水網藻對不同粒徑懸浮態鎘的去除機制研究

摘 要：稻田系統對灌溉水中懸浮態鎘的吸附是農田灌溉水中重金屬凈化的主要過程。從稻田結皮中采集水網藻，研究其對不同粒徑高嶺土載鎘懸濁液的去除動力學過程，并結合重金屬的分布形態分析，探討結皮對不同粒徑懸浮態鎘的去除機制。結果顯示：水網藻對離子態鎘的富集作用強于膠體態鎘，而對膠體態鎘的富集量與膠體的粒徑呈負相關。可見，進入水體中懸浮物與重金屬結合后，能降低其被藻類俘獲概率，增加其遷移能力，導致其污染距離增加。

關鍵詞：不同粒徑；高嶺土；水網藻；金屬分布

中圖分類號：X173 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）09-0051-03

Removal Mmechanism of Cadmium Suspended in Different Particle sizes by

Hydrodictyon reticulatum

HU Da-li1，LI Zhi-yi2，DENG Xiao-zhou2，PENG Liang2

（1. Plant Protection Station of Zhuzhou Agricultural Committee， Zhuzhou 412000， PRC； 2. College of Resources and Environment，

Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC）

Abstract： The adsorption of suspended cadmium in irrigation water by paddy field system is the main process of purifying heavy metals in farmland irrigation water. The Hydrodictyon reticulatum was collected from paddy field crust to study the process of removal of cadmium-loaded cadmium suspensions with different particle sizes. Combined with the analysis of the distribution of heavy metals， the removal mechanism of crusts with different sizes of suspended cadmium was investigated. The results showed that the accumulation of ionic cadmium was stronger than that of colloidal cadmium in Hydrodictyon reticulatum， while the concentration of colloidal cadmium was negatively correlated with the particle size of colloids. This experiment showed that the combination of suspended solids and heavy metals in the water body could reduce the probability of capture by algae， increased its migration ability， and increased its pollution distance.

Key words： different particle sizes； kaolin； Hydrodictyon reticulatum； metal distribution

水體中的重金屬由于自身化學性質的影響，在多種化學機理（沉淀、吸附、表面絡合、分配等）作用下，易于由水相轉入沉積物相，使河流中的重金屬主要在懸浮顆粒物中。然后，重金屬以懸浮顆粒物作為載體隨水流遷移分布，或者沉降于沉積物中，或者被生物所吸收利用，因此懸浮顆粒物作為重金屬污染的重要環境介質，其環境意義不可忽視。

水網藻（Hydrodictyon reticulatum）系大型網袋狀綠藻，廣泛分布于池塘溝渠、農田等靜水或水流緩慢的水體中。水網藻生長速度快，生長溫度范圍廣（5℃～40℃），藻體氮磷吸收能力強[1]，易于收集，因此，利用水網藻對水體典型污染物的治理有很大的潛力。劉偉等[2]探討了水網藻生態工程模式的特點與效率以及在農業面源污染治理中的應用；黎明[3]就水網藻在水體修復效果和影響因素進行了相關分析。試驗通過從茶陵典型南方稻田環境采集在生物土壤結皮中大量存在的水網藻，并進行表征分析和鎘對水網藻的重金屬分布試驗，研究水網藻對懸浮態鎘的吸收、轉化過程，旨在為減輕農田鎘污染提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 主要試劑 試驗中使用的HNO3、HCl、HClO4、高嶺土、EDTA-2Na等均購自國藥集團化學試劑有限公司；3-嗎啉丙磺酸（MOPS）購自北京索萊寶科技有限公司。溶液均由去離子水配制。

1.1.2 主要儀器 電子天平（BSA124S，Satorius）；ICP發射光譜儀（PerkinElmer Optima 8300 USA）；水浴超聲振蕩器（KQ2200DE Ultrasonic Cleaner 40 kHz 90 W）；消解爐（XJS36-42W labotery LLC）；掃描電子顯微鏡-X射線能譜儀（H7500 jem-1230 hitachi Corp JPN）；X射線晶體衍射器（D/MaX2500，日本理學公司）；恒溫光照搖床（TS-2102G2，上海天呈實驗儀器制造有限公司）；旋轉恒溫氣浴振蕩器（THZ-92A）；電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG-9076A）；LS-POP（9）激光粒度分析儀；X射線光電子能譜分析儀；LR7M大容量冷凍離心機。

