（环境工程专业论文）蛋白核小球藻对重金属的吸附及其机理的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 蛋白核小球藻对重金属的吸附及其机理的研究 摘要 淡水藻类作为水体环境中的重要组成部分，能够吸附水体的重金 属并对其迁移和转化产生重要影响。本文选取重金属中具有不同毒性 的c u 2 + 、p b 2 + 、c d 2 + 、c ，四种重金属为代表物，研究了蛋白核小球 藻对所选四种重金属的吸附行为，同时对吸附机理进行了探讨。主要 研究内容包括以下两部分： 一、研究了蛋白核小球藻对c u 2 + 、p b 2 + 、c 矿、c ，的吸附行为 和环境因素变化对吸附的影响。结果表明：蛋白核小球藻对重金属的 吸附是一个快速完成的过程，吸附完成后不易脱附。l a n g m u i r 吸附 模型拟合吸附等温线得到蛋白核小球藻对c u 寸、p b 2 + 、c d 寸、c ，四 种金属离子的最大理论吸附量g m 觚分别为0 6 1 2 、0 4 3 8 、0 2 7 8 、0 4 9 5 m m o l g ，说明该种小球藻能够作为良好的生物吸附剂修复重金属污染 水体。在不产生金属离子沉淀的p h 值范围内，小球藻对金属离子的 吸附能力随p h 值的升高而增强。体系离子强度的升高不利于金属离 子在小球藻上的吸附。在一定的温度范围内，金属离子的吸附量随温 度的升高而增加，溶解性有机质一富里酸的存在抑制了小球藻对金属 离子的吸附。 二、研究了蛋白核小球藻对金属离子的吸附机理。以c u 2 + 为代表， 浙江工业大学硕士学位论文 测定了其与含有不同羟基和羧基官能团的模式化合物的络合稳定常 数k 稳，通过比较k 稳的大小，得出c u 2 + 与羧基的络舍能力大于羟基。 而c u 2 + 与小球藻的络合稳定常数介于k 稳( - c o o h ) 和k 穗( - o h ) 之间， 说明在小球藻吸附c u 2 + 的过程中，两种基团均参与了作用。根据络合 能力的强弱，理论上可以推断，在低浓度的金属离子存在下首先参与 作用的是c o o h ，随着金属离子浓度的升高，o h 开始参与到络合 反应中。通过对不同金属离子浓度下吸附得到的小球藻样品的c o o h 和o h 基团的滴定以及傅里叶红外光谱的检测结果，验证了我们的推 断。 关键词：蛋白核小球藻，重金属，生物吸附，富里酸，络合稳定常数 i i i 浙江工业大学硕士学位论文 b i o s o i 冲o no fh ea 匝t a l sf i 己o m a q u e o u ss o l u t o nb yc h l o r e l l ap y r e n o i d s a a 套i di t sr e a c t l 0 n 蚤皿c h 姗s m a b s l 限a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , h e a v y - m e t a lp o l l u t i o nh a s b e c o m eo n eo ft h em o s ts e r i o u sc o n t a i n i n a t i o n st h a tt h r e a te n v i r o n m e n t a n dh u m a nb e i n g s t h er e m a i n so fa q u a t i ca l g a ea r ew i d e s p r e a da n d c o n s t i t u t ea n i m p o r t a n to r g a n i cf r a c t i o n i nn a t u r a lf r e s h w a t e r e n v i r o n m e n t s a c c o r d i n g l y , t h e i ra d s o r p t i o n o fh e a v ym e t a l s m a y i n f l u e n c eo rd e t e r m i n et h ee n v i r o n m e n t a lp r o c e s s e sa n db e h a v i o ro ft h e m e t a l s i nt h i ss t u d y , w ec h o o s e df o u rh e a v ym e t a l sw i t hd i f f e r e n t d e g r e e s o ft o x i t yt oi n v e s t i g a t et h e i ra d s o r p t i o nf r o mw a t e rb yt h ef r e s h w a t e ra l g a c h o r e ap y r e n o i d s a i n a d d i t i o n , t h ea d s o r p t i o nm e c h a n i s mw a s e v a l u a t e di nt h es e c o n d p a r t t h em a i nr e s u