秦昌旭，徐麗梅

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271018）

重金屬元素可與其他元素相結(jié)合形成化合物，而含有重金屬的污染物很難被水中的分解者自然降解，只能通過(guò)長(zhǎng)期的自然沉積作用降解。工業(yè)排放是重金屬污染的重要來(lái)源，其產(chǎn)生的大量重金屬污染物，對(duì)水環(huán)境造成污染。通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，渤海錦州灣底泥中汞、鎘、鉛、鋅等超標(biāo)150倍以上[1]，已經(jīng)嚴(yán)重污染了當(dāng)?shù)厮h(huán)境，導(dǎo)致水產(chǎn)品重金屬?lài)?yán)重超標(biāo)。水環(huán)境中重金屬污染會(huì)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，重金屬會(huì)在植物體內(nèi)積累，進(jìn)入人體，最終對(duì)人類(lèi)造成傷害[2]。辛琦[3]研究表明，納米銀使暴露的斑馬魚(yú)胚胎表現(xiàn)出孵化率降低、體節(jié)消失等癥狀，可通過(guò)影響基因的表達(dá)影響生物體。

水生生態(tài)系統(tǒng)由多種生物組成，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，不僅魚(yú)類(lèi)會(huì)受到影響，隨著生物積累，重金屬也可以通過(guò)食物鏈傳播，進(jìn)而對(duì)人類(lèi)等產(chǎn)生影響。Gliga等[4]發(fā)現(xiàn)肺組織細(xì)胞脫氧核糖核酸（DNA）經(jīng)納米銀作用24 h后受到了嚴(yán)重的損毀，沒(méi)有檢測(cè)到活性氧的產(chǎn)生。段昌群等[5]發(fā)現(xiàn)，鎘（Cd）可進(jìn)入細(xì)胞核與核酸結(jié)合，促進(jìn)細(xì)胞核內(nèi)DNA物質(zhì)的結(jié)合，導(dǎo)致染色體畸變和分裂，最終誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。

當(dāng)前對(duì)重金屬的修復(fù)包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)。物理修復(fù)工程量大、投資量高；化學(xué)修復(fù)可能對(duì)環(huán)境造成影響；而藻類(lèi)生物修復(fù)具有投入低、利用率高、環(huán)境友好等特點(diǎn)，能有效降低重金屬的毒害，對(duì)重金屬修復(fù)以及控制重金屬污染方面發(fā)揮著非常重要的作用，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 藻類(lèi)對(duì)重金屬的生態(tài)修復(fù)及影響因素

1.1 藻類(lèi)對(duì)重金屬的吸附

不同藻類(lèi)對(duì)重金屬的吸附能力見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，不同藻類(lèi)對(duì)金屬的吸附作用不盡相同。對(duì)Cd的吸附中，馬尾藻與死馬尾藻比較出色，酸處理馬尾藻對(duì)鎳（Ni）的吸附效果很好；石莼在對(duì)銅（Cu）的吸收上，比化學(xué)處理江蘺好一些。對(duì)藻類(lèi)的預(yù)處理的確可以增加其吸附作用，如化學(xué)處理江蘺對(duì)Cu、Cd吸收也較好；固定化的小球藻，酸處理的馬尾藻都比不做處理時(shí)吸附Ni效果好很多。

1.2 藻類(lèi)特性對(duì)重金屬吸附的影響

（1）比表面積的影響。研究證明[14]，不同藻類(lèi)粒徑對(duì)重金屬的吸附作用不同。如孔石莼大粒徑的吸附作用只有小粒徑的69.7%，藻類(lèi)粒徑越小，比表面積就越大，單位面積暴露的官能團(tuán)就越多，結(jié)合也更加容易。

（2）活藻與非活性藻。關(guān)于活藻與非活性藻的吸附效果一直沒(méi)有定論，大量研究證明非活性藻的吸附效率要高于活性藻，這是因?yàn)榛钤宓拇x需要依靠能量、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，吸附較緩慢，并且水中有毒物質(zhì)對(duì)活藻影響更大，會(huì)出現(xiàn)延緩生長(zhǎng)等問(wèn)題，而利用死亡藻體能夠有效解決這些問(wèn)題。此外，藻細(xì)胞死亡后細(xì)胞壁無(wú)法維持原來(lái)結(jié)構(gòu)，因而破裂將部分基團(tuán)展露了出來(lái)，加上死藻的細(xì)胞膜失去了控制物質(zhì)進(jìn)出的能力，結(jié)合就更加方便。如在活體與非活體吸附Cu（II）對(duì)比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，二者總吸附量相同的情況下，非活體藻類(lèi)對(duì)Cu（II）的吸附速率要大于活體細(xì)胞[15]。但是也有研究證明，活藻的吸附效果要好于非活性藻。林榮根等[16]通過(guò)對(duì)海黍子（Sargassumkjellmanianum）單獨(dú)吸附金屬Cu與Cd的研究得出，活藻的吸附效果比同等干重的非活藻要好。這是因?yàn)槌嘶镜奈焦δ?，活體藻還能通過(guò)產(chǎn)生胞外聚合物等方式來(lái)對(duì)重金屬進(jìn)行富集。

