擬微綠球藻生長對4種重金屬的去除效果研究

鄭坤燦， 李嫣然， 武 迪， 錢改改， 劉 佳， 鞏東輝， 季 祥

(1. 內蒙古科技大學 能源與環境學院， 包頭 014010; 2. 內蒙古科技大學 生命科學與技術學院， 包頭 014010; 3. 包頭醫學院， 包頭 014010)

近年來，水污染與保護問題受到廣泛關注，其中重金屬污染水體由于其對人體危害大而備受關注。目前常用的處理重金屬廢水的理化方法如化學沉淀、溶劑萃取、離子交換、電化學處理等技術一般具有成本高、效率低的缺點[1]，并且這些方法常不能有效地用于金屬離子濃度小于 100 mg/L的廢水處理[2]。隨著生物工程技術的發展，用生物材料去除廢水中重金屬元素顯示出了巨大的發展潛力和應用前景。生物去除重金屬具有以下優點：1)原料價廉易得；2)吸附劑選擇性好；3)吸附容量大，金屬去除率高；4)不易產生二次污染；5)適合處理低濃度重金屬廢水(<100 mg/L)；6)被吸附金屬易洗脫，利于吸附劑再生和金屬回收。可以用作吸附劑的生物原料包括細菌、真菌、酵母、微藻等[3]。

擬微綠球藻屬綠藻門、真眼點藻綱。適宜的光強范圍是5000 lx～7000 lx。適宜的溫度范圍在0℃～30℃，適宜的最佳pH值為6.2～9.8[4]。擬微綠球藻對環境條件的要求低，生長速度快，且對許多有害物質都具有一定的吸附作用，是較為理想的生物吸附劑的原料。

1 材料與方法

1.1 材料

擬微綠球藻(NannochloropsisXJ006)為內蒙古自治區生物質能源化利用重點實驗室保存藻株。

1.2 重金屬吸附實驗方法

1) 經過大量預實驗選取擬微綠球藻生長較為穩定且去除率較高的重金屬離子的濃度范圍，作為下一步實驗濃度范圍依據。

2)取處在對數生長期的藻液分別接種到不同濃度的含重金屬 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)的培養基中，每組實驗設1個平行和1組空白對照。自接種之日起每48 h取樣，在無菌環境用分光光度計測定藻液在 680 nm處的吸光值(OD680)，測定其生物量觀察生長情況以及分別選取第17天藻液采用原子吸收分光光度計檢測重金屬含量。根據預試驗結果，得知生物量(Biomass)與OD680間的回歸方程為： Biomass=0.6808OD560+0.1965，R2=0.9902(初始藻液OD680值在0.200左右)。

3) 為研究Pd2+、Cd2+、Hg2+和As3+混合濃度對擬微綠球藻生長影響，采用4因素3水平正交設計，各因素水平如表1所示。

表1 擬微綠球藻4種重金屬濃度L9(34)正交試驗設計

1.3 數據處理

數據利用 Microsoft Excel、Origin 86和IBM SPSS Statistics 19等軟件進行分析。數據經單因素方差分析，P<0.05時視為差異顯著。

2 結果與討論

2.1 不同濃度的Pd2+對擬微綠球藻生長影響及其去除效果

鉛是一種常見的重金屬污染物，能被藻細胞富集，高濃度的Pd2+可抑制藻類的光合作用并影響藻細胞生長。不同濃度的Pd2+對擬微綠球藻生長到第17天生物量的影響及擬微綠球藻對Pd2+的去除率見圖1。

生物量的實驗結果顯示，在擬微綠球藻對數生長早期各處理組生長狀況基本相似，對數生長中后期Pd2+處理濃度大于10 mg/L的處理組，生物量在0.6 g/L左右不再增加。生物量在第17天明顯下降，與對照組藻細胞相比，具有顯著性差異(P<0.05)。劉璐等[5]也研究發現Pb2+處理濃度低于3 mg/L促進銅綠微囊藻生長，高于9 mg/L抑制其生長，與本實驗結果相近，可以推測擬微綠球藻對Pd2+的耐受范圍在0～9 mg/L。

