拟微绿球藻生长对4种重金属的去除效果研究

郑坤灿， 李嫣然， 武 迪， 钱改改， 刘 佳， 巩东辉， 季 祥

(1. 内蒙古科技大学 能源与环境学院， 包头 014010; 2. 内蒙古科技大学 生命科学与技术学院， 包头 014010; 3. 包头医学院， 包头 014010)

近年来，水污染与保护问题受到广泛关注，其中重金属污染水体由于其对人体危害大而备受关注。目前常用的处理重金属废水的理化方法如化学沉淀、溶剂萃取、离子交换、电化学处理等技术一般具有成本高、效率低的缺点[1]，并且这些方法常不能有效地用于金属离子浓度小于 100 mg/L的废水处理[2]。随着生物工程技术的发展，用生物材料去除废水中重金属元素显示出了巨大的发展潜力和应用前景。生物去除重金属具有以下优点：1)原料价廉易得；2)吸附剂选择性好；3)吸附容量大，金属去除率高；4)不易产生二次污染；5)适合处理低浓度重金属废水(<100 mg/L)；6)被吸附金属易洗脱，利于吸附剂再生和金属回收。可以用作吸附剂的生物原料包括细菌、真菌、酵母、微藻等[3]。

拟微绿球藻属绿藻门、真眼点藻纲。适宜的光强范围是5000 lx～7000 lx。适宜的温度范围在0℃～30℃，适宜的最佳pH值为6.2～9.8[4]。拟微绿球藻对环境条件的要求低，生长速度快，且对许多有害物质都具有一定的吸附作用，是较为理想的生物吸附剂的原料。

1 材料与方法

1.1 材料

拟微绿球藻(NannochloropsisXJ006)为内蒙古自治区生物质能源化利用重点实验室保存藻株。

1.2 重金属吸附实验方法

1) 经过大量预实验选取拟微绿球藻生长较为稳定且去除率较高的重金属离子的浓度范围，作为下一步实验浓度范围依据。

2)取处在对数生长期的藻液分别接种到不同浓度的含重金属 Pd2+(0、1、3、5、7、9、11和13 mg/L)、Cd2+(0、0.1、0.3、0.5、0.7、1、3和5 mg/L)、As3+(0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3和3.5 mg/L)、Hg2+(0、0.03、0.05、0.07、0.11、0.13、0.15 mg/L)的培养基中，每组实验设1个平行和1组空白对照。自接种之日起每48 h取样，在无菌环境用分光光度计测定藻液在 680 nm处的吸光值(OD680)，测定其生物量观察生长情况以及分别选取第17天藻液采用原子吸收分光光度计检测重金属含量。根据预试验结果，得知生物量(Biomass)与OD680间的回归方程为： Biomass=0.6808OD560+0.1965，R2=0.9902(初始藻液OD680值在0.200左右)。

3) 为研究Pd2+、Cd2+、Hg2+和As3+混合浓度对拟微绿球藻生长影响，采用4因素3水平正交设计，各因素水平如表1所示。

表1 拟微绿球藻4种重金属浓度L9(34)正交试验设计

1.3 数据处理

数据利用 Microsoft Excel、Origin 86和IBM SPSS Statistics 19等软件进行分析。数据经单因素方差分析，P<0.05时视为差异显著。

2 结果与讨论

2.1 不同浓度的Pd2+对拟微绿球藻生长影响及其去除效果

铅是一种常见的重金属污染物，能被藻细胞富集，高浓度的Pd2+可抑制藻类的光合作用并影响藻细胞生长。不同浓度的Pd2+对拟微绿球藻生长到第17天生物量的影响及拟微绿球藻对Pd2+的去除率见图1。

生物量的实验结果显示，在拟微绿球藻对数生长早期各处理组生长状况基本相似，对数生长中后期Pd2+处理浓度大于10 mg/L的处理组，生物量在0.6 g/L左右不再增加。生物量在第17天明显下降，与对照组藻细胞相比，具有显著性差异(P<0.05)。刘璐等[5]也研究发现Pb2+处理浓度低于3 mg/L促进铜绿微囊藻生长，高于9 mg/L抑制其生长，与本实验结果相近，可以推测拟微绿球藻对Pd2+的耐受范围在0～9 mg/L。

