鄭蒙蒙， 邵魯澤， 管幼青， 周思齊， 李非里

（浙江工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 浙江 杭州 310014）

0 引言

重金屬污染在淡水生態(tài)系統(tǒng)日趨嚴(yán)重。由于重金屬物質(zhì)不能被降解，在人類的生產(chǎn)生活過(guò)程中釋放并遷移，在環(huán)境中經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)變、吸附，最終通過(guò)食物鏈的生物放大作用對(duì)人體健康造成極大危害，破壞生態(tài)系統(tǒng)、使生態(tài)環(huán)境惡化。因此，重金屬污染的防治刻不容緩。

藻類作為水生生態(tài)環(huán)境中的重要組成部分，對(duì)重金屬的富集行為特征，受到諸多因素的影響，包括藻的生長(zhǎng)狀態(tài)、種類，比如活體藻與非活體藻，海水藻與淡水藻；還受到環(huán)境因素的影響，比如溫度、pH值、離子強(qiáng)度、溶解性有機(jī)質(zhì)等的影響[1]；除此之外，接觸時(shí)間與藻的粒徑等也是影響吸附量的重要因素。本文綜述了常用藻類生物吸附劑用于微生物富集重金屬的行為、機(jī)理及其影響因素，為正確評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)藻類重金屬富集劑等的研究提供參考依據(jù)。

1 藻類生物吸附劑種類

常用作去除重金屬的生物吸附劑的藻類為褐藻、紅藻和綠藻。本文統(tǒng)計(jì)了活體3門(mén)藻類在重金屬污染修復(fù)的綜合應(yīng)用中所含重金屬富集情況，見(jiàn)表1。

表1 不同門(mén)類的藻對(duì)重金屬的富集能力mmoL·g-1

1.1 褐藻生物吸附劑

褐藻是研究最為廣泛的藻類生物，對(duì)重金屬的生物吸附量很高。褐藻（泡葉藻、墨角藻、馬尾藻和海帶）對(duì)Cd(II)，Cu(II)和Pb(II)等有毒有害重金屬的生物吸附量相當(dāng)高，其中墨角藻和海帶對(duì)Cd(II)的吸附量超過(guò)1 mmol/g，高出其他種類生物吸附劑3～5倍[2,4,6-7]。還可以成功地去除貧鈾UO2(II)，最大吸附能力高于1.59 mmol/g[11]。然而，不同種類褐藻的生物去除能力也具有差異，扇藻和囊鏈藻相比于喇叭藻和馬尾藻具有更高吸附重金屬能力[12]。

1.2 紅藻生物吸附劑

紅藻類生物吸附劑對(duì)重金屬的吸附能力相對(duì)于褐藻生物吸附劑來(lái)說(shuō)，則遜色不少，在去除Cd(II)，Zn(II)，Ni(II)和 Cu(II)重金屬離子的能力較弱[2,6,8]（表1）。掌狀紅皮藻對(duì)Pb(II)和Cu(II)的吸附量更弱，僅為其他紅藻的10%~25%[3]。乳節(jié)藻對(duì)重金屬的吸附能力則較強(qiáng)，對(duì)Cr(III)吸附重金屬能力高于珊瑚藻，叉珊瑚和雞毛菜，甚至比綠藻生物吸附劑高出2倍[8]。此外，紅藻類對(duì)Co(II)表現(xiàn)出較高生物吸附能力，如珊瑚藻的最大生物吸附量達(dá)到1.29 mmol/g[8]。

1.3 綠藻生物吸附劑

通常，綠藻生物吸附劑對(duì)于重金屬離子的生物吸附能力遠(yuǎn)低于褐藻類生物吸附劑。但在近年來(lái)逐漸開(kāi)展對(duì)綠藻的研究中顯示，個(gè)別綠藻比如螺旋藻的吸附 Cr(III)，Cu(II)，Ni(II)和 Cr(VI)的能力表現(xiàn)出極大的潛力，不管是活體藻還是非活體藻，去除能力都很強(qiáng)[10,13-14]。石莼對(duì)Pb(II)的去除能力強(qiáng)于大部分綠藻和紅藻[6]。

由于綠藻的體積小、生長(zhǎng)速度快、培養(yǎng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在生物修復(fù)法中越來(lái)越受到重視。特別是在低濃度重金屬吸附實(shí)驗(yàn)中，有幾種綠藻顯示出較強(qiáng)吸附能力。如斜生柵藻對(duì)質(zhì)量濃度為11 mg/L的Cd(II)有高達(dá)97%的吸附率[15]；小球藻在對(duì)質(zhì)量濃度為0.008mg/LCu(II)的去除率達(dá)到95.4%；而集胞藻6 803在質(zhì)量濃度為0.12mg/L對(duì)Pb(II)的去除可達(dá)到98.78%[16]等。