l t sa r es h o w na st h ef o l l o w i n g t w op a r t s i nt h ef i r s tp a r t , w ei n v e s t i g a t e dt h ea d s o r p t i o no ff o u rt o x i ch e a v y m e t a l st h a ta r eo f g r e a tc o n c e r n , c u 2 + 、p b 2 + 、c d 2 + a n dc r，f r o mw a t e rb y i v t h ef r e s h w a t e ra l g ac h l o r e l l ap y r e n o i d s a i na d d i t i o n , t h ef a c t o r st h a t i n f l u e n c et h ea d s o r p t i o nw e r ee v a l u a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o c e s s e q u i l i b r i u mo fa l lf o u rh e a v ym e t a l sr e a c h e dq u i c k l y , a n dt h e s em e t a l s r e s i s t e dd e s o r p t i o ne x c e p tf o rc d 2 + t h e a d s o r p t i o ni s o t h e r m so b t a i n e df o r c u 2 + 、p b 2 + c d 2 + a n dc r 3 + f o l l o w e da l a n g m u i rs h a p e ，w i t ht h ea d s o r p t i o n i n i t i a l l yi n c r e a s i n gr a p i d l ya n dt h e na p p r o a c h i n gs a t u r a t i o nw i t hf u r t h e r i n c r e a s i n g m e t a l c o n c e n t r a t i o n b yf i t t i n ga d s o r p t i o n d a t at ot h e l a n g m u i re q u a t i o n ，t h eo b t a i n e dm a x i m a la d s o r p t i o n s 毅) w e r e0 6 1 2 、 0 4 3 8 、0 2 7 8 、0 4 9 5m m o l gf o rc u 2 + 、p b 2 + 、c d 2 + a n dc r r e s p e c t i v e l y , w h i c hs u g g e s t st h a tt h ea l g ac h l o r e l l a p y r e n o i d s am a yb ea p p l i e da sa n e f f e c t i v eb i o s o r b e n t t h ea d s o r p t i o no fb o t hm e t a l si n c r e a s e da st h ep h i n c r e a s e di nt h er a n g et h a th e a v ym e t a l sh a v en o tp r e c i p i t a t e d a st h e c o n c e n t r a t i o no fn a n 0 3 ( i o n i cs t r e n g t h ) i n c r e a s e d , t h e a d s o r p t i o no f h e a v ym e t a l sd e c r e a s e d t h ee n h a n c e m e n to fa d s o r p t i o nb yt h ei n c r e a s i n g o f t e m p e r a t u r ei n d i c a t e dt h a tt h ea d s o r p t i o nw a se n d o t h e r m i c d i s s o l v e d f u l v i ca c i dp l a y e dan e g a t i v er o l eo nt h e a d s o r p t i o no f h e a v ym e t a l s i nt h es e c o n dp a r t ，m e c h a n i s mo f h e a v ym e t a la d s o r p t i o n0 1 1a l g a c h l o r e l l ap y r e n o i d s aw a s i n v e s t i g a t e d t