（水产养殖专业论文）江蓠对水体重金属铅、镍的生物修复效果及其生理适应性研究.pdf

江蓠对水体重金属铅、镍的生物修复效果及其生理适应性研究中文摘要 中文摘要 近年来，藻类被认为是理想的生物修复材料而受到人们的广泛关注。江蓠为温带 或热带、亚热带性藻类，在我国沿海都有分布。江蓠属的种类适应性强、生长快、产 量高、栽培方法简单，容易推广。本次实验研究将以大型海藻细基江篱繁枝变型 ( g r a c i l a r i at e n u i s t i p i t a t av a r 1 i u iz h a n ge tx i a ) 为研究材料，以p b ( i i ) 、n i ( i i ) 重金属 离子为污染因子，通过室内静态模拟实验，综合利用等离子发射光谱仪，超速离心机， 差速离心机等实验手段从不i 可角度比研究了江蓠藻粉吸附水溶液中v b ( i i ) 、n i ( i i ) 重金 属离子的特性及吸附平衡模型；活体江蓠在单一重金属离子p b ( i i ) 、n i ( i i ) 污染胁迫下 江蓠对p b ( i i ) 、n i ( i i ) 重金属离子的短期去除效果、各重金属离子在其体内蓄积效应、 江蓠质外体、共质体以及江蓠各功能细胞器中重金属离子的分布情况。初步评价江蓠 对重金属的净化效果。为进一步探讨江蓠吸附重金属的生理生化机制及其在重金属污 染环境中的实际应用奠定理论基础。 在江蓠藻粉的吸附实验中，我们发现，p h 值在2 3 5 2 范围内，p h 值越低江蓠藻 粉对p b ( i i ) 和n i ( i i ) 重金属离子的吸附量越小，p h 值在5 2 6 8 时有较大吸附量。在水温 2 0 c 、p s 值6 8 的条件下，江蓠藻粉分别对p b ( i i ) t r 田n i ( i i ) 离子的吸附量最高可达6 5 5 和4 5 2 m g g 。 p b ( i i ) 和n i ( i d 重金属离子对江蓠的生长均有一定的影响，其中p b ( i i ) 对江蓠的毒 害作用比n i ( i d 对江蓠的毒害作用严重。在单一重金属污水环境下，江蓠对水体重金 属离子的累积去除率大小为p b ( i i ) n i ( i i ) ，在低浓度( 0 0 5 r a g l ) 时，经过l d 的生 物吸附，江蓠对p b ( i i ) 和n i ( i i ) 的去除率均在9 0 以上，说明江蓠对低浓度的p b ( i d 和n i ( i i ) 在短期内有很好的生物修复效果。重金属p b ( i i ) 和n i ( i i ) 在江蓠体内蓄积量的 大小为p b ( i i ) n i ( i i ) ，在p b ( i i ) 和n i ( i i ) 重金属离子浓度均为5 m g l 时，p b ( i i ) 和n i ( i i ) 重金属离子在江蓠体内的蓄积量分另i j 为9 8 5 6 4 u g g f w 和6 4 9 5 u g g f w 。p b ( i i ) 和n i ( i i ) 重金属离子主要分布在江蓠的质外体中，在细胞质的各功能细胞器之间p b ( i i ) 和n i ( i i ) 的分布量的大小顺序为叶绿体 核糖体 线粒体 细胞核。 另外，还分别研究了不同浓度的p b ( i i ) 、n i ( i i ) 重金属离子对江蓠处理3 d 和6 d 时， 江蓠藻体内藻红素含量、叶绿素a 含量、蛋白质含量、藻胆蛋白( 包括藻红蛋白、藻 l 垫蓠对水体重金属铅、舅的蚴复整果及其生理适应性研究中文摘要 蓝蛋白和别藻蓝蛋白) 含量的变化以及水体重金属p b ( i i ) 和n i ( i i ) 对江蓠超氧化歧化酶 ( s o d ) 、过氧化物酶( p o d ) 、还原型谷胱甘肽( g s h ) 、丙二醛( m d a ) 、脯氨酸 含量的影响。结果显示，在p b ( i i ) 、n i ( i i ) 重金属离子的胁迫下，江蓠的生长、生理生 化指标均呈现出一定的变化规律。 通过制作石蜡切片观察发现，p b ( i i ) 对江蓠细胞的损伤程度比n i ( i i ) 对其损伤程度 严重，高浓度( 5 m g l ) 的p b ( i i ) 对江蓠细胞的损伤比较厉害，外周细胞层数明显减少， 细胞破裂现象比较严重。 关键词：铅；镍；江蓠；蓄积；吸附；生物修复；抗氧化酶；细胞损伤 n 作者：申华 指导老师：黄鹤忠 江蓠对水体重金属铅、镍的生物修复效果及其生理适应性研究 a b s t r a c t s t u d yo nb i o r e m e d i a t i o ne f f e c t so fl e a d ，n i c k e lf r o ma q u e o u ss o l u t i o n sb y g r a c i l a r i at e n u i s t i p i t a t aa n di t sp h y s i o l o g i c a lr e s p o n s e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ea l g a ei sw i d e l yf o c u s e dc o