拟微绿球藻对废水中Pd2+的去除率随着铅离子浓度的增加呈现逐渐降低的趋势。在Pd2+浓度为1 mg/L时去除率最高为79.80%，Pd2+处理浓度为11 mg/L和13 mg/L时拟微绿球藻的去除效率显著降低。林海等[6]人采用狐尾藻和黑藻进行实验，结果表明其对Pb2+均具有较好的去除效果，当Pb2+浓度为15 mg/L时，狐尾藻和黑藻的去除率分别为98.38%和94.35%。对比可见本研究采用拟微绿球藻对Pb2+的去除率较低，其原因可能为不同种类的藻细胞对Pb2+的去除效果有一定差别。

2.2 不同浓度Cd2+对拟微绿球藻生长影响及其去除效果

镉是一种危害严重的重金属污染物，其在海洋中分布广泛。Cd2+可在藻细胞内残留，危害藻细胞的生长以及发育，甚至导致藻细胞的死亡。不同浓度的Cd2+对拟微绿球藻生长到第17天生物量的影响及拟微绿球藻对Cd2+的去除率见图2。

在本研究所取的Cd2+处理浓度0～5 mg/L范围内，拟微绿球藻在整个生长周期生长状况比较相近。但第17天与对照组相比，存在显著性差异(P<0.05)。每种微藻由于自身生理特性的原因而对Cd2+的耐受能力不同，即使同一属的微藻对Cd的耐受能力也有很大差异，如Cd2+对扁藻属的Tetraselmisgracilis和Tetraselmissuecica的半抑制浓度(EC50)分别为1.8 mg/L和7.9 mg/L[7]。综合对比可推测拟微绿球藻对Cd2+耐受性更高。

图2 不同浓度Cd2+对拟微绿球藻生长影响及其去除效果

拟微绿球藻在Cd2+处理浓度为0.7 mg/L时去除率最高为88.37%。李坤等研究发现Cd2+处理浓度在0.053～0.32 mg/L时, 淡水小球藻对其去除率在35.90%～78.20%[8]。与本研究结果产生差异可能由于拟微绿球藻属海水藻其对Cd2+耐受性高所以产生较好的去除效果。

2.3 不同浓度Hg2+对拟微绿球藻生长影响及其去除效果

汞为一种剧毒性重金属，易与水中的悬浮颗粒结合，对藻细胞生长产生影响。不同浓度的Hg2+对拟微绿球藻生长到第17天生物量的影响及拟微绿球藻对Hg2+的去除率见图3。

在本实验研究浓度范围内，各处理组在拟微绿球藻整个生长周期内生物量变化没有较大区别，与对照组藻细胞相比，生物量不存在显著性差异(P>0.05)。而战玉杰等人的研究结果显示浓度大于0.05 mg/L的Hg2+几乎完全抑制了三角褐指藻和赤潮异弯藻的生长[9]，可见拟微绿球藻对Hg2+耐受性较高。

拟微绿球藻对废水中Hg2+的去除率随着Hg2+处理浓度的增加而下降， Hg2+处理浓度为0.03 mg/L的时候去除率最大为81.19%。Hg2+处理浓度在0.05 mg/L以上时，拟微绿球藻对Hg2+的去除率开始下降，但基本在50%～60%之间。综合对比拟微绿球藻对微量浓度的Hg2+耐受性高，对其去除率也较高，可能原因为本研究所选取的Hg2+浓度范围较低。

2.4 不同浓度As3+对拟微绿球藻生长影响及其去除效果

砷为一种与金属相似的元素，元素砷基本无毒。在天然淡水中，砷的浓度范围大致在0.5～5000 μg/L；相关污染源附近，砷含量甚至高达20 mg/L[10]。不同浓度的As3+对拟微绿球藻生长到第17天生物量的影响及拟微绿球藻对As3+的去除率见图4。

图3 不同浓度Hg2+对拟微绿球藻生长影响及其去除效果

图4 不同浓度As3+对拟微绿球藻生长影响及其去除效果

由图4可知不同浓度的As3+对拟微绿球藻生长的影响较大(P<0.05)。As3+处理浓度为0.5～2.5 mg/L时，拟微绿球藻的生物量在生长周期内不断增加，在17 d趋于平稳。17 d时As3+处理浓度为0.5 mg/L的拟微生长较好，生物量与对照组相比，增加9%。As3+处理浓度大于1.0 mg/L时，随着As3+离子浓度的增加，生物量依次下降。在As3+处理浓度为3.0～3.5 mg/L的范围内，拟微绿球藻生物量几乎没有增加。