a k i n gc u 2 + a st h er e p r e s e n t , w e a t t a i n e dt h ec o m p l e x a t i o ns t a b i l i yc o n s t a n t s ( x 3b e t w e e nc u 2 a n dm o d e l c o m p o u n d sw i t hh y d r o x y l - a n de a r b o x y l a c c o r d i n gt ot h ec o m p l e x a t i o n s t a b i l i t yc o n s t a n t s ，w ef o u n dt h a tc u w a se a s i e rt of o r m 觚 c o m p l e x a t i o nw i t hc a r b o x y lt h a th y d r o x y lw h e nt h et w ok i n d so f g r o u p s v 浙江工业大学硕士学位论文 e x i s t e dt o g e t h e r t h ec o m p l e x a t i o ns t a b i l i t yc o n s t a n t o f c u - a l g a ew a s b e t w e e nk ( c o o n ) a n dk ( o h ) ，w h i c hi n d i c a t e dt l i i tc u 2 + c o m b i n e d w i t hb o t hh y d r o x y la n dc a r b o x y lo nt h es u r f a c eo fa l g a ec e l ld u r i n gt h e a d s o r p t i o np r o c e s s t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec o m p l e x a t i o ns t a b i l i t y c o n s t a n t so fc u - - c o o ha n dc u - o hi n f e r r e dt h a t o n l yc u c o o h c o m p l e x a t i o ne x s i s t e di nt h ev e r yl o wh e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o na n d c u - o hc o m p l e x a t i o nb e g a nt of o r mw h e nt h eh e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o n c a m et oac e r t a i nd e g r e e t h i si n f e r e n c ew a sp r o v e db yp o t e n t i o n m e t r i c t i t r a t i o na n df o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a - r e d t i r ) s t u d i e so na d s o r p t i o n a l g a es a m p l e s k e yw o r d s ：c h l o r e l l a p y r e n o i d s a ，h e a v ym e t a l s ，b i o s o r p t i o n ，f u l v i c a c i d ，c o m p l e x a t i o ns t a b i l i t yc o n s t a n t v i 浙江工业大学硕士学位论文 g c t y 刀z m k q c e r q o q f 符号说明 小球藻对重金属的吸附量，m m o l g 吸附完成后收集的藻消解液中的金属浓度，m g 几 定容的体积，l 小球藻的干重，g 金属的摩尔质量，g m o l 吸附平衡常数，l g 重金属平衡吸附量，m m o 垤 重金属平衡浓度，m m o l l 吸附量的抑制率 未添加富里酸时小球藻对重金属的吸附量，m m o l g 添加富里酸后小球藻对重金属的吸附量，m m o l g i x 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章文献综述 随着工农业生产的高速发展，对于金属材料的运用涉及到人们生产生活的方 方面面，越来越多的金属从矿山和地壳中被发掘提炼出来，如此金属自身在自然 界中迁移转化过程被破坏，同时由于人们对于废弃的金属不恰当地处置，导致一 些有毒有害重金属在环境中大量暴露，如电子产品的随意丢弃、垃圾的随意堆积 导致金属随着渗滤液进入土壤和水体中、交通运输中机动车排放的尾气使重金属 进入大气环境中。