n s i d e r i n ga st h ei d e a lm a t e r i a l so f b i o l o g i c a lr e p a i r a t i o n g r a c i l a r i a ，b e l o n g i n gt ot r o p i c a lo rt e m p e r a t e ，s u b t r o p i c a la l g a e ，a r e d i s t r i b u t e di nc h i n a sc o a s t a lr e g i o n s g r a c i l a r i ai st h et y p eo fs t r o n ga d a p t a b i l i t ya n df a s t g r o w t h ，l l i 曲y i e l d ，s i m p l ec u l t i v a t i o nm e t h o da n dp r o m o t i o ne a s i l y t h ee x p e r i m e n tw i l l c h o o s el a r g ea l g a e - - g r a c i l a r i a ( g r a c i l a r i at e n u i s t i p i t a t av a r 1 i u iz h a n ge tx i a ) a sr e s e a r c h m a t e r i a l s ，p b ( i i ) ，n i ( i i ) h e a v ym e t a l i o n sa sp o l l u t i o nf a c t o r , t h r o u g ht h ei n d o o rs t a t i c s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s ，f r o m d i f f e r e n t a n g l e s ，c o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o no fp l a s m a e m i s s i o ns p e c t r o m e t e r , s p e e d i n gc e n t r i f u g e s , d i f f e r e n t i a lc e n t r i f u g e s a n do t h e r e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t ss t u d i n go n t h eg r a c i l a r i ap o w d e ra d s o r p t i o no fp b ( i i ) ，n i ( i i ) i o n s o fh e a wm e t a l sa n de q u i l i b r i u mm o d e l ；t h es h o r t - t e r me f f e c to fr e m o v i n gp b ( i i ) ，n i ( i i ) h e a v ym e t a li o n si nas i n g l eh e a v ym e t a li o n sp b ( i i ) ，n i ( i i ) p o l l u t i o ns t r e s sf o rc r r a e i l a r i a a l i v e ；t h ea c c u m u l a t i o no fd i f f e r e n th e a v y m e t a li o n s ，t h ed i s t r i b u t i o no fh e a v ym e t a li o n s o ft h eq u a l i t yo fg r a c i l a r i a , at o t a lo fg r a c i l a r i aa n dq u a l i t yo ff u n c t i o n a lc e l l p r e l i m i n a r y e v a l u a t i o no fg r a c i l a r i ao nt h ep u r i f y i n ge f f e c to fh e a v ym e t a l s t of u r t h e re x p l o r et h e p h y s i o l o g i c a la n db i o c h 锄i c a lm e c h a n i ( i i ) s m so fg r a c i l a r i aa b s o r p t i o no fh e a v ym e t a l s a n dl a yt h ef o u n d a t i o nf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n so