2 藻類修復(fù)重金屬污染水體的特點(diǎn)

用于生物修復(fù)法處理重金屬污染廢水的藻類應(yīng)具有以下特點(diǎn)：對(duì)重金屬有較強(qiáng)耐受性；較強(qiáng)富集能力；足夠生物量；易吸附-解吸等。國(guó)內(nèi)外研究者發(fā)現(xiàn)藻類吸附去除污染水體中重金屬具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)：原料來(lái)源豐富、廉價(jià)易得；不產(chǎn)生二次污染；相比高等植物具有更快生長(zhǎng)速度；吸附量大且靈敏度高；比表面積大，吸附能力高；可凈化含多種重金屬污染；投資成本低廉；適合于低濃度重金屬污染；可應(yīng)用條件較寬松（溫度范圍4~90℃），更重要的是被藻類吸附的重金屬易于洗脫，有利于藻類的重復(fù)利用和重金屬回收，不但減輕了對(duì)環(huán)境的污染，而且可對(duì)藻類和重金屬循環(huán)使用，即可節(jié)約資源又可節(jié)省開(kāi)支[17]。

2.1 藻類富集重金屬的機(jī)理

藻類對(duì)金屬離子的生物富集不同于一般簡(jiǎn)單的吸附、沉積或離子交換，而是一個(gè)復(fù)雜的物化與生化過(guò)程。藻類生物富集重金屬的機(jī)制包括：生物吸附和生物富集這2個(gè)類型。包括：絡(luò)合、離子交換、氧化還原；胞外聚合物、胞內(nèi)聚合物和液泡區(qū)室化，見(jiàn)圖1。

圖1 藻類生物富集機(jī)制

2.1.1 生物吸附作用

生物吸附作用在生物吸收總量中占80%~90%，由于藻類細(xì)胞壁上的多糖、蛋白質(zhì)、磷脂等多聚復(fù)合體提供了大量官能團(tuán)（氨基、羧基、羥基等），一部分官能團(tuán)失去質(zhì)子而帶負(fù)電荷，依靠靜電引力吸附金屬離子；一部分官能團(tuán)自身帶弧對(duì)電子，與金屬離子形成配位鍵。除此之外，藻類細(xì)胞壁帶一定電荷和粘性，增加金屬離子的吸附。這種生物吸附過(guò)程包括表面絡(luò)合、離子交換、氧化還原和酶促機(jī)理作用，這種金屬離子的吸附過(guò)程可在數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)完成。

典型的絡(luò)合反應(yīng)發(fā)生在褐藻細(xì)胞壁中獨(dú)特成分褐藻酸和藻酸鹽上。藻酸鹽主要由2種酸性單糖無(wú)序排列的線性縮合高聚物組成：1,4-β-D-甘露糖醛酸(Mannuronic acid，MA)及α-L古羅糖醛酸(Guluronic acid，GA)（圖1），它們分別提供單基配位和多基配位體。不同褐藻中MA和GA單元的排列及比例不同，若GA單元比例高，則對(duì)二價(jià)重金屬離子的吸附能力更強(qiáng)[18]。MA和GA單元的獨(dú)特性，使得褐藻吸附重金屬能力優(yōu)于其他藻類。

離子交換作用在藻類吸附重金屬離子過(guò)程中也起到了至關(guān)重要的作用。溶液中的重金屬陽(yáng)離子與藻類細(xì)胞壁所含酸性功能基團(tuán)上的輕金屬離子（Na+，K+，Ca2+等）相交換，重金屬離子結(jié)合到細(xì)胞表面，輕金屬離子進(jìn)入水溶液；且隨著吸附時(shí)間延長(zhǎng)，溶液中輕金屬離子濃度增加，與重金屬吸附動(dòng)力學(xué)曲線一致[19]。

在藻類吸附重金屬過(guò)程中存在氧化還原作用，主要跟藻類所分泌的酶有關(guān)。例如，在用馬尾藻吸附強(qiáng)致癌物Cr(VI)時(shí)，在細(xì)胞表面部分發(fā)現(xiàn)被還原成Cr(III)（圖1）[20]，還發(fā)現(xiàn)在小球藻吸附稀有金屬Au(III)后，可在細(xì)胞表面氧化成金色顆粒Au(0)[21]。氧化還原作用在去除Cr(VI)的研究中體現(xiàn)了極大的研究?jī)r(jià)值。