进入环境中的重金属或者直接与人体接触进入人体，或者通过 在环境中生物中富集和放大作用，通过食物链最终到达人体产生作用，危害人体 健康。 生物修复是通过生物的作用清除环境中的污染物，或是使污染物无害化的过 程。由于生物修复的低成本、来源广泛、无二次污染等优点，越来越得到重视， 并且运用于污染环境的修复中。重金属污染的生物修复成为其中的重要部分。细 菌、植物、食用菌等被用作重金属的生物修复剂f l 司。 1 2 重金属污染物 重金属是具有即时和潜在危害的重要污染物。重金属污染的威胁在于它难以 微生物降解，能够长时间存在于环境中，在各圈层中迁移。同时，重金属能够在 生物体内富集，并且在生物体内通过生物化学转化成具有更强毒性的金属有机化 合物，比如最典型的是汞，甲基化后形成的c r i 正l g + 的毒性比无机汞的毒性高几 个数量级。自世纪确证汞和镉的污染造成的公害病水俣病和痛痛病以后，环 境中的重金属污染问题日渐受到人们的重视【4 】。在美国国家环保局( u s ae p a ) 公布的环境优先控制污染物名单中，有1 5 种是无机重金属及其化合物，同样，在 我国公布的环境污染物“黑名单”中也有1 0 种重金属及其化合物【5 】。 虽然重金属的最初来源是岩石圈的矿藏，但是和其他污染物质一样，重金属 也是通过各种途径在环境各圈层中迁移转化，最终受污染最严重的是土壤和水体。 大气中的重金属含量极少，主要是由于地面的扬尘、海水的泡沫、人类生产活动 浙江工业大学硕士学位论文 的烟尘、交通运输的汽车尾气等，并且进入大气中的重金属能够通过干沉降或者 通过降水等湿沉降而回到土壤或水体中。所以现今对于重金属污染研究的重点主 要集中于土壤和水体的研究，主要研究内容是：重金属在不同土壤和水体中的分 布及存在形态，土壤和水体中重金属对生物的影响，采用物理、化学和生物的方 法对各种重金属污染进行治理和修复等。 1 2 1 土壤重金属污染 相对于水体污染常和大气污染，土壤污染具有一定的隐蔽性，不容易被人们 觉察。污染的水体会出现变色发臭，严重的有大量水生生物死亡；受污染的大气 则是会有天色灰蒙，有刺激性气味等一些令人的感官产生不快的现象，使得人们 能够较早的发觉，并进行及时控制和治理。由于土壤污染的隐蔽性，导致了人们 将大量污染物排入到土壤中而不自知，最终使得土壤污染日益加剧。根据中科院 生态所研究，目前我国受镉、砷、铬和铅污染的耕地面积近2 0 0 0 万公顷，约占耕 地总面积的l 5 ，每年因重金属污染而减产粮食1 0 0 0 多万吨网。 土壤污染的来源主要是城市工业、金属矿业污染物的排放以及废弃物拆解区 重金属污染。陈同斌等对香港表层土壤的重金属含量和污染现状进行了研究，发 现工业区和商业区的铅含量较高，而农业区和林业区铅的污染较低川。赵琦等研 究了成都市区的铅污染状况，发现市中心与工业区比城郊高，且随着距离中心区 的距离的增加，污染的成都逐渐下斛引。崔刑涛等研究了石家庄市区的土壤重金 属污染状况，得出h g 和c d 是该市污染最严重的两种重金属【9 】。不仅城市，金属 矿业排放的重金属污染物也相当多。钟道旭等研究了杭州市郊一镀锌厂周围农田 土褰水稻中重金属污染及其风险，结果发现，研究区土壤因企业污水排放，已经 受到严重的重金属污染。土壤重金属的生物有效性为c d c u z n 。水稻糙米中 c d 超标率为7 9 2 。以人体最大允许摄入量r f d ( r e f c r e n c 圮d o s e ) 值为参照值的 暴露风险评价表明，该区糙米中c d 存在严重的健康风险【1 0 1 。祝鹏飞i l l 】等研究了 有色冶炼污染区土壤污染，结果表明，冶炼厂排放大量含有重金属的烟尘随大气 沉降进入土壤，导致土壤中重金属含量远远高于背景值。除了生产和生活中排放 的重金属外，人们对于电子产品废弃物中排出的重金属越来越重视。浙江台州市 和广东的贵屿市是我国两个著名的电子废物拆解地，对于两地土壤重金属污染的 浙江工业大学硕士学位论文 研究层出不穷。拆解电子废物所产生的重金属污染物多达1 8 种，尤其是c u 、 z n 、c d 和p b 等几类重金属严重超过土壤背景值，对环境危害性巨大【1 2 1 。白义【1 3 】 等对浙江台州路桥区的重金属污染对土壤动物群落结构的影响进行研究，结果发 现在重金属严重污染区和轻度污染区，土壤动物的群落结构发生了很大的差异， 在严重的重金属污染区，土壤动物的生物多样性明显少于轻度污染区的生物多样 性，且随着污染的严重程度的增加生物多样性表现出逐步递减的趋势。同样，林 文杰等【1 4 】等研究了广东贵屿电子垃圾处理对河流底泥及土壤重金属污染，。结果 表明，底泥中镉、铬、铜、铅、锌的质量分数底泥和土壤中镉、铬、铜、铅的质 量分数均超过土壤环境质量标准( g b l 5 6 1 8 - - - 1 9 9 5 ) 二级标准，其中以镉和铜 污染最为严重。 重金属在土壤中污染的另外的特点是毒性效应强，极低的浓度即显示较强额 毒性；土壤中的重金属难于微生物降解，因而长时间停留和积累在环境中，无法 彻底清除。土壤中重金属的变化仅仅是化合价和化合物种类的变化；土壤中的重 金属还可被微生物在一定条件下转化为更加毒的物质。土壤中的重金属污染对人 体的作用主要是人食用了重金属污染的农作物后，造成重金属在人体内的积累， 并最终表现出中毒症状。 