fh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni nt h e e n v i r o n m e n t i nt h ea d s o r p t i o ne x p e r i m e n t so fg r a c i l a r i aa l g a ep o w d e r , w ef o u n dt h a t ，p hv a l u e s w a si nt h e2 3 5 2r a n g e ，t h el o w e rp hv a l u e ，t h es m a l l e ra l g a eg r a c i l a r i ap o w d eo nt h e a b s o r p t i o no fp b ( i i ) a n dn i ( i i ) h e a v ym e t a li o n s ，h a v i n gag r e a t e ra b s o r p t i o nc a p a c i t yi n t h e5 2 6 8o fp hv a l u e s i nt h i sc o n d i t i o n ，w a t e rt e m p e r a t u r ea t2 0 ，p hv a l u eo f6 8 ， t h ea l g a eo r a c i l a r i ap o w d e rw e r eu pt o6 5 5a n d4 5 2m 眺o na d s o r p t i o nc a p a c i t yo fp b ( i i ) a n dn i ( i i ) i o n n i ( i i ) ，p b ( i i ) h e a v ym e t a li o n sh a v eac e r t a i ni m p a c to nt h eg r o w t ho f i i i 江蓠对水体重金属铅、镍的生物修复效果及其生理适应性研究a b s t r a c t g r a c i l a r i a , p b ( i i ) h a v em o r es e r i o u sp o i s o n i ( i i ) n gt h a nn i ( i i ) i ns e w a g ee n v i r o n m e n to fa s i n g l eh e a v ym e t a l ，t h e c u m u l a t i v er e m o v a lo fm e t a li o n si s p b ( i i ) n i ( i i ) ，a tl o w c o n c e n t r a t i o n s ( o 0 5m e l ) ，a f t e r1d sb i o s o r p t i o n ，t h er e m o v a lo fp b ( i i ) a n dn i ( i i ) a r eu p t ot h er a t eo fm o r et h a n9 0p e r c e n t , i ts h o w st h a tg r a c i l a r i ao fl o wc o n c e n t r a t i o n so fp b ( i i ) a n dn i ( i i ) h a v eag o o de f f e c to nb i o r e m e d i a t i o ni nt h es h o r tt e r m t h er e s e r v e so f n i ( i i ) ，p b ( 1 1 ) h e a v ym e t a l si ng r a c i l a r i aa l ep b ( i i ) n i ( 1 0 ；t h er e s e r v e so fp b ( i i ) a n dn i ( i i ) h e a v ym e t a li o n si ng r a c i l a r i aa r e9 8 5 6 4u g g f wa n d6 4 9 5 u g 萨ww h e np b ( i i ) a n dn i ( i i ) c o n c e n t r a t i o na r e5m g l n i ( i i ) ，p b ( i i ) h e a v ym e t a li o n sa r em a i n l yd i s t r i b u t e di nt h e q u a l i t yo fg r a c i l a r i ab o d y ，t h ec y t o p l a s mo f t h er u n i o nc e l l s ，t h eo r d e ro f p b ( i i ) a n dn i ( i i ) d i s t r i b u t i o na l ec h l o r o p l a s t r i b o s o m a l m i t o c h o n d r i a n u c l e u s i na d d i t i o n , w es t