在本实验研究浓度范围内，拟微绿球藻对水中As3+处理浓度的去除效果随着砷离子浓度的升高呈下降趋势，下降趋势较为明显(P<0.05)。在As3+处理浓度为0.5 mg/L时，去除率最高为40.04%。整体去除率较低，推测可能由于As3+毒性较大。

根据大量研究表明，重金属的生物吸附是一个复杂过程。Monteiro等[11]研究发现微藻吸附重金属的过程主要包括两个阶段：第一阶段发生在细胞表面，属于重金属被细胞快速吸附，主要通过表面络合、离子交换等作用吸附到藻体表面。第二阶段是藻细胞将重金属吸收进内部，这个过程相对缓慢，即通过藻类的自身代谢进行的生物富集。生物富集的途径有胞外聚合物、金属结合蛋白、多磷酸体等。本研究只对拟微绿球藻去除重金属时的去除率及生长状况进行了研究，进一步机理的探究还需大量实验研究证实。

2.5 4种重金属离子对拟微绿球藻生长影响相互作用

表2 拟微绿球藻正交试验结果

基于水环境中金属污染的实际，为了更接近环境原位试验的模拟，故采用正交设计4种重金属离子进行多因子组合正交试验，探究拟微绿球藻在不同浓度不同种类重金属离子混合溶液中的生长状况。

由表2中的极差R值，可以看出4种重金属对拟微绿球藻生长影响的主次顺序为：D>B>A>C，可见D浓度的大小为影响微藻生长的主要因素，As3+处理浓度对拟微绿球藻生长影响最大。通过分析4因素的均值可知，4种重金属离子的最优组合为A3B3C2D1，Pb2+处理浓度为5 mg/L、Cd2+处理浓度为1 mg/L、Hg2+处理浓度为0.05 mg/L、As3+处理浓度为0.5 mg/L时拟微绿球藻生长状况最佳。正交试验结果As3+处理浓度对拟微绿球藻生长影响较大，与单因素实验结果一致。Pb2+及Cd2+对拟微绿球藻生长有一定影响，推测可能对拟微绿球藻有一定毒性影响。Hg2+浓度对拟微绿球藻生长影响最小，推测可能为选取浓度较小。拟微绿球藻对不同重金属元素的去除机理是否存在差异性，需进一步实验探讨研究。

3 结论

拟微绿球藻在浓度小于1 mg/L的重金属Pd2+、Cd2+和As3+的溶液中可以正常生长，并在其浓度范围内存在最佳去除率，1 mg/L的Pd2+去除率为79.80%，0.7 mg/L的Cd2+去除率为88.40%，0.5 mg/L的As3+去除率为40.04%。拟微绿球藻在浓度范围0.00～0.15 mg/L的Hg2+溶液中能正常生长，最高去除率为浓度0.03 mg/L时81.19%。

正交试验表明拟微绿球藻在Pb2+浓度为5 mg/L、Cd2+浓度为1 mg/L、Hg2+浓度为0.05 mg/L、As3+浓度为0.5 mg/L时也可正常生长，但综合去除效果需进一步实验测得。

通过比较，拟微绿球藻藻细胞对Cd2+、Pd2+及As3+有较高的耐受性，随着离子浓度的增加，仍能维持稳定的生长，且对Cd2+和Pd2+有很好的去除效果，具有很高的潜在修复铅、镉污染水体的价值，可应用于对含铅、镉废水的处理。拟微绿球藻对Hg2+的耐受性较低，但去除效果可以维持在稳定较高的水平，在处理微量汞离子废水上有很大价值。处理重金属后的拟微绿球藻藻细胞可通过洗脱去除重金属离子，进行重复利用，有很好的重金属废水处理前景。本实验基于实验室水平，采用25℃，pH 7.0，4800 lx，光暗比1∶1的培养条件，但对于拟微绿球藻去除重金属离子过程中不同pH值、温度、N、P条件下，耐受范围的变化应该更接近真实的水环境状态，此类环境培养因素研究需进一步实验探究。