1 2 2 水体重金属污染 由于水对于生命活动的重要作用，水体重金属污染是重金属对环境危害最重 要的部分。动物通过饮水、植物通过根系吸收水分都能将重金属直接摄入体内， 通过体液的传输、植物导管的运输到达生物体的各组织和器官，产生毒害作用。 重金属主要通过矿山开采、金属冶炼、金属加工及化工生产的废水、化石燃料的 燃烧、施用农药化肥和生活垃圾等人为污染源，以及地质侵蚀、风化等天然源形 式进入水体【1 5 1 。根据1 9 9 4 1 9 9 5 年上海市水质普查结果，重金属污染主要污染物 是镉，其次是汞【1 6 1 。苏州河中p b 全部超标，c d 超标7 5 ，h g 超标6 2 5 t 1 7 1 。 然而对于水中重金属的污染，其重点并不是测定水体本身的重金属含量，因为水 体中的重金属往往能被水生生物富集或者存在于水体的沉积物中，而存在与后两 者中的量往往更大，而且随着环境条件( e h 、p h 、盐度、配合物) 的改变，沉积物 中的重金属会释放进入水体，所以现在更多的研究集中在水生生物和沉积物中重 3 浙江工业大学硕士学位论文 金属含量的分析。通过对长江中游若干湖泊中水生植物体内重金属含量的分析， 可以评价各湖泊的污染情a t l 8 1 。对巢湖表层沉积物与上覆水体中重金属分配特征 及其相关性研究发现，虽然水体中重金属除元素汞以外，含量基本低于i 类地表 水质标准，但是大部分沉积物样品中重金属的含量均超过背景值，一旦环境条件 改变，沉积物中重金属进入水体，可能使得水体的重金属含量超标【1 9 1 。 1 2 3 重金属对人体的危害 不同金属离子对人体的毒性不同，相同金属对人体的毒害作用也会随着量的 不同而存在差异【2 0 】。环境中主要重金属元素的毒性及危害作用如下： ( 1 ) 镉 c d 不是人体的必需元素，人体内的镉是从后天获得的，主要通过食物、空气 和水进入人体并蓄积。进入人体的镉可与金属硫蛋白结合形成镉硫蛋白，分布储 存于肾脏和肝脏中。镉对人体的毒性作用主要是干扰锌、铜、铁在体内的吸收， 其机理是镉能够强烈地干扰人体对二价金属元素的吸收和下组织中的积累，从而 导致f e 、c u 、z n 的缺乏症。同时，镉还可以引起胎儿畸形或死亡。鉴于镉的危 害性，联合国环境规划署在1 9 8 4 年提出，将镉列入具有全球意义的1 2 种危害物 质的首位。 ( 2 ) 铅 铅是一种污染性较大的重金属元素，它能破坏血液，使得红细胞分解，同时 通过血液扩散到全身器官和组织并进入骨骼，严重时会导致铅毒性脑病而死亡。 人体中的铅主要通过摄食、呼吸空气和饮水获得，人体从外界环境中吸收的铅， 不只取决于单位时间内进入体内的量，而且取决于它的理化性质和人体本身的因 素。尿铅、血铅和发铅是反映体内铅含量的常用指标。我国规定的血铅的正常值 的上限为2 4 微摩尔每千克，尿铅的正常值上限为o 3 9 微摩尔每千克。铅对人体 的神经系统、造血系统、骨骼系统、内分泌系统、生殖系统、泌尿系统、消化系 统和免疫系统都会产生破坏作用。比如对造血系统的破坏是抑制血红蛋白的合成， 缩短循环中的红细胞寿命，最终导致贫血。 ( 3 ) 铬 铬是生物体所必需的微量元素之一。同时，它也是有毒金属元素。各种形态 4 浙江工业大学硕士学位论文 的铬的毒性不同，其中只有c ，和q 啭人体具有毒害作用，六价铬的毒性比三 价铬的毒性大1 0 0 倍。不同途径进入问题的铬，其表现出的症状也有差异。比如， 饮水摄入铬，可引起腹泻或者腹部其他的不适症状；皮肤接触铬后可引起过敏； 呼吸进入人体的铬，能够刺激并且腐蚀呼吸道，引起一系列呼吸道疾病。同时， 某些铬化合物能够致使肺癌的发生，成为铬癌。 ( 4 ) 铜 铜是重要的必需微量元素，在人体的造血功能和抗氧化作用中发挥重要作用。 铜还是金属酶的重要辅基，如赖氨酰氧化酶、酪氨酸酶等。但是，应用不当，也 易引起中毒反应。成人的适宜摄入量每人每天2 m g ，可耐受最高摄入量成年人为 每人每天8m g 。当人体内残存了大量的重金属之后，极易对身体内的肝和胆等脏 器造成负担，致使人体的新陈代谢出现紊乱、肝硬化、肝腹水甚至更加严重的后 果。此外，铜的毒性还表现在其对红细胞的损害方面，引起溶血和贫血。 综合重金属在环境中存在的量和重金属本身的毒性，铅、镉和汞三种重金属 对人体的危害最严重。“血铅”、“镉米”等事件的频发正是说明了这一点。当人体 内铅含量达到一定浓度后，其毒害效应便会表现，主要是损伤肠胃、毒害肾脏、 损害神经系统的发育，同时还能导致铅性贫血、高血压和不孕不育【2 1 2 5 1 。摄入过 量的镉元素会对人体的免疫、泌尿、骨骼、神经、循环和生殖系统产生损伤，还 会产生致癌效应，骨痛病正是由于食用了受镉污染的米引起的陋力1 金属汞进入人 体后会与体内酶或蛋白质中许多带负电的基团如巯基结合，使能量生成、蛋白质 与核酸合成受到影响，从而影响细胞的正常功能和生长，导致组织器官的病变， 水俣病正是人们食用了富集了甲基汞的鱼后慢性中毒所致删。 1 3 重金属污染物的作用机理 污染物对生物的毒害作用直观的表现为暴露在污染物中的生物体的死亡。早 期人们对于污染物的危害也是停留在其致死效应上，并且给出了一些指标来衡量 污染物的毒性作用。对于急性毒作用一般以半数有效剂量( e d s o ) 或半数有效浓度 0 三c 5 0 ) 来表示。