u d yg r a c i l a r i af o l l o w i n g3da n d6de x p o s u r et od i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n so fp b ( i i ) ，r e s p e c t l y ，t h ec h a n g e so ft h ec o n t e n to fr e da l g a e ，c h l o r o p h y l l ， p r o t e i n , p h y c o b i l i p r o t e i n ( i n c l u d i n gp h y c o e r y t h r i n , b l u ea l g a e p r o t e i na n do t h e r p h y c o c y a n i ( i i ) n ) o fg r a c i l a r i as p e c i e s ，a n dt h ee f f e c to fw a t e rc o n t e n to fp b ( i i ) a n dn i ( i i ) o ng r a c i l a r i as u p e r o x i d ed i s m u t a s e ( s o d ) ，p e r o x i d a s e ( p o d ) ，g l u t a t h i o n er e d u c t a s e ( g r ) ，a g l u t a t h i o n e o x i d e ( g p x ) ，g l u t a t h i o n e ( g s h ) ，m d a ( m d a ) , p r o l i n e c o n t e n t t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h eg r o w t ho fg r a c i l a r i a , b o t hp h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a li n d i c a t o r ss h o w ac e r t a i nd e g r e eo fc h a n g ei nt h el a wi np b ( i i ) ，n i 0 i ) h e a v ym e t a ls t r e s s t h r o u g h t h eo b s e r v a t i o n so np r o d u c t i o no fp a r a f f i ns e c t i o n ，p b ( i i ) h a v em o r es e r i o u s e f f c tt h a nn i ( i i ) o nt h ee x t e n to ft h ed a m a g ec e l l so fg r a c i l a r i a h i 9 1 lc o n c e n t r a t i o n ( 5 m e l ) o ft h ep b ( i i ) h a v em o r es e r i o u sd a m a g ec e l l s ，p e r i p h e r a lc e l l ss i g n i ( i i ) f i c a n t l y r e d u c et h en u m b e ro fl a y e r s ，c e l lr u p t u r ei sr e l a t i v e l ys e r i o u s k e yw o r d s ：l e a d ，n i c k e l ；g r a c i l a r i a ；a c c u m u l a t i o n , a d s o r p t i o n ，b i o r e m e d i a t i o n ； a n t i o x i d a n te n z y m e s ；c e l ld a m a g e i v w r i t t e nb y ：s h e n h u a s u p e r v i s e db y ：h u a n gh e z h o n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或 撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承 担本声明的法律责任。 研究生签名：圭华 日 学位论文使用授权声明 期：丝鲎坚丝 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国 社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论 文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 日期：砂丝 日期：一生竺壁：型监 江蓠对水体重金属铅、镍的生物修复效果及其生理适应性研究引言 芦i 已= jii 伴随着现代工业的迅速发展，生产过程中排出的有害重金属离子也日益增加，由 于工农业污水的滥排滥放，导致近海环境中的重金属离子的含量增高，如：汞、镉、 铅、铬、镍、铜、锌等，这些重金属污染物不仅直接破坏自然环境，危害我国近海养 殖业的发展，而且还会给人们的身体健康带来危害，甚至给国民经济造成重大损失( 王 焕校2 0 0 0 ) 。