2.1.2 生物富集作用

生物富集作用主要是由于長(zhǎng)時(shí)間處于金屬離子污染環(huán)境中的藻類進(jìn)行細(xì)胞代謝過(guò)程，金屬離子通過(guò)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)、膜孔過(guò)濾等方式被運(yùn)送至細(xì)胞膜內(nèi)部，與胞內(nèi)官能團(tuán)結(jié)合。生物富集的途徑有胞外聚合物、胞內(nèi)聚合物（金屬結(jié)合蛋白與多肽、多磷酸體）和液泡作用這4種。

2.1.2.1 細(xì)胞外聚合物

胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）是藻類的分泌物質(zhì)，是一種很好的天然陽(yáng)離子螯合劑，可與重金屬離子形成絡(luò)合物附著在細(xì)胞表面，在脅迫環(huán)境下對(duì)藻類起到保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)綠藻在共存體系Cu(II)和Zn(II)中（圖1），能刺激綠藻分泌EPS形成生物膜，且分泌EPS增加量與增金屬濃度呈線性關(guān)系[22]。胞外聚合物是藻類長(zhǎng)期受重金屬脅迫下生長(zhǎng)代謝的復(fù)雜過(guò)程中，建立起來(lái)的一系列適應(yīng)和解毒機(jī)制。

2.1.2.2 細(xì)胞內(nèi)聚合物

藻類細(xì)胞在重金屬存在下可合成金屬結(jié)合蛋白，如植物絡(luò)合素（phytochelatins，PCs）、金屬硫蛋白（metallothioneins，MTs）、谷胱甘肽（glutathione，GSH）等。在重金屬污染物種起到穩(wěn)定、轉(zhuǎn)運(yùn)、富集、降低毒性的作用。

PCs是一類酶促合成小分子多肽，結(jié)構(gòu)式為（γ-Glu-Cys）n-Gly，相對(duì)分子質(zhì)量約 2 000 ～ 10 000，是由植物絡(luò)合素酶以GSH為底物催化合成，被金屬離子所激活[23]。其中，誘導(dǎo)PCs合成效應(yīng)最強(qiáng)的重金屬為Cd(II)。MTs是一類基因編碼的低分子量金屬結(jié)合蛋白,由 Cys-Cys，Cys-X-Cys，Cys-X-X-Cys（X-表示任何種類氨基酸）結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，其中Cys殘基可通過(guò)巰基與金屬離子結(jié)合，使之降低重金屬毒性[23]。如，小球藻在Zn(II)和Cd(II)的脅迫下合成MTs，但在重金屬Cu(II)的脅迫下卻合成PCs。由此可見(jiàn)，不同重金屬的誘導(dǎo)下藻類可合成植物絡(luò)合素或金屬硫蛋白，但機(jī)制尚不明確。

GSH是機(jī)體內(nèi)非蛋白硫醇的主要來(lái)源，不僅作為合成PCs的原料，也可以與重金屬直接結(jié)合。如褐藻在Cd(II)的脅迫下能使得50%GSH轉(zhuǎn)化成PCs[24]。

多磷酸體（polyphosphate bodies，PPB）是由正磷酸鹽脫水縮合形成的陰離子線性聚合物，不僅是藻類細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存磷的物質(zhì)，也是細(xì)胞內(nèi)最主要的金屬離子螯合劑，是綠藻、紅藻和藍(lán)藻富集重金屬能力的重要貢獻(xiàn)。

2.1.2.3 液泡區(qū)室化

藻細(xì)胞也可能通過(guò)液泡區(qū)室化作用使得重金屬在液泡中富集。大多數(shù)研究者認(rèn)為，重金屬在細(xì)胞體內(nèi)以離子或植物絡(luò)合素、蛋白和多肽以及多磷酸體等結(jié)合的方式通過(guò)液泡（或葉綠體或線粒體）儲(chǔ)存、細(xì)胞外排作用將有害物質(zhì)清除[25]。但液泡中重金屬的進(jìn)入方式和解毒機(jī)制尚不明確。

2.2 藻類生物吸附重金屬的影響因素

大量研究表明影響藻類去除重金屬的因素主要分為藻種類、形態(tài)、大小；水溶液中的環(huán)境條件；重金屬種類。其中人為可控對(duì)藻類吸附重金屬能力影響最大的是水溶液的環(huán)境條件。已有大量研究對(duì)溫度、pH值和離子強(qiáng)度對(duì)藻類吸附重金屬能力進(jìn)行考察，在其他條件如吸附時(shí)間；是否為活體藻；藻粒徑大小以及DOM存在下的研究較少。