擬微綠球藻對廢水中Pd2+的去除率隨著鉛離子濃度的增加呈現逐漸降低的趨勢。在Pd2+濃度為1 mg/L時去除率最高為79.80%，Pd2+處理濃度為11 mg/L和13 mg/L時擬微綠球藻的去除效率顯著降低。林海等[6]人采用狐尾藻和黑藻進行實驗，結果表明其對Pb2+均具有較好的去除效果，當Pb2+濃度為15 mg/L時，狐尾藻和黑藻的去除率分別為98.38%和94.35%。對比可見本研究采用擬微綠球藻對Pb2+的去除率較低，其原因可能為不同種類的藻細胞對Pb2+的去除效果有一定差別。

2.2 不同濃度Cd2+對擬微綠球藻生長影響及其去除效果

鎘是一種危害嚴重的重金屬污染物，其在海洋中分布廣泛。Cd2+可在藻細胞內殘留，危害藻細胞的生長以及發育，甚至導致藻細胞的死亡。不同濃度的Cd2+對擬微綠球藻生長到第17天生物量的影響及擬微綠球藻對Cd2+的去除率見圖2。

在本研究所取的Cd2+處理濃度0～5 mg/L范圍內，擬微綠球藻在整個生長周期生長狀況比較相近。但第17天與對照組相比，存在顯著性差異(P<0.05)。每種微藻由于自身生理特性的原因而對Cd2+的耐受能力不同，即使同一屬的微藻對Cd的耐受能力也有很大差異，如Cd2+對扁藻屬的Tetraselmisgracilis和Tetraselmissuecica的半抑制濃度(EC50)分別為1.8 mg/L和7.9 mg/L[7]。綜合對比可推測擬微綠球藻對Cd2+耐受性更高。

圖2 不同濃度Cd2+對擬微綠球藻生長影響及其去除效果

擬微綠球藻在Cd2+處理濃度為0.7 mg/L時去除率最高為88.37%。李坤等研究發現Cd2+處理濃度在0.053～0.32 mg/L時, 淡水小球藻對其去除率在35.90%～78.20%[8]。與本研究結果產生差異可能由于擬微綠球藻屬海水藻其對Cd2+耐受性高所以產生較好的去除效果。

2.3 不同濃度Hg2+對擬微綠球藻生長影響及其去除效果

汞為一種劇毒性重金屬，易與水中的懸浮顆粒結合，對藻細胞生長產生影響。不同濃度的Hg2+對擬微綠球藻生長到第17天生物量的影響及擬微綠球藻對Hg2+的去除率見圖3。

在本實驗研究濃度范圍內，各處理組在擬微綠球藻整個生長周期內生物量變化沒有較大區別，與對照組藻細胞相比，生物量不存在顯著性差異(P>0.05)。而戰玉杰等人的研究結果顯示濃度大于0.05 mg/L的Hg2+幾乎完全抑制了三角褐指藻和赤潮異彎藻的生長[9]，可見擬微綠球藻對Hg2+耐受性較高。

擬微綠球藻對廢水中Hg2+的去除率隨著Hg2+處理濃度的增加而下降， Hg2+處理濃度為0.03 mg/L的時候去除率最大為81.19%。Hg2+處理濃度在0.05 mg/L以上時，擬微綠球藻對Hg2+的去除率開始下降，但基本在50%～60%之間。綜合對比擬微綠球藻對微量濃度的Hg2+耐受性高，對其去除率也較高，可能原因為本研究所選取的Hg2+濃度范圍較低。

2.4 不同濃度As3+對擬微綠球藻生長影響及其去除效果

砷為一種與金屬相似的元素，元素砷基本無毒。在天然淡水中，砷的濃度范圍大致在0.5～5000 μg/L；相關污染源附近，砷含量甚至高達20 mg/L[10]。不同濃度的As3+對擬微綠球藻生長到第17天生物量的影響及擬微綠球藻對As3+的去除率見圖4。

圖3 不同濃度Hg2+對擬微綠球藻生長影響及其去除效果

圖4 不同濃度As3+對擬微綠球藻生長影響及其去除效果

由圖4可知不同濃度的As3+對擬微綠球藻生長的影響較大(P<0.05)。As3+處理濃度為0.5～2.5 mg/L時，擬微綠球藻的生物量在生長周期內不斷增加，在17 d趨于平穩。17 d時As3+處理濃度為0.5 mg/L的擬微生長較好，生物量與對照組相比，增加9%。As3+處理濃度大于1.0 mg/L時，隨著As3+離子濃度的增加，生物量依次下降。在As3+處理濃度為3.0～3.5 mg/L的范圍內，擬微綠球藻生物量幾乎沒有增加。

