小球藻對水體污染物重金屬Cd的生物吸附研究

劉忠曉

摘要：指出了藻類由于其特殊的細胞壁結構、較高的重金屬富集能力，是理想的生物吸附材料，適用于污染水體的生物修復。通過研究小球藻在一定重金屬離子濃度環境中在不同接觸時間下對重金屬Cd的吸附情況進行了實驗，確定小球藻對Cd的吸附能力；取自然污水，檢測對鎘的吸附，同時對小球藻重金屬生物吸附進行動力學分析。結果表明：在100 mg/L Cd濃度下，小球藻對鎘的吸附主要在20 min內完成，在吸附20 min時，對重金屬Cd的吸附效率為86.6%。對自然污水中鎘吸附率最高達到75.8%、69.7%和71.2%。同時對小球藻重金屬吸附的動力學進行了分析，結果證明都符合偽一階動力學方程。

關鍵詞：小球藻；鎘；鉛；銅；吸附

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）18012803

1引言

隨著工業化發展，人類向環境中排放的污染物重金屬逐漸增多，重金屬污染已成為全球性的環境污染問題，導致水生生物的生存受到嚴重威脅。同時重金屬污染物進入水體，參與復雜的水體生物地球化學循環，影響水生生態環境，給生態環境和人類帶來了極大的危害，限制了可持續發展＼[1＼]。如汞、鎘、鉛等會引起急性和慢性中毒，甚至產生致癌作用。

目前治理水體重金屬污染，較常見的方法主要有物理法、化學法和生物法＼[2＼]，物理和化學方法雖然有效，但是成本高，操作復雜，并容易造成二次污染。生物法指通過植物或微生物的凝集、吸附、累積等的方法得以去除，現國內外廣泛開展藻類對重金屬的凈化效率影響＼[3＼]，藻類具有生長速度快，取材方便，吸附作用快等特點，對水體重金屬污染生物修復具有較好應用前景。

藻類細胞壁的化學組成成分在重金屬吸附功能上有明顯優勢，細胞壁上的多糖、蛋白質等多聚復合物有與金屬離子結合的官能團（如羧基、羥基、醛基等）＼[4，5＼]。小球藻（Chlorella）為綠藻門小球藻屬普生性單細胞綠藻，是一種球形單細胞淡水藻類，直徑3～8 μm，是地球上最早的生命之一。小球藻是一種高效的光合植物，以光合自養生長繁殖，分布極廣。本文以蛋白核小球藻為材料，研究了小球藻對重金屬鎘的吸附作用及其吸附動力學，為開發處理水體重金屬污染的新型生物材料提供科學依據。

2材料與方法

2.1藻種與培養基

藻種為：核小球藻（Chlorella vulgaris），采用Bristol培養基進行培養。

2.2主要儀器和設備

單人超凈工作臺（ZHJH-C1109C）上海智誠分析儀器制造有限公司；多功能酶標儀（Bio-tek）；電子天平；立式不銹鋼蒸汽滅菌鍋（LDZX-50KBS），上海申安醫療器械廠；高速離心機；可調節烘箱；醫用冷藏箱（YC-300L），中科美菱；原子吸收分光光度儀，美國熱電。

2.3實驗藥品

硫酸鎘（CdSO4·3H2O）。

2.4實驗方法

2.4.1鎘儲備液的配制

準確稱取CdSO4·3H2O，配制成鎘濃度為1000 mg/L的鎘儲備液，用0.22 μm的濾膜過濾，根據試驗需要將儲備液進行稀釋。

2.4.2吸附實驗

取重金屬鎘的儲備液，稀釋為100 mg/L，取200 mL加入到500 mL錐形瓶中，紫外光下滅菌30 min，取一定濃度處于對數生長期的藻液，置于上述錐形瓶中，使藻液濃度為1.0×107cell/mL，調節pH值至7.0.將加有藻的含有鎘的三角錐形瓶放在恒溫冷凍振蕩器（速度為150 r/min）中培養，光照3500～4000lx和溫度25℃下進行實驗。吸附過程中，于5 min、10 min、20 min、30 min、60 min、120 min、360 min取樣，高速離心（10000 r/min）分離1 min，留上清液，用原子吸收法測定鎘濃度。

2.4.3標準曲線的繪制

精密吸取鎘的母液各0.1 mL、0.2 mL、0.3 mL、0.4 mL、0.8 mL、1.0 mL、2.0 mL于100 mL容量瓶中，加水定容至刻度，搖勻，配成0、1、2、3、4、8、10、20μg/L的系列標準曲線溶液。分別取2 mL標準溶液，用原子吸收分光光度計，測定并記錄吸光度值，繪制標準曲線。