对于慢性毒作用一阈剂量( 浓度) 或最高允许剂量( 浓度) 来表示。随 着研究的深入，学者不仅仅考虑污染物的宏观毒害作用，同时对于污染物如何产 生毒害作用的机理也颇感兴趣。对于作用机理的研究不仅能够解释污染物如何致 5 浙江工业大学硕士学位论文 死生物，也能够采取方法对特定污染物产生的毒害作用进行解毒。 1 3 1 生物有效性预测模型 重金属的毒性与其总量、浓度、存在形态密切相关。当一种重金属存在于环 境中时，随环境因素改变最大的就是其存在形态，存在形态的差异决定了及毒性 的大小，如甲基汞毒性远大于无机汞的毒性，六价铬的毒性大于三价铬。同时， 金属离子在环境中的存在时很复杂的，往往以各种化学形态存在与环境中，如自 由水合离子、与各种天然配体形成的络合物、吸附于颗粒和胶体表面等，这都将 显著影响其生物有效性，因而仅根据重金属总量已不能对其生态效应进行良好预 测 2 9 - 3 2 1 。综合考虑各种环境因素的影响，学者自由离子活度模型( f i a m ) 、鱼鳃 点位交互作用模型( g s 旧和生物配体模型l m ) ，模型如图1 1 所示 3 3 - 3 6 。模 型认为自由金属离子能够通过与生物体发生配合作用形成生物配体化合物，然后 进入生物体发生作用。而环境中存在的竞争性阳离子、有机配体和无机配体能够 与金属离子发生作用，影响其与生物配体的结合，从而影响其生物有效性。通过 各种成分与金属离子作用的物理化学参数，将各种过程综合考虑建立了模型，可 以更加准确地对重金属污染的环境进行风险评价。 脚i 似帕 机尼体路台 嘭j i 槿i l ! c i i e s s 毒性校毫h a h ( 连瞰 图l - l 水和土壤中生物配体模型( a - b l m ) 示意图 f 远1 1c o n c e p t u a lm o d e lo f t h eb l mo f h e a v ym e t a l si nw a t e ra n ds o i l 1 3 2 重金属对生物细胞结构的作用 重金属对生物体的损伤，最直接的是其对生物体形态结构的改变。现今的研 6 浙江工业大学硕士学位论文 究已经从个体水平深入到细胞水平、亚细胞水平甚至进入到分子水平。重金属对 生物体的损伤，最直接的是其对生物体形态结构的改变。有学者利用透射电镜观 一 察到z n 可以使绿色巴夫藻细胞的叶绿体结构严重受损。黑藻受到c u 、z n 等重 金属污染后，出现细胞壁和细胞器的一系列病变，甚至危害到小球藻的细胞核和 其中的染色体，出现死亡或遗传变异等结果。c d 可以使浮萍细胞的染色质凝聚、 核仁解体，高浓度时导致细胞坏死 3 7 - 3 9 。 1 3 3 重金属对酶活的影响 酶作为生物体内的重要的生物催化剂，在生命活动中发挥着重要作用。几乎 所用生化反应都有酶的参与。同时，许多金属作为酶的活性中心，在生化反应中 起传递电子的作用，比如细胞色素酶的辅酶就是含有f e 3 + 的铁卟啉。重金属对于 生物体的毒性往往作用在体内的酶，取代了正常酶上的金属离子，抑制酶活性， 妨碍机体的代谢活动。比如，有研究发现，p b 2 + 能够通过c a 2 + 吸收途径进入体内， 强烈抑制a t p 酶的活化，破坏神经传导触突膜两侧正常电势，导致神经系统的铅 中毒删。作为生物体必须的微量元素，锌参与了生物体中各种酶的组成或作为酶 的激活剂，c 0 2 + 、n i 2 + 、c d 2 + 、h 矿、p b 2 + 都可能酶中的z n 2 + ，导致酶活力的下降 或消失。此外烷基汞能够与金属硫蛋白( m r ) 结合，在体内转运，从而被生物体吸 收，产生毒害作用。 1 3 4 重金属对生物分子构象的作用 生物化学的研究表明，生物分子只有具有某些特定的构象才具有一定的功能， 其构象的变化往往导致分子的作用发生巨大变化甚至消失。有毒的金属元素的结 合能够改变一些生物大分子如蛋白质、核酸和生物膜的构象，导致其失活。例如 负责储存和传递遗传信息的核苷酸，一旦其结构或者构象的变化就可能引起致癌 和先天性畸形等严重后果。 1 4 藻类在重金属污染的修复中的应用研究 重金属污染的修复方法的基本思路主要有两个方面：一是将自由的金属离子 或者含有金属元素的离子进行固定，使其迁移性和生物有效性降低，使其固定在 7 浙江工业大学硕士学位论文 某一定的区域不至于扩散开来：另一方面是增加重金属的迁移性，是原本吸附的 重金属变为自由的金属离子，然后通过一些技术对自由态的金属离子进行收集， 取出重金属污染，达到污染修复的效果。总体而言第二种方法比第一种方法彻底。 第一种方法有些治标不治本，因为随着环境条件的改变，固定的重金属还会释放， 重新污染环境；而第二种方法能够将环境中的污染物去除。但是对于第一种方法 也不能否定。第一种方法能够在应急条件下发挥快说处理的作用，而第二种方法 需要的时间往往较长。结合两种思路的优点和不足，在具体的应用中应该因地制 宜，甚至可以两种思路相结合，达到最好的治理修复效果。几乎所有的现有的处 理技术都是以上两种思路的结合。 1 4 1 藻类富集重金属的研究现状 最初人们研究藻类与重金属之间的关系主要是从毒理学的角度考虑的，由于 小球藻细胞小而且结构简单，在环境中暴露的较为全面，所以学者最早将小球藻 应用于重金属的毒性研究，通过暴露在一定浓度的重金属污染物的环境中小球藻 生长情况的改变来衡量重金属的毒性。