传统治理重金属污染的方法主要以物理和化学方法居多，包括沉淀法、 螯合树脂法、高分子捕集剂法、天然沸石吸附法、膜技术、活性炭吸附工艺、离子交 换法等。这些方法具有净化效率高、周期较短等优点，但工作流程大多过长、操作繁 琐、易产生二次污染、处理费昂贵等问题( 张玲等2 0 0 2 ) 。因此，人们一直在寻求更为 环保、经济适用的方法来代替它们。生物修复作为一门新兴技术，由于其具有明显的 生态效益、经济效益和景观功能，商品化的植物修复系统已被应用于污染水体、土壤 和沉积物的治理，其在近海污染修复方面也显现了广阔的应用前景。利用藻类修复重 金属污染水体具有投资小、针对性强、吸附量大、污染小、效率高等特点，而且可以 选择性去除低浓度重金属，尤其是一般方法不易去除的重金属，具有显著而独特的环 境生态效益。本次实验采用的大型海藻细基江篱繁枝变型( g r a c i l a r i at e n u i s t i p i t a t av a t z h a n ge t x i a ) ( 本文统一简称为“江篱 ) 是一种大量分布在海南岛北部沿岸潮间带的生 态型隶属于红藻门( r h o d o p h y t a ) 、真红藻纲( f l o r i d e a e ) 、杉藻i | ( g i g a r t i n a l e s ) 、江蓠科 ( g r a c i l a r i a c e a e ) ，它用营养枝进行繁殖，具有适应性强、生长快、产量高、栽培方法 简单、容易推广、经济价值较高等优点。比较适合作为近海重金属污染的治理的生物 修复材料。 本文主要通过江蓠藻粉对水体中不同浓度重金属铅镍离子的生物吸附效应、活体 江蓠对水体中不同浓度重金属铅镍离子的去除效率、吸附效应、积累效应( 体内总积 累量和细胞器( 叶绿体；线粒体，核糖体，细胞核 的积累) 的研究实验，来初步评 定活体江蓠对水体重金属铅镍离子的生物修复效果。 另外还通过水体中不同浓度重金属铅镍离子对江蓠藻体内藻红素、叶绿素含量、 蛋白质含量、藻胆蛋白( 包括藻红蛋白、藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白) 含量的影响和对江蓠 超氧化歧化酶( s o d ) 、过氧化物酶( p o d ) 、还原型谷胱甘肽( g s h ) 、丙二醛( m d a 、 江蓠对水体重金属铅、镍的生物修复效果及其生理适应性研究引言 脯氨酸含量的影响，以及通过普通组织切片观察重金属铅镍对活体江蓠细胞的损伤情 况，来初步探讨活体江蓠对重金属铅镍离子的生理适应机制。 2 江蓠对水体重金属铅、镍的生物修复效果及其生理适应性研究 文献综述 1 大型海藻对水体重金属的生物修复效果的国内外研究 概况 1 1 利用海藻吸附技术回收海水中重金属离子的优点 生物吸附这一概念一般用来描述微生物或藻类从溶液环境中富集回收重金属离 子的性质。是一种新兴起的处理含重金属离子废水的方法。利用海藻吸附技术回收海 水中重金属离子有如下优点：( 1 ) 原料廉价易得；( 2 ) 特别适合于低浓度重金属污染的 海水；( 3 ) 不易产生二次污染；( 4 ) 吸附容量大，去除效率较高：( 5 ) 不同的海藻对不同 的重金属具有良好的选择性；( 6 ) 吸附的重金属易于洗脱，有利于吸附材料的重复利 用和金属的回收；( 7 ) 应用范围广、p h 值和温度条件范围宽。因此利用海藻来吸附海 水中的有毒重金属并加以回收利用。从而达到改善环境、回收资源的目的，具有良好 的应用基础( 潘进芬，林荣根，2 0 0 0 ) 。 1 2 国内外利用大型海藻吸附重金属的研究概况 由于海洋中有着丰富的藻类资源，包括多种大型海藻及海洋微藻。因此，随着对 生物吸附技术研究的不断深入，人们将目光转向了海洋藻类，并取得了一系列研究成 果。林荣根( 2 0 0 2 ) 等运用缸式及柱式吸着方法研究了海黍子和海带这两种大型褐藻在 p h 值在4 0 5 0 之间时对c u 和c a m 吸附能力。结果表明，海黍子对c u 和c d 单独存在于 水中的饱和吸附量分别是 1 5 0 m m o l g 干重和0 8 0 m m o l g 干重，对c u 和c d 共存于水 中的饱和吸着重分别是1 1 2 m m o l g 干重和0 1 6 m m o l g 干重；相同条件下，海带对c u 和c d 单独存在于水中的饱和吸附量分别是 1 。1 0 m m o l g 干重和0 8 0 m m o l g 干重，对c u 3 江蓠对水体重金属铅、镍的生物修复效果及其生理适应性研究综述 和c d 共存于水中的饱和吸附量分别是1 2 4 m m o l g 干重和0 3 5 m m o l g 干重。