1.2 試驗方法

1.2.1 負載鎘的高嶺土的粒徑篩選 稱取0.6 g高嶺土放入100 mL離心管，使用超聲振蕩10 min，再使用搖床震蕩，使樣品充分混合。之后使用離心機，通過調整轉速為500、1 000、2 000、4 000、6 000、

7 000、8 000、9 000和10 000 r/min獲得具有不同粒徑分布高嶺土的懸濁液。分別將轉速設置為2 000、

7 000和10 000 r/min，從而獲得高頻粒徑為400、100和5 μm的高嶺土懸濁液，用于試驗（表1）。

1.2.2 動力學試驗 設置5種模擬體系，分別為：CK，純水；D50，200 mg/L 5 μm高嶺土懸濁液、40 μg/L鎘復合溶液；D100，200 mg/L 100 μm高嶺土懸濁液、40 μg/L鎘復合溶液；D400，200 mg/L 400 μm高嶺土懸濁液、40 μg/L鎘復合溶液；Cd，40 μg/L鎘溶液。每種模擬體系為總體積100 mL，含1 g水網藻，5 mL CT培養液。在光照培養箱中培養，用80 r/min輕微振蕩，持續光照。設置多組模擬體系，分別在反應后30 min和1、6、12、24、48 h后取出水網藻樣品，將樣品消解后使用ICP發射光譜儀測量樣品中鎘的總含量，每個時間點的每種體系做3個平行。

1.2.3 在不同時間下水網藻中的鎘分布 分別將經過12、24和48 h反應的5種模擬體系中的水網藻進行過濾和清洗，得到樣品。將各個樣品分別放入50 mL的離心管中，分別使用超純水、EDTA、MOPS進行連續的分布離心-再懸浮提取法。將提取液和殘渣分別消解，并測量其中生物結皮胞外聚合物（EPS）、生物吸附（Sorbed）和非EDTA可提取組分（Non-EDTA exchangeable）的鎘含量。3個平行為一組。

1.2.4 水網藻的生理指標和表征測試 堿性磷酸酶的測量方法為取反應后的水網藻鮮重0.2 g于10 mL離心管中添加0.6 mL Tris（100 mmol/L）與0.4 mL PNPP（10 mmol/L）在25℃黑暗中靜置4 h。之后添加1 mL 0.5 mol/L NaOH，離心取上清液得到樣品，使用分光光度計在410 nm波長測試樣品；將取出的水網藻用超純水浸潤，在暗室中暗適應15 min。使用浮游生物熒光測量儀測量最大量子產率。

將5個體系中的水網藻過濾清洗，經液氮冷萃后使用冷凍干燥機抽氣，得到干燥樣品，樣品分別使用X射線光電子能譜技術（XPS）分析表面元素，X射線衍射（XRD）分析晶體形態，掃描電鏡能譜（SEM-EDS）進行表面觀察。

2 結果與分析

2.1 動力學試驗

由圖1可知，CK體系因為沒有外源鎘的存在，在每個時間點的鎘含量都很低。而對3個懸濁液-鎘復合體系而言，水網藻對鎘的富集作用隨懸濁液粒徑的增大而減小，D100與D400體系在各個時間點中鎘含量相近，總體D100體系鎘含量較高。在反應1 h后，D5體系的鎘含量明顯高于D100與D400，甚至高于離子態Cd體系，為2.08 mg/kg。絕大多數時候，離子態鎘體系Cd含量高于3個懸濁態鎘體系，在反應后48 h時，水網藻鎘含量為3.89 mg/kg。

圖1表明，離子態鎘微觀尺度小，容易被表面吸附，且離子態鎘與水網藻細胞的跨膜運輸以順濃度梯度的自由擴散為主；水網藻對離子態鎘的富集量隨時間增加而增大，且富集量大。在懸濁態鎘體系中，懸濁液顆粒容易快速與水網藻的胞外聚合物組分形成松散的結合，D5體系的微觀粒子尺度比D100體系和D400體系小兩個數量級，富集量與胞外聚合物組分中的含量明顯較大；D100與D400體系微觀尺度相差未到數量級，因此富集情況相近。

上述結果表明，在鎘污染的灌溉水中，懸浮物質的存在能有效地降低生物結皮對重金屬鎘的吸附與吸收。因此，灌溉水中的懸浮物質攜帶重金屬鎘遷移的距離比離子態鎘更加遠，而且懸浮物越大，遷移的距離更遠。