2.2.1 吸附時(shí)間

吸附時(shí)間是藻類吸附重金屬最重要的影響因素。不管活藻、死藻都屬于快速吸附的過(guò)程，一般在30 min～2 h可以達(dá)到吸附平衡。藻類的吸附量隨著時(shí)間的增加而增加的過(guò)程中并不呈線性關(guān)系，在小球藻吸附Cd(II)，在100 mg/L的初始質(zhì)量濃度下，活藻和死藻在5 min可吸附95.2%和96.8%，105 min達(dá)到吸附平衡，吸附效率達(dá)到96%和98.1%[26]。

2.2.2 活體藻類或非活體藻類

活體藻類具有旺盛的生物代謝能力，在吸附重金屬過(guò)程中可促進(jìn)化學(xué)吸附，提高重金屬的富集量，一些研究者認(rèn)為活體藻對(duì)重金屬的富集能力比非活體藻要好，因?yàn)榛铙w藻不止通過(guò)生物吸附來(lái)富集重金屬，還能分泌一些聚合物、糖類和多肽等物質(zhì)來(lái)與重金屬離子結(jié)合，除此之外還可通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸富集一定量重金屬；但大部分研究者認(rèn)為非活體藻具有更強(qiáng)吸附能力，是由于活體藻的細(xì)胞膜具有高度選擇性，一般只允許中性分子通過(guò)，而非活體藻細(xì)胞破碎，更多的內(nèi)部功能性基團(tuán)暴露出來(lái)可與金屬離子相結(jié)合，且細(xì)胞膜失去選擇透過(guò)性，更容易讓金屬離子通過(guò)，總富集量能比活體藻類多。但毫無(wú)疑問(wèn)，在活體非活體吸附Cu(II)對(duì)比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，2者的總吸附量相同情況下，非活體藻類對(duì)Cu(II)的吸附速率要大于活體細(xì)胞[27]。

2.2.3 藻粒徑

研究證明，孔石莼的大粒徑（40~60mm）對(duì)Cd(II)的吸附率為55.7%，但小粒徑（0.5~2 mm）的吸附率可達(dá)到79.9%，表明小粒徑孔石莼粒徑的吸附量越高。這可能是由于小粒徑可增加細(xì)胞表面積，暴露更多的吸附官能團(tuán)，從而增加其吸附量[28]。但粒徑過(guò)小則不利于吸附劑與溶液分離。吸附劑粒徑對(duì)重金屬吸附的影響研究大部分還處于非活體藻體階段，對(duì)于活體藻類的粒徑還有待更進(jìn)一步研究。

2.2.4 溶解性有機(jī)質(zhì)

DOM可作為藻類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還具有較強(qiáng)的絡(luò)合、螯合、吸附和氧化還原能力，對(duì)環(huán)境污染物如重金屬、持久性有機(jī)物(POPs)等在環(huán)境遷移、轉(zhuǎn)化過(guò)程中起著重要作用[29]。將HA，F(xiàn)A和HyI這3種DOM與 Cu(II)，Cd(II)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)HyI能迅速的與Cu(II)和Cd(II)發(fā)生反應(yīng)，HA和FA更容易與Cu(II)發(fā)生絡(luò)合，而Cd(II)則只與FA發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)[30]。低分子的有機(jī)酸如蘋(píng)果酸、檸檬酸可增加Cu(II)生物吸附量，而高分子量HA則降低吸附能力[31]。由于DOM-重金屬化學(xué)性質(zhì)的不確定性，因此研究并整理其反應(yīng)機(jī)制尤為重要。

3 存在問(wèn)題及展望

目前在研究藻類吸附重金屬機(jī)理上也取得了一定進(jìn)展，但大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用方面基本處于起步階段。

（1）藻類在條件惡劣的廢水的生存問(wèn)題：受活體藻類所處的生長(zhǎng)條件限制，在廢水中的重金屬去除效果可能達(dá)不到預(yù)期結(jié)果。

（2）復(fù)合重金屬污染條件下藻種如何選擇：現(xiàn)今研究重點(diǎn)仍處于單一重金屬的研究，但在自然水體中往往是多種重金屬共存，其相互作用對(duì)藻類影響著對(duì)不同重金屬的富集行為和能力。

（3）對(duì)重金屬的資源回收是藻類吸附的另一目的，雖然現(xiàn)今在解吸方面有一定進(jìn)展，但是還未達(dá)到推廣的要求，包括解吸條件、影響因素以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)還不能明確。

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