丝形成的网状结构构成的，细胞壁所含有的不同结合基团例如 OH-，SH-，COO-，PO43-，NO3-等存在于细胞表面，细胞质中，尤其是液泡中（液泡可以看作是一种积聚金属离子的细胞器）。重金属离子吸附到海藻细胞后，被转运到细胞液泡中，在这一过程中，金属硫蛋白(MTs)等结合蛋白与吸附的离子结合，从而避免了宿主细胞中金属离子累积浓度的抑制作用。已有研究总结了不同金属离子与藻类细胞配体之间的亲和力，金属离子分为A、B、边缘型，A类倾向于通过其氧原子与I组配体建立连接，B类金属阳离子容易与II、III类配体桥接，而边缘金属离子可以与I、II、III类不同原子连接。在偏酸性的水体中，细胞壁上的官能团会被质子化，并阻止阳离子与官能团结合，导致生物吸附能力下降。因此，寻找特定藻类最大限度去除金属离子的最佳pH值至关重要，因为它与生物量的表面电荷、电离程度和吸附位点密切相关。除此之外，Aksu还研究了温度对小球藻生物量对Cd(II)和Ni(II)生物吸附的影响，他们观察到Cd(II)和Ni(II)的最大生物吸附发生在20℃和45℃[4-5]。通过研究测定了2、4、6、8天后分别收获的刚毛藻对镉、铅离子的吸附量，结果发现，随着时间的推移，海藻生长速率降低，但在较老的培养基中获得了更大的生物吸附能力[6]。这些结果表明，虽然重金属生物吸附会在接触的第一个瞬间迅速发生，但使用活海藻接触的时间越长，重金属生物迁移的水平越高。在藻类净化的研究中，转基因工程培育、开发修复效率高、运行费用低的新型藻类；或是通过诱变育种技术来改良遗传特性；或是分离对重金属敏感的突变株，鉴定、克隆其相关基因；或是通过转基因获得重金属耐性株已成为热点。

2 藻类对水体中有机污染物的研究进展

对水体中有机污染物的处理，传统方法分为两种：（1）物理方法主要包括吸附、混凝沉淀、渗析和离子交换等。尤其是对于那些有毒而又难降解有机污染物，大多采用吸附法、混凝法和萃取法等。最常用的一种方法是活性炭吸附，活性炭在吸附过程中起着双重作用——过滤并吸附，不仅如此，它还能够缩短再生周期，让有机污染物的去除更加容易。（2）化学方法则是利用化学反应的原理和方法，分离回收废水中的污染物，改变它们的性质，最终使废水无害化、低毒化。在化学方法处理中，最常用的处理技术有：中和、氧化、还原、分解等。

已有研究表明，藻类等浮游植物种群的变化受湖泊富营养化的影响，湖泊的富营养化最终会导致生态系统结构和功能的变化。大量营养元素可以促进叶绿素a和浮游藻类生物量的剧增，氮和磷是这些营养元素中的限制因子，浮游藻类藻细胞的密度与氮磷含量密切相关。Redfield定律认为，藻类细胞组成的原子比率 C∶N∶P=106∶16∶1，如果氮磷比超过 16∶1，磷被认为是限制性因素；反之，当氮磷比小于10∶1时，氮通常被考虑为限制性因素[7]。

水中有机的污染物主要是指氮磷有机物，藻类是一种自养型生物，利用光能将简单的营养物合成复杂的有机物。藻类的光合作用使其在很多水环境中成为了重要的阳光吸收器。已有研究表明，藻的光合器官吸收可见光，导致羧酸，碳水化合物和氨基酸等极性、离子态有机物的新陈代谢，从而用于降低水中的氮、磷含量。以废水中的有机物邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和三丁基锡氯化物 (TBTCl)为例，对于DBP而言，使用斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)进行生物降解实验，DBP在水相中的浓度降低得很快，藻体对化合物的生物富集和生物降解同时发生.在8h内生物富集占主导地位，而8h以后生物降解则占主导。因而，在8h时DBP在藻体中的浓度出现峰值。对于TBTCl而言，利用斜生栅藻和扁藻(Platymonas)进行生物降解实验，两种藻类都可以很快地降解TBTC1，因为生物富集和生物降解同时发生，所以，在两种藻体内的三丁基锡（TBT）浓度出现峰值，分别出现在48h和24h[8]。总体来讲，藻类对有机污染物的吸附主要体现在两者的相互作用，包括生物富集和生物降解这两种同时进行的过程，高浓度的有机污染物显示出对藻类的毒性，即为藻类的生物富集；当富集到一定程度后，藻类会体现出生物降解的作用，虽然有的时候降解的速度比较慢，但却可以完全降解有机污染物。

藻类在净化水污染中，不仅使藻类的成长与繁衍受到了有效抑制，而且水中的溶氧量得到增加。但也有缺点，例如对净化污水的藻类植物的回收利用比较缺乏且藻类植物生态功能和景象功能相结合的研讨比较缺乏。在以后藻类对水体有机污染物的净化中很有潜力的研究方向是：多加利用藻类固定化技术，并与传统的工艺结合起来，从而达到更好的水处理效果。