赵肖为 ( 2 0 0 6 ) 等曾有过羊栖菜吸附重金属的研究，其研究结果表明羊栖菜吸附重金属的能力 很强，2 5 c 时最大吸附容量达到3 5 毫摩尔克，远高于马尾藻的报道值( 2 - - 2 3 毫摩 尔克) 。而且，其吸附速率很快，在2 0 m i n 内9 0 的吸附容量即被饱和。杨贤庆， 李来好，戚勃等( 2 0 0 7 ) 研究了4 种海藻膳食纤维( 海带、麒麟菜、江蓠、马尾藻) 对c d 、p b ( i i ) 、h g 的吸附作用，证实海藻膳食纤维具有清除重金属的效果，因此在降 低重金属对人体蓄积毒性方面具有应用价值。陈丽丹，王宪等( 2 0 0 4 ) 探讨了金属离 子浓度、藻粉用量对2 种常见大型海藻( 马尾藻，海带) 吸附重金属离子( c u 、p b ( i i ) 、 c d 、n i ( i i ) ) 的影响。结果表明：上述重金属离子浓度分别在1 0 0 m g l 以内时，海带 对p b ( i i ) 的吸附率保持在9 9 以上；对c u 、c d 吸附率保持在9 0 以上；重金属离子浓 度分别在5 0 m g l 以内时，海带对n i ( i i ) 的吸附值保持在9 0 以上。藻粉对重金属离 子的吸附率，随藻粉投入量的增加而增加。而单位重量藻粉的吸附量却随藻类浓度的 增加而减少。选择藻粉的投入量在2 5 9 l 既能够达到对各种离子良好的吸附。常秀 莲，王文华等( 2 0 0 3 ) 研究发现褐藻对各种重金属离子都有较高的吸附量，由于褐藻 属于多细胞大型藻，产量高，来源丰富，可以根据需要做成不同形状；而微藻培养完 毕与溶液的分离困难，采用多细胞大型藻作为工具藻具有更多的优越性，同时可以向 藻体中引入活性基团来提高藻类吸附量。莫健伟等( 1 9 9 7 ) 研究了在c u ( i i ) 的协同下， 认为绿藻的脱色再生性能很好，可同时去除印染废水中的重金属离子和染料颜色。在 p h = 6 7 时，绿藻育月匕v 1 6 氏e l 好地去除重金属离子，且8 6 以上的吸附属于快吸附。同时研 究还表明，对重金属离子去除能力的大小依次为：绿藻 马尾藻 茶叶 鼠尾藻。王文 华等( 2 0 0 3 ) 研究了裙带菜对废水中重金属n i ( i i ) 离子的吸附能力最高达 o 7 6 r e t o o l g ( 干裙带菜) 。k u y u c a k 和v o l e s k y l 9 8 9 年探索了红藻门、绿藻门、褐藻门及 一些真菌的吸附性能进行了探索，他们从吸附等温线上看出褐藻门生物吸附性能很 好，尤其是其中的泡叶藻，其最大吸附量达到1 5 6 m g g 干重，d u o l i t e 和f a h r m a m a 等 ( 1 9 9 3 ) 研究了分属不同门类的1 5 种微生物体对c d ( i i ) 的吸附性能，发现其中1 1 种比 普通的吸附剂要好，尤其是褐藻门生物，这一结果与k u v n c a k 等的发现相同。h o l a n 等( 1 9 9 3 ) 测定了褐藻门中的马尾藻、墨角藻、泡叶藻对c d ( i i ) 的吸附，结果表明， 泡叶藻对c d ( i i ) 的吸附性能最好，在p h 3 5 时达至l j c d ( i i ) 1 0 0 干重。w i n t e r 等人( 1 9 9 4 ) 4 江蓠对水体重金属铅、镍的生物修复效果及其生理适应性研究综述 采用褐藻门的长囊水云吸附c d ( i i ) ，达9 0 t 4 1 m g g 干重。h o l a n 和v o l e s k y ( 1 9 9 3 ) 用褐 藻门的墨角藻吸附p b ( i i ) 达蛰j 3 7 0 m g g 干重。综上所述，大型海藻可以很好的吸附水体 中的重金属，这对治理重金属水体污染提供了很好的解决途径，具有良好的现实意义 和广泛的应用价值。但目前，我国对重金属吸附的研究主要集中在微藻上( 潘进芬， 2 0 0 0 ；罗通，2 0 0 5 ) ，有关大型海藻对重金属吸附的研究报道还较少，而且研究材料均 采用干品海藻，对活体大型海藻的研究尚未见有报道。 1 3 国内外有关大型海藻对重金属吸附和积累机制的研究进展 1 3 1 大型海藻对重金属吸附机理的研究进展 到目前为止，人们对生物吸附重金属离子的机理并没有深入透彻的研究，但公认 的理论主要有离子交换和离子络合。海藻细胞的细胞壁是由甘露聚糖、葡聚糖、蛋白 质和甲壳质组成，这些有机质( 主要是多糖) 中的氮、氧、硫等原子可以提供孤电子对 与金属离子配位，细胞壁上可以提供的能与金属离子络合的基团包括：c o o h ，n h 2 ， s h ，o h ，p 0 4 等组成。另外，也有的学者提出了离子交换机理，国内报道较少， 主要见于国外的资料。c r i s t ( 1 9 8 1 ) 等研究证实铜离子的吸附不仅是离子交换作用的 结果，而且还与果胶中的羧基进行共价结合。化学组成表明，能够进行离子交换的基 团至少有两个：糠醛酸的羧基和卡拉胶、木聚糖及半乳糖的硫酸基。m a j i d i 等( 2 0 0 1 ) 的研究证明羧基可能是分离金属离子的主要结合部位，但可能并不是唯一的结合点。 但是还有一种实验表明将海藻中的羧基进行酯化以后，c u 的吸附量降低，a u 3 + 的吸 附量却增加。这可能说明了海藻对不同的重金属有不同的吸附机制。