在本實驗研究濃度范圍內，擬微綠球藻對水中As3+處理濃度的去除效果隨著砷離子濃度的升高呈下降趨勢，下降趨勢較為明顯(P<0.05)。在As3+處理濃度為0.5 mg/L時，去除率最高為40.04%。整體去除率較低，推測可能由于As3+毒性較大。

根據大量研究表明，重金屬的生物吸附是一個復雜過程。Monteiro等[11]研究發現微藻吸附重金屬的過程主要包括兩個階段：第一階段發生在細胞表面，屬于重金屬被細胞快速吸附，主要通過表面絡合、離子交換等作用吸附到藻體表面。第二階段是藻細胞將重金屬吸收進內部，這個過程相對緩慢，即通過藻類的自身代謝進行的生物富集。生物富集的途徑有胞外聚合物、金屬結合蛋白、多磷酸體等。本研究只對擬微綠球藻去除重金屬時的去除率及生長狀況進行了研究，進一步機理的探究還需大量實驗研究證實。

2.5 4種重金屬離子對擬微綠球藻生長影響相互作用

表2 擬微綠球藻正交試驗結果

基于水環境中金屬污染的實際，為了更接近環境原位試驗的模擬，故采用正交設計4種重金屬離子進行多因子組合正交試驗，探究擬微綠球藻在不同濃度不同種類重金屬離子混合溶液中的生長狀況。

由表2中的極差R值，可以看出4種重金屬對擬微綠球藻生長影響的主次順序為：D>B>A>C，可見D濃度的大小為影響微藻生長的主要因素，As3+處理濃度對擬微綠球藻生長影響最大。通過分析4因素的均值可知，4種重金屬離子的最優組合為A3B3C2D1，Pb2+處理濃度為5 mg/L、Cd2+處理濃度為1 mg/L、Hg2+處理濃度為0.05 mg/L、As3+處理濃度為0.5 mg/L時擬微綠球藻生長狀況最佳。正交試驗結果As3+處理濃度對擬微綠球藻生長影響較大，與單因素實驗結果一致。Pb2+及Cd2+對擬微綠球藻生長有一定影響，推測可能對擬微綠球藻有一定毒性影響。Hg2+濃度對擬微綠球藻生長影響最小，推測可能為選取濃度較小。擬微綠球藻對不同重金屬元素的去除機理是否存在差異性，需進一步實驗探討研究。

3 結論

擬微綠球藻在濃度小于1 mg/L的重金屬Pd2+、Cd2+和As3+的溶液中可以正常生長，并在其濃度范圍內存在最佳去除率，1 mg/L的Pd2+去除率為79.80%，0.7 mg/L的Cd2+去除率為88.40%，0.5 mg/L的As3+去除率為40.04%。擬微綠球藻在濃度范圍0.00～0.15 mg/L的Hg2+溶液中能正常生長，最高去除率為濃度0.03 mg/L時81.19%。

正交試驗表明擬微綠球藻在Pb2+濃度為5 mg/L、Cd2+濃度為1 mg/L、Hg2+濃度為0.05 mg/L、As3+濃度為0.5 mg/L時也可正常生長，但綜合去除效果需進一步實驗測得。

通過比較，擬微綠球藻藻細胞對Cd2+、Pd2+及As3+有較高的耐受性，隨著離子濃度的增加，仍能維持穩定的生長，且對Cd2+和Pd2+有很好的去除效果，具有很高的潛在修復鉛、鎘污染水體的價值，可應用于對含鉛、鎘廢水的處理。擬微綠球藻對Hg2+的耐受性較低，但去除效果可以維持在穩定較高的水平，在處理微量汞離子廢水上有很大價值。處理重金屬后的擬微綠球藻藻細胞可通過洗脫去除重金屬離子，進行重復利用，有很好的重金屬廢水處理前景。本實驗基于實驗室水平，采用25℃，pH 7.0，4800 lx，光暗比1∶1的培養條件，但對于擬微綠球藻去除重金屬離子過程中不同pH值、溫度、N、P條件下，耐受范圍的變化應該更接近真實的水環境狀態，此類環境培養因素研究需進一步實驗探究。