3 菌藻共生系统对水污染的研究进展

利用菌藻共生系统处理污水是指：藻类和细菌会在净化污水的过程中形成复杂的共生系统，共同净化污水。它是一种资源化技术，也是净化水体富营养化的有效途径。

藻类以光能作为能源，利用氮、磷等营养物质及CO2合成自身复杂的有机成分。菌藻共生系统是将藻类植物对污水中营养物和有机物去除能力与细菌的污染物降解能力有效结合净化污水。它的基本原理是：细菌在降解有机质的过程中，会产生CO2，产生的CO2又成为了藻类的主要碳源，促进了藻类的光合作用，藻类光合作用释放出的氧，增加了水中的溶解氧[9]，促进了细菌的代谢活动，使其能够维持正常的生命活动。

藻类塘和固定化菌藻就是利用菌藻共生系统处理污水的应用。高效藻类塘与传统相比具有的优势为：（1）塘的深度较浅（2）塘的宽度一般较窄。因此可以促进污水的完全混合、调节塘内氧和CO2的浓度等。这些优势使得塘内形成了有利于藻类和细菌生长繁殖的环境，加强了藻类和细菌之间的相互作用。研究表明，固定化菌藻对废水的处理效率更高。王翠红等利用固定化藻菌系统处理含酚废水，将分离培养所得的对酚具有高效降解作用的小球藻(Chlorellavulgaris)和紫色非硫光合细菌混合菌株混合体系用海藻酸钠包埋后，在好氧条件下处理含酚废水，可明显地提高除酚效率[10]。将铜绿微囊藻（Microcystisaeruginosa）和细菌混合固定化，研究其对污水中NH3-N和PO43--P的净化效率，结果表明：固定化混合藻菌体系对污水中NH3-N和PO43--P的去除效率比较高，并且随着实验时间的延长，对污水中NH3-N和PO43--P的去除效率逐渐增高[11]。

菌藻共生系统在利用藻类处理水污染的技术中体现出了巨大的优势，但该系统仍存在着许多问题，例如：固定化菌藻共生系统与传统工艺的整合，菌藻细胞增长到一定程度后会从固定化载体中漏出，固定化小球使用寿命短，包埋载体的再生等。对水污染的治理来说，菌藻共生系统仍是一个值得研究的方向。

4 利用污水培养藻类在生物能源方面的应用

石油能源是非可再生能源，过度采发和应用引发了诸如温室效应、能源危机等问题。[12]国家在十三五发展规划中提出要进行“能源转型”，加强开发应用生物质能源。藻类，光合效率高、生长速度快、固氮能力高、高碳水化合物、高中性脂肪含量，因此可利用污水培养浮萍，可作为生物能源材料，取代石油能源[13]。微藻中，碳水化合物和中性油脂是其初级碳源和能量的储备，可用于生产生物质乙醇和生物柴油。

碳水化合物和脂类可保护处于逆境中的藻类细胞，例如，高光、高盐等。因此，缺氮、缺硫、缺磷[14]等可提升微藻体内碳水化合物或者脂肪含量。在小球藻中，缺氮提高了其碳水化合物含量[15]。改变氮源可以提升微藻中的碳水化合物或脂类含量，可应用于提高藻类碳水化合物和脂肪含量中[16]，可将微藻在污水中进行培养，应用于生物产能。为了提升生物能源应用，除了改变藻类培养条件，还可以运用育种法等方法培育适应污水环境的微藻新品种，以更好应用于生物能源研究。

结语

藻类植物在地球上分布非常广泛，也正是如此，人类已经在工业，农业，医药，食品，环境保护等方面开发和利用藻类。我们已经知道，藻类植物能有效吸附水体中氮、磷等营养物质，并且固定二氧化碳，过滤并吸附固体悬浮物。藻类植物也可以蓄积Cd、Cr、Pb，从而说明藻类植物也可吸附重金属离子，减少了重金属离子对水环境的污染。因此，用藻类植物净化水质已经得到了普遍的认可。

藻类植物的研究不仅仅是在水污染的监测和净化方面。藻类由于其低比例的木质素和半纤维素，常常用作生物乙醇的来源，相比其他木质植物拥有着独特的优势，因此可以用作生物能源的开发。除此之外，藻类多糖还有抗病毒活性、抗菌消炎活性、抗肿瘤活性、抗氧化活性以及改善肾功能活性，因此它还有用作生物医药活性的功能。

但到目前为止，藻类植物的开发利用还存在着一些问题，例如：为了提高水质监测和净化效率，我们需要筛选出对特定污染物敏感的藻类物种，有些藻类植物对污染物处理的生理响应和机制并不明确，还需要进一步地研究。在藻类植物现有研究的基础上，对其开发技术也在不断地提高中，相信在以后水污染的治理及藻类的研究会进一步地深入，藻类植物一定会给人类带来更多的效益。