但是大多数实验 说明果胶中的羧基对海藻吸附重金属有着十分关键的作用，k l i m m e ks 等( 1 9 9 9 ) 对5 种 微藻：螺旋藻、鞘颤藻和3 种小球藻的羧基进行酯化，即掩盖游离羧基，结果发现对 p b ( i i ) ，c d ，n i ( i i ) ，z n 离子的吸附能力降低了7 0 - - 1 0 0 。不同海藻所含衣糠酸的 比例和多聚糖的数量是不同的，而且也随藻龄、季节和产地的不同有所变化。但是有 两点却是一致的：( 1 ) 细胞多糖中含有硫酸酯；( 2 ) 存在多聚糖酸，如半乳糖醛酸，葡 萄糖醛酸，古罗糖醛酸和甘露糖醛酸。k u y u c a kn 等( 1 9 9 8 ) 提出褐藻细胞壁结构的 5 江蓠对水体重金属铅、镍的生物修复效果及其生理适应性研究综述 半理论模型即纤维链形成刚性的网状结构，将海藻酸盐、木质岩藻葡聚糖、木质盐藻 醛糖、同质盐藻聚糖4 种生物聚合物包埋起来，对重金属离子的吸附起这主导作用。 总之，海藻中存在的大量羧基和硫酸基团是吸附金属离子的主要结合键，其它如巯基、 氨基等基团可能也有一定的吸附功能。 1 3 2 重金属对大型海藻体内活性氧代谢及抗氧化防护系统影响的研究进展 活性氧( r o s ) 是一类化学性质很活跃，氧化能力很强的含氧物质的总称。在植物 组织中，活性氧的类型主要有过氧化氢( h 2 0 2 ) 、超氧阴离子( 0 2 ) 、羟自由基( - o h ) 、 单线态氧( 0 2 ) 、脂质过氧基( r o o ) 等( 邹琦，2 0 0 0 ) 。正常情况下，细胞内活 性氧的产生和清除处于一种动态平衡，但当植物遭受到低温、高温、高光强、高盐度、 重金属等逆境，以及植物衰老时，体内活性氧产生和清除的代谢系统发生紊乱，导致 活性氧在体内过量积累，导致膜脂过氧化，细胞膜结构和功能被破坏，最终导致植物 遭受伤害。而植物为了保护自身免受活性氧的伤害，形成了内源保护系统，包括抗氧 化酶类和非酶抗氧化剂。抗氧化酶主要是超氧化歧化酶( s o d ) 、过氧化氢酶( c a t ) 、 过氧化物酶( p o d ) 、抗坏血酸氧化物酶( a s a - p o d ) 、谷胱甘肽还原酶( g r ) 、 g s t ( 谷胱甘肽转硫酶) 、g p x ( 谷胱甘肽过氧化物酶) 等。抗氧化剂则包括还原型 谷胱甘肽( g s h ) 、抗坏血酸( a s a ) 、生物碱、半胱氨酸等( 刘海亮1 9 9 1 ，陈朝明 1 9 9 6 ) 。测定抗氧化酶的活性和抗氧化剂的含量在逆境条件下的变化情况，对于研究 藻类的逆境伤害和植物抗逆机制具有重要的意义。 在国内外重金属对大型海藻抗氧化酶系统影响的研究同样主要集中在微藻上。如 邓骛远( 2 0 0 5 ) 等曾报道用不同剂量的a g 、p b ( i i ) 胁迫轮藻，研究其光合色素含量及g a p 脱氢酶活性的变化。结果表明，胁迫效应随重金属种类、胁迫时间及剂量而变化。胁 迫初期光合色素含量及g a p 脱氢酶活性二指标变化不大，甚至呈增长趋势；随时间延 长二指标显著降低，且胁迫效应a g p b ( i i ) 。罗通( 2 0 0 5 ) 也曾报道用不同剂量的a g 、 p b ( i i ) 胁迫轮藻，研究其生理变化规律。结果表明，随重金属胁迫剂量的加大，轮藻 的叶绿素含量、c a t 、p o d 及s o d 活性、可溶性蛋白含量呈倒n ”形规律变化，即降 升降的变化。而对于大型海藻相关方面的研究，只见有余江等( 2 0 0 7 ) 有关龙须菜对重 6 江蓠对水体重金属铅、镍的生物修复效果及其生理适应性研究 综述 金属镉胁迫响应的研究，结果表明随c d 浓度升高，龙须菜藻体藻红素( p e ) 含量明 显减少，叶绿素a ( c h l a ) 和可溶性蛋白含量总体呈下降趋势，但变化幅度均不大， 过氧化物酶( p o d ) 活性出现先上升后下降趋势，并在c d 浓度为4 5 m g l 时达到最大 值。对于有关重金属对大型海藻生理生化影响的研究还有很不深入，有待进一步研究。 1 3 3 环境因子对海藻吸附重金属效率的影响 海藻吸附重金属离子的效率是受到很多条件制约的，包括外界因素，如p h 值、 温度、金属离子浓度、离子强度等溶液的物理化学特性；内在因素，如生物体特殊的 表面结构与性质，对于活性生物体还取决于某些生理条件。其中溶液的p h 值和离子 强度因子对海藻吸附重金属离子影响的研究较多。 1 3 3 1p h 影响因子 已有的关于各种生物如细菌、真菌、海洋微藻等关于生物吸附的研究，都将p h 视为影响生物吸附的首要因素。这是因为p h 同时影响吸附剂细胞表面的吸附位点和 溶液中金属离子的理化状态，表现为生物吸附效率随p h 显著变化。在酸度较高的情 况下，浓度较大的h + 与溶液中的目标重金属离子竞争海藻细胞壁上的吸附位点，使 得重金属离子的吸附率降低( s a rp ，k a z y sk ，1 9 9 4 ) 。也有人认为，在酸度较低的情 况下，络合基团与水合氢离子表现出更大的亲和性，从而阻止了金属离子的靠近，随 着p h 的升高，络合基团暴露出更多的带负电荷的位点，表现出与带正电荷的重金属 离子的亲和性增强，直接表现为海藻对重金属离子的吸附率的升高( 张剑波等2 0 0 2 ) ， 冯咏梅等( 2 0 0 3 ) 在p h 值对海藻吸附n i ( i i ) 离子的影响研究中发现，p h 值对海藻吸附 n i ( i i ) 离子的影响较大，p h 值小于3 时，吸附量很小，随着p h 的增大，吸附量增大， p h 值在4 7 时吸附量最大，p h 值大于7 时吸附量降低。