2.4.4自然污水中，小球藻對重金屬鎘的吸附

選取某熱電廠、煉油廠與機械加工廠的水樣，分別測定水中鎘的含量。分別取200 mL加入到500 mL錐形瓶中，每個污水樣設置3個平行，取一定濃度處于對數生長期的藻液，置于上述錐形瓶中，使藻液濃度為1.0×107cells/mL，調節pH值至7.0.將加有藻的含有鎘的三角錐形瓶放在恒溫冷凍振蕩器（速度為150 r/min）中培養，光照3500～4000lx和溫度25℃下進行實驗。2 h后取樣，離心，之后取上清液，測上清液中鎘的含量。

2.4.5鎘離子質量濃度檢測方法及去除率的計算

樣品處理：吸取2 mL藻液倒入離心管中，離心，吸取上清液，利用原子吸收分光光度計檢測其濃度值。

樣品中鎘離子質量濃度測定：取1 mL水樣進行測定。

去除率R計算：

R=＼[（Po-pt）/po＼]×100%

式中：po表示金屬離子的初始質量濃度；Pt表示金屬離子的初始質量濃度。

2.4.6動力學研究

動力學試驗采用200 mL的濃度為100 mg/L的鎘、汞溶液，對樣品在不同吸附時間后的吸附量進行分析，采用傳統的速率表達式計算速率常數，公式如下：

qt=（C0-Ct）×V/m

式中：qt表示在t時刻的吸附容量（mg/g）；endprint

C0表示初始金屬濃度（mg/L）；

Ct表示在t時刻溶液中的金屬離子濃度（mg/L）；

V表示溶液體積（L）；

m表示小球藻的質量（g）。

3實驗結果

3.1小球藻對鎘離子的吸附

從圖1可以直觀的看出，小球藻對鎘離子的吸附隨時間變化規律，隨著培養時間增長，小球藻對鎘的吸附表現出吸附-解吸附-吸附交替的規律，在6 h后，呈現平衡。在培養生長20 min內，鎘離子的濃度下降較快，之后隨著培養時間的延長，鎘離子濃度有所回升，在6 h后，鎘離子濃度趨于平穩。在20 min時，小球藻對重金屬鎘的吸附率達到86.6%，在6 h達到平衡后，吸附率達到91.9%.

實驗表明，小球藻對重金屬鎘有快速的吸附能力，能夠實現對環境重金屬污染的生物修復。

3.2自然污水中小球藻對重金屬鎘的吸附

選取的某熱電廠、煉油廠與機械加工廠的污水，采樣后，對其鎘濃度進行了測定，測定結果見表1，在這兩處污水中，小球藻對重金屬鎘的吸附情況見圖2，本次研究得知，在污水中，吸附效率最低分別為75.8%、69.7%和71.2%。

3.3動力學分析

在一系列處理中，采用偽一階、偽二階和Elovich動力學模型進行動力學分析：＼[6＼]

qt=qe-qe exp（-k1t）

t/qt=（1/k2q2e）+（t/qe）

qt=In（αβ）/β+ In（t）β

式中：qe：在吸附平衡時吸附的重金屬的量（mg/g）；

qt：在t時間時吸附的重金屬的量mg/g）；

K1：偽一級反應速率常數；k2：偽二級反應常數；

α：初始吸附速率常數；β：解吸速率常數。

對鎘的吸附取得的數據用偽一階、偽二階和Elovich動力學模型進行擬合。非線性回歸軟件（Polymath）用來確定模型參數合相關統計指標如相關系數和均方誤差。

表2列出了在鎘濃度為100 mg/L中吸附至平衡的吸附動力學的關鍵參數。從表中可以得出，偽一階動力學方程比Elovich模型更加符合小球藻的生物吸附。

4結論

通過以上分析和實驗數據表明，小球藻對重金屬鎘具有生物吸附能力，可達到對重金屬鎘的快速吸附。在20 min時達到較大的吸附，在360 min時達到吸附平衡，即小球藻對重金屬鎘的吸附過程經歷了細胞表面的快速吸附以及內部的緩慢吸附兩個過程。藻類吸附重金屬可在細胞表面通過多重途徑，如通過與細胞壁上的多糖進行離子交換＼[7＼]，隨著培養時間的延長，吸附率逐漸穩定，細胞表面吸附的重金屬向細胞內部緩慢遷移，稱為主動運輸或生物積累＼[8＼]，在本次研究中，吸附20分鐘時，吸附效率達到86.6%，達到吸附平衡后，吸附效率達到91.9%。實驗證明，小球藻對重金屬鎘有較強的吸附效率。

本次實驗研究，選取的某熱電廠、煉油廠及機械加工廠三處的污水，小球藻對鎘的吸附效率分別達到75.8%、69.7%和71.2%，吸附率稍有下降。在污水中，除了鎘離子，還有其它的重金屬離子，形成競爭吸附，造成對鎘離子的吸附量的下降。通過實驗，小球藻不僅在試驗條件下有較高的吸附效率，在自然污水同樣具有較好的吸附效率，藻類對污水的重金屬污染的生物修復有極大的應用潛能。同時，動力學研究，為獲得工業規模批次的最佳操作條件的吸附過程提供了基礎。

參考文獻：

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