随着研究得深入，人们发现藻类对于重金 属的毒性反应是由于藻细胞吸附和吸收了一定量的重金属导致了一系列的反应， 从此人们开始了藻类富集重金属的研究，期望能够寻找到生物量大、吸附效果好 的藻，用于重金属污染环境的修复工作。作为一种生物修复法，相对于传统的物 理和化学修复法，藻类对重金属污染水体的修复由于其存在广泛、吸附速率快、 无二次污染等优点获得了环境领域学者的广泛青睐。研究人员纷纷研究各种不同 的藻类对重金属的富集作用，期望将其运用于污染环境的修复中。目前被纳入研 究的藻类种类广泛，按照其生存环境可以分为淡水藻类和海洋藻类；按照其个体 的大小又可分为巨型藻和微藻。对于同一种藻，其活性和非活性状态下对重金属 的吸附情况也具有差异，这种差异可以体现在吸附量上，也可以从吸附速率上表 现出。藻类富集重金属研究的主要内容包括吸附量、影响因素、作用机理三个方 面。目前国内的研究大部分是处在吸附量和影响因素的研究方面，对于机理的研 究相对国外学者研究得较少，机理的研究主要是探索藻类富集重金属的方式，现 在研究发现，离子交换和表面络合时藻类富集重金属的两种主要方式。而表面络 合由于其涉及的基团复杂多变，而且不同藻类基团的种类和含量都有一定的变化， 8 浙江工业大学硕士学位论文 使得络合机理的研究成为现今研究的热点和难点。目前的试验能够确定参与作用 的官能团的种类和数量，再进一步的突破没有发现。在具体运用方面，结合工程 实践，通过固定化等方法，得到高效、易回收的藻吸附剂。此外，随着细胞学和 分子生物学的发展，一些具有重金属具有耐性的物种的作用基因被转移到藻细胞 内，构建出的转基因藻类具有健康快速生长和高效富集的双重优点。 1 4 2 藻类吸附重金属的机理 对于生物体吸收金属离子的机理研究，此前已经有学者展开此方面的工作。 c r i s tdr 等【4 l 】研究认为金属离子通过扬理吸附机制与生物剂表面结合。但是 c h o j n a c k ak 4 2 通过对蓝绿藻s p i r u l i n as p 吸附金属离子的研究发现，物理吸附在 总吸附量中所占的比例仅为3 7 ，该种藻对金属离子的吸附作用以化学吸附为 主。由此可以看出不伺种生物吸附剂对金属离子的吸附机理是存在差异的，应该 给予具体分析。 生物体吸收金属离子的过程有两个阶段：第一阶段是金属离子在生物体细胞 表面的吸附。这一过程主要是金属离子与细胞外多聚物、细胞壁上的官能团被动 吸附的过程。第二阶段是活体细胞的主动吸附，即细胞表面吸附的金属离子与细 胞表面的某些酶相结合而转移至细胞内，它包括传输和沉积【4 3 】。大量研究表明无 活性藻细胞对金属离子的吸附比有活性藻细胞吸附金属离子的能力更强m 。所以 本实验一直选择的是冻干的蛋自核小球藻作为生物吸附剂。故本部分仅对被动吸 附机理进行探讨。 生物体对金属离子的被动吸附机理主要有两种：离子交换机理和表面络合机 理。 ( 1 ) 离子交换机理：是指金属离子通过细胞表面的离子交换作用结合到细胞 表面，而其他阳离子则释放进入溶液中。这一机理通过测定吸附前后细胞壁上某 种阳离子的量的变化得到证实。k u y u c a k 4 5 1 等对非活性海藻a s c o p h y l l u mn o d o s i u m 进行研究，发现该种海藻中含有3 8 的钙离子，当与不含有二价钴离子的溶液接 触时，只有o 1 的钙离子进入溶液，当溶液中存在二价钴后，海藻细胞吸附了溶 液中的二价钴，其含有的钙离子仅剩下o 4 ，说明在吸附的过程中钴离子和钙离 子发生了离子交换作用。研究人员通过对小球藻细胞表面的小分子量的金属离子， 9 浙江工业大学硕士学位论文 如钾离子、钠离子、钙离子的强酸洗脱，比较去除前后小球藻吸附重金属离子后， 体系中是否有小分子量金属离子的存在，来判断离子交换作用是否作用 4 6 - 4 8 。虽 然在被动吸附过程中有离子交换发生但是离子交换机理并非主要的吸附机理， b m d y 例等研究了非活性少根根霉对铯、锰、锌、镉、铜和铅离子的吸附，虽然 也发现了离子交换的现象，但是交换下来的离子总量占被吸附金属离子总量的比 例很小。 ( 2 ) 表面络合机理：是指金属离子与生物细胞表面的官能团发生络合作用而 被吸附。该机理是金属离子被动吸附的主要机理。生物体暴露在金属溶液中，首 先与金属离子接触的是细胞壁，而细胞壁主要有多聚糖、蛋白质和少量脂类组成， 这些成分中含有能与金属离子络合的主要官能团羧基( o h ) 、羟基、氨基、酰 胺基和磺酸基等等，其中氧、氮、硫等元素作为配位原子与金属离子配位络合。 有研究得到羧基官能团占褐藻干重的7 0 的滴定位点，在络合金属离子的作用中 起主导地位，磺酸基在低p h 的条件下络合左右更明显【5 3 1 。 1 4 3 藻类富集重金属机理的研究方法 目前，藻类富集重金属机理的研究方法主要分为物理法和化学法两大类。 ( 1 ) 物理法 物理法主要有红外光谱检测和核磁共振检测。由于细胞表面的官能团与金属 离子发生了络合作用，导致官能团中化学键的振动频率发生变化，通过红外光谱 对吸附前后样品进行检测，对比发现哪些键的振动频率发生了变化，确定该官能 团参与了络合作用。