徐鲁荣( 2 0 0 3 ) 等在对p h 影响因 子对两种常见大型海藻马尾藻和海带吸附重金属离子的研究中发现，在较低p h 的条 件下，几种金属离子均表现出较低的吸附率，随着p h 的升高，吸附率也呈相应升高 趋势。结果表明，马尾藻对c u 、p b ( i i ) 、c d 的吸附的最佳p h 范围为4 6 ；对n i ( i i ) 的最 7 江蓠对水体重金属铅、镍的生物修复效果及其生理适应性研究综述 佳p h 范围为5 6 ；海带对c u 、p b ( i i ) 的吸附的最佳p h 范围为4 6 ；对c d 、n i ( i i ) 的最佳 p h 范围为5 - 6 ；z h o u ( 1 9 9 8 ) 对海带j a p o n i ( i i ) c a ) 和海黍子( s a r g a s s u m k j e l l m a n i ( 1 1 ) a r l u m 2 ) 研究中，得到它们吸附c u 、c d 的最佳p h 值范围为4 0 5 0 。经海藻 吸附以后，溶液的p h 值较吸附前有明显的升高。这一事实说明旷确实参与了吸附位 点的竞争，一些络合基团与矿结合，导致重金属离子的吸附率下降，溶液的p h 升高。 也有人认为当p h 降低时，由于降低了金属离子的溶解度，从而减少金属离子和吸附 剂接触的机会，金属吸附量自然会见少，p h 值过高对金属吸附亦存在不利影响。当 溶液p h 值超过金属离子微沉淀的上限时，在溶液中的大量金属离子会以氢氧化物微 粒的形式存在，从而使吸附过程无法进行。 1 3 3 2 离子强度 溶液中离子之间存在着相互作用，离子的行动并不完全自由，表观上发挥作用的 离子数目少于电解质全部电离时应有的离子数目，正离子周围存在着由负离子所形成 的“离子氛”，负离子周围存在着由正离子所形成的“离子氛”，离子强度的概念正是衡 量离子与它的离子氛之间作用的强弱。海藻的吸附效率与溶液的组成状态有着密切的 关系，离子强度是描述溶液状态的重要化学参数，探讨离子强度与吸附效率的关系是 十分必要的( 徐鲁荣等2 0 0 3 ) 。研究表明，在其他条件一定的情况下，藻粉对重金属 离子的吸附效率随离子强度的升高而降低，这主要是溶液中共存离子参与吸附点位的 竞争或负离子的空间阻碍导致的。这是因为海水中n a 、m g 、k 等阳离子的含量相对 较高，是重金属离子的主要竞争离子，与重金属离子竞争有限的吸附位点，随着氯度 和离子强度的增加，这些阳离子的浓度也在增加，使得重金属离子周围的负离子形成 的“离子氛”增强，从而阻碍了重金属离子向吸附位点的靠近。徐鲁荣等( 2 0 0 3 ) 在对 离子强度对两种常见大型海藻马尾藻和海带吸附重金属离子p b ( i i ) f 拘影响中发现这两 种海藻对p b ( i i ) 离子的吸附都随离子强度的增加而降低，c h e n 等研究了离子强度对吸 附的影响，结果表明，离子的最大去除率是与离子强度密切相关的，离子强度降低， 去除率会提高。实验中以高氯酸钠调节离子强度从0 5 降至0 0 0 5 时，去除率由8 0 提 高至9 5 ；c h a n g 和h o n g ( 1 9 9 4 ) 研究h g 的吸附时也有相同的发现。 8 江蓠对水体重金属铅、镍的生物修复效果及其生理适应性研究 1 4 前景展望 生物吸附法回收去除工业废水中的重金属是一种较新的技术。用合适的生物体作 为吸附材料能够有效地去除和回收废水中的重金属。生物吸附技术主要的优点在于能 有效地将废水中的重金属离子降到非常低的浓度。而且所用的生物材料易得，价格便 宜。利用藻类吸附回收废水中金属离子的技术作为一种生物吸附方法是近年来发展起 来的，藻类是水生物系统的初级生产者，在食物链中起着重要作用。藻类对重金属污 染的反应因种各异，同时藻类对许多重金属有良好富集能力，可广泛应用于被重金属 污染、其他生物难以生存的水域，藻类对重金属的吸附具有高效、经济、简便、选择 性好等特点，被认为是一种处理水体重金属污染的新型生物材料，有广阔的应用前景。 一些大型海藻，尤其是对重金属有较高吸附性能的马尾藻等褐藻门生物后处理相对方 便，更适合于规模应用。另外可通过藻类修复配套技术( 如菌藻共生) ，利用分解菌将 藻体吸附的有毒重金属经生物转化而解毒，解决藻类的收集困难的问题而实现规模应 用，提高修复效率。同时，应加强分子生物学与环境科学研究领域的交流与合作，利 用转基因工程培育高富集株系，开发修复效率高、运行费用低的新型藻类。如针对 h g 的污染及其毒性，可运用分子生物学技术将细菌体内对汞的抗性基因( 汞还原酶基 因) 转到藻类中，进行汞污染的藻类富集与提取。s u r a s a k 等( 2 0 0 2 ) 发现转基因衣藻 对c d 的耐受力和吸附核辐射能力都大大增强；也可通过改良遗传特性来提高藻类对污 染物的耐性、富集能力或提高超富集藻类的生长速度或生物量，除了直接用重金属诱 导来获取高修复率的藻株