2.2 鎘在水網藻中分布隨時間變化狀態

從圖2可知，水網藻對離子態鎘的富集作用最強，對懸濁態鎘的富集作用隨顆粒微觀尺度的增大而減弱。對于Cd體系中，反應后12 h后，離子態鎘的富集主要在非EDTA提取態中，形態為金屬氧化物，生物吸附其次，胞外聚合物中無法檢測到；而在反應24 h與48 h后離子態鎘的富集主要在表面的生物吸附組分，而非EDTA提取態組分次之，胞外聚合物組分最低。原因在于，隨著反應的長時間進行，非EDTA提取態中金屬很少，更多的鎘將被吸附在生物表面，有少部分停留在胞外聚合物形成松散的結合結構。非EDTA提取態部分要么是生物吸收到體內，要么是生物產生的碳酸鹽或硫化物與重金屬成礦作用。試驗數據表明鎘很少進入體內，與鎘的非營養性有關，而且沒有發現生物成礦的跡象。

對于懸濁態-鎘復合體系，水網藻對懸濁態鎘的富集在3個時間點都主要存在于生物表面吸附中，而非EDTA提取態的鎘含量一直小于1 mg/kg，且三者含量接近。僅D5體系在反應12 h后在此組分的含量較D100和D400體系高。在反應24 h后，3個懸濁態-鎘復合體系與Cd體系中水網藻中的鎘在胞外聚合物中含量相近，而反應12 h后，僅有D5與D100體系在胞外聚合物組分上檢測到鎘。這與上文關于負載鎘的懸濁液顆粒在反應起初，能快速與水網藻的胞外聚合物組分形成松散結合的推測相符；在反應48 h后，D5體系的胞外聚合物鎘含量比其他四者明顯要高。這說明粒徑為5 mm的懸濁液顆粒與胞外聚合物的結合比離子以及粒徑為100和400 mm的懸濁液顆粒更加穩定。也許與水網藻表面EPS的微觀結構有關，水網藻的EPS厚度大約為2～8 mm，容易與其厚度相似的懸濁液結合。

2.3 生理指標測試

堿性磷酸酶是一種專一性較低的磷酸單酯酶，能夠裂解有機磷化合物，轉化為無機磷。而胞外堿性磷酸酶含量是生理活性的一個重要指標。由圖3可以看出，5個體系中的水網藻在該指標上無明顯的差異。

影響光合作用量子產率的環境條件有光強、溫度、水分、氧氣與二氧化碳濃度與營養狀況；內部條件則包括光合碳代謝途徑、呼吸作用、色素含量、NADPH/ATP比和生長狀況。在試驗設置中，以上環境因素在5個體系中區別不大，植物生長的內部條件主要是重金屬污染的影響。試驗結果表明，該濃度的離子態與懸濁液復合態的鎘對以上內部條件無明顯影響。濃度為40 μg/L的離子態與懸濁液復合態的鎘在48 h內對水網藻并沒有明顯的毒性作用，不會影響其生理指標與生命活動。

3 結論與討論

通過從茶陵典型南方稻田環境采集在結皮中大量存在的真核藻類——水網藻，利用人工調整不同粒徑的負載鎘的高嶺土顆粒懸濁液，觀察水網藻對不同粒徑懸浮態鎘富集及形態變化機制。結果表明：水網藻對離子態鎘的富集作用強于膠體態鎘，而對于膠體態鎘的富集量與膠體的粒徑呈負相關，試驗中膠體粒徑5 μm的鎘負載高嶺土的富集量為3個鎘-膠體體系中最大。而反應后的短時間內（30 min、1 h），膠體態鎘的富集與離子態相當。在長時間反應后（12 h、24 h），水網藻所富集的鎘主要分布在生物吸附與非EDTA可提取組分中，少量存在于胞外聚合物組分（EPS）。

參考文獻：

[1] 趙 坤，傅海燕，柴 天，等. 水網藻對銅綠微囊藻的化感作用及對氮磷去除能力研究[J]. 環境科學，2011，32（8）：67-69.

[2] 劉 偉，陳慶鋒，馬君健，等. 農業面源污染治理中水生植物的應用及其生態工程模式[J]. 安徽農業科學，2009，37（35）：65-67.

[3] 黎 明. 水生植物水體修復效果及其影響因素研究[D]. 蘇州：蘇州大學，2007.

（責任編輯：夏亞男）