m u r p h y 等 5 4 1 用傅里叶红外光谱对c u 2 + 吸附前后收集的藻样 品进行分析，发现藻细胞表面的羧基、醇羟基、磺酸基，羰基参与了络合作用。 核磁共振技术是将核磁共振现象应用于分子结构测定的一项技术。该技术通过分 子结构的变化导致原子核受到的外加磁场的强度的感应能力的变化，继而表现出 核磁共振信号差异，从谱图中看出哪类分子发生了变化，变化的分子即是参与了 反应的部分。同时通过朗伯比尔定律还能定量地确定参与反应的基团的总数。 ( 2 ) 化学法 化学法主要有滴定法和基团修饰法。滴定法主要是通过强碱来滴定酸性基团， 采用不同的指示剂在不同的滴定终点( p h ) ，分别得到的强酸基团和总酸性基团。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 当金属离子与生物体细胞络合结合后，部分酸性基团解离，这样强酸基团和总酸 性基团就会发生变化，由此可以定性和定量地确定络合的金属离子的量。基团的 化学修饰法是指用化合物与特定官能团反应消除其在络合反应中的作用，然后看 修饰前后金属离子络合的减少量来判断被反应官能团在络合反应中的贡献大小。 c h o j n a c k ak 等【4 2 j 分别用无水乙醇和浓盐酸将羧基酯化，用甲酸和甲醛将氨基或 羟基甲基化，用t r i e t h y lp h o s p h i t e 和n i t r o m e t h a n e 对磷酸基团进行酯化，看每一 步处理后生物质对金属离子的吸附量的减少值来确定各基团的作用。 1 5 蛋白核小球藻的研究现状 蛋白核小球藻是一种低等植物，属于绿藻门，色球藻目，小球藻属，是本属 植物中唯一具有蛋白核的种类 5 5 1 。蛋白核小球藻生态存在广泛，生长速度快，易 于人工培养，其结构简单，对环境变化敏感的特点，使其在环境毒理学领域研究 广泛。马建义等以蛋白核小球藻的9 6h 生长抑制急性毒性效应为研究依据探讨了 2 4 种高效和超高效除草剂的毒性哪! 。李雪芹等以蛋白核小球藻为供试藻体，研究 了扑草净和渗透剂o t 对蛋白核小球藻的联合毒性【5 7 1 。此外，蛋白核小球藻还因 其含有的高蛋白被开发成食品，补充人体蛋白。但是将其作为一种生物吸附剂考 虑，研究其在自然生态系统中或者受重金属污染水体中的吸附行为，以及由于其 吸附行为对污染物在生态系统中的迁移转化产生的影响这些方面至今甚少。 1 6 溶解性有机质( d o m ) 对藻类富集重金属行为的影响 天然水体中对水质影响最大的有机质是腐植酸，它是生物体物质在土壤、水 和沉积物中转化而成的。根据其在酸和碱溶液中的溶解度将其划分为三类：1 腐 殖酸( h u m i ea c i d ) ：可溶于稀碱液但不溶于酸的部分，相对分子质量由数千到数 万；2 富里酸( f u l v i ca c i d ) ：可溶于酸又可溶于碱的部分，相对分子质量由数百 到数千；3 腐黑物( h u m i n ) ：不能被酸和碱提取的部分。腐殖质在结构上的显著 特点是除了含有大量苯环外，还含有大量羧基、醇基和酚基。富里酸单位质量含 有的含氧官能团数量较多，因而亲水性也较强。腐殖质的环境效应复杂，对于有 机物和无机金属离子均能产生作用，影响污染物在环境中的迁移和转化。腐殖质 与环境中有机物之间的作用主要涉及吸附效应、溶解效应、对水解反应的催化作 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 用、对微生物过程的影响以及光敏效应和猝灭效应等【4 】。比如，m a d h u n 等报道， d o m 对敌草隆( d i u r o n ) 、除草定( b r o m a c i l ) 和绿草隆( c h l o m t o l u r o n ) 的吸附容量是 同种土壤吸附容量的7 0 倍1 5 8 - 6 0 。此外，还有研究表明，从污泥中提取的d o m 对阿特拉津在土壤中迁移的促进作用，是由于d o m 减少了阿特拉津在土壤表面 的吸附容量引起的。有研究显示【6 1 - 6 2 ，水中溶解性富啡酸也能催化莠去津农药的 水解过程。富啡酸通过羧基与均三氮苯类农药分子c i - c i 键相邻n 原子相互作用， 减弱c i - c 1 键的键能，降低均三氮苯类农药的水解活化能，从而提高了该类农药 分子的水解速率。但是，相比于对有机物的作用，腐殖质与金属离子生成配合物 是它们最重要的环境性质之一，金属离子能在腐殖质中的羧基与羟基间螯合成键 合，或在两个羧基间螯合，或者与一个羧基形成配合物。关于腐殖质与重金属作 用的研究也很多，且在不同环境中作用的情况各不相同。比如，汪斌【6 3 】等研究了 低浓度富里酸对底泥中重金属铅的生物有效性影响。结果发现，低浓度的富里酸 能活化底泥中的铅，使更多的铅从底泥中解吸出来，增加了水溶液p b 中的浓度。 s e b a s t i e n 等研究显示溶液溶解性有机碳( d o c ) 的增加能够提高溶液中可溶性铜 离子的含量，但是也有研究显示溶解性有机质( d o m ) 可以抑制c d 的吸附，降 低其最大吸附量 6 4 - 6 6 。蔡金娟等f 6 刀考察了不同腐殖酸组分对湖泊沉积物中重金属 释放的影响，结果发现两种腐植酸都能促进重金属的释放，且胡敏酸对沉积物中 重金属的释放能力大于富里酸。鉴于