1.3 環(huán)境因素的影響

（1）pH值。一般吸附率不會(huì)隨著pH值單純地上升或降低。如溶液顯酸性時(shí)，pH值升高會(huì)先導(dǎo)致吸附率升高，但到達(dá)一定程度后則會(huì)保持穩(wěn)定或者下降。

江用彬[17]發(fā)現(xiàn)pH值為6.0時(shí)，衣藻與固定化衣藻對(duì)重金屬的吸附都是最高效的。李靖[18]發(fā)現(xiàn)pH值為2時(shí)，海帶對(duì)Cu2+、鉻離子（Cr2+）的吸附率分別為24%和13%，但當(dāng)pH值上升到3時(shí)，則吸附率均能達(dá)到80%以上。Matheickal等[19]發(fā)現(xiàn)隨著pH值由1.0升至5.5時(shí)，褐藻吸附鉛的效率也有明顯提升，表明pH值對(duì)藻類(lèi)重金屬吸附能力有著較大的影響。陳喜[20]研究得出pH值會(huì)減弱銀納米顆粒（AgNPs）的溶解，并削弱萊茵衣藻對(duì)銀（Ag）的胞外吸附和胞內(nèi)吸收作用，從而減弱AgNPs對(duì)萊茵衣藻的毒性。文獻(xiàn)［21］認(rèn)為顆粒表面的Zeta電位決定了顆粒的團(tuán)聚或分散行為。而pH值改變會(huì)引起Zeta電位的變化，進(jìn)而改變?cè)弩w與金屬形成結(jié)合物的穩(wěn)定性。

（2）溫度。隨著溫度變化，不同藻類(lèi)吸附重金屬的能力受到影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，藻類(lèi)對(duì)離子吸附率有時(shí)呈現(xiàn)先小范圍上升，后下降的趨勢(shì)；有時(shí)則會(huì)在固定的溫度下保持平衡。一般來(lái)說(shuō)，高溫能促使表面能與溶質(zhì)的動(dòng)能增加，藻體內(nèi)相關(guān)酶的活性增加，與金屬離子更好地結(jié)合或反應(yīng)[22]。

室溫條件對(duì)生物吸附造成的影響不會(huì)很大。范彩彩[23]發(fā)現(xiàn)，尾藻對(duì)鉛離子（Pb2+）的吸附率與環(huán)境溫度有一定的關(guān)系，10℃時(shí)，吸附率維持在38%；而30℃時(shí)則達(dá)到了最大值63%；當(dāng)溫度繼續(xù)增長(zhǎng)時(shí)，則吸附率逐漸下降，溫度為45℃時(shí)，吸附率降至51%，表明該吸附率總體表現(xiàn)為先上升后下降。

（3）吸附時(shí)間。藻類(lèi)對(duì)重金屬離子吸附時(shí)，首先發(fā)生物理吸附，之后產(chǎn)生藻細(xì)胞代謝，物理吸附的速度更快；代謝過(guò)程受能量和阻斷代謝過(guò)程的物質(zhì)的影響，速度較慢。Klimmek等[24]研究發(fā)現(xiàn)，鞘顫藻在初期對(duì)Pb2+和Cd2+的吸附速度很快，只用不到5 min就完成90%的吸附量。吳海鎖等[25]研究發(fā)現(xiàn)，小球藻對(duì)Cu2+的吸附前期效率非常高，在4 h時(shí)就已經(jīng)完成了48 h后的81%的吸附量。劉金華等[26]用褐藻吸附Cu2+，前期速率很快，8 min后已基本吸附完成，達(dá)到平衡時(shí)的99.7%。

（4）陰陽(yáng)離子。溶液中存在共存離子，這些離子會(huì)使藻細(xì)胞吸附效果下降，陰陽(yáng)離子的研究對(duì)藻細(xì)胞吸附十分重要。陳喜[20]研究得出，磷酸氫根離子（HPO42-）會(huì)減弱AgNPs的溶解，削弱萊茵衣藻對(duì)Ag的胞外吸附和胞內(nèi)吸收作用，從而減弱AgNPs對(duì)萊茵衣藻的毒性。Kratochvil等[27]發(fā)現(xiàn)溶液中Fe2+的增加會(huì)導(dǎo)致馬尾藻對(duì)Cu2+吸附量的減少，這說(shuō)明溶液中陰陽(yáng)離子會(huì)互相影響，這種影響與陰離子與金屬合成物穩(wěn)定性有關(guān)，合成物越穩(wěn)定，則吸附劑想要成功吸附所克服的能量就越多。

（5）其他金屬離子。一般情況下，當(dāng)金屬離子濃度不斷升高時(shí)，吸附率存在先升后降的總體趨勢(shì)。在金屬離子初始濃度較低時(shí)，能夠與藻類(lèi)充分接觸，結(jié)合效率更高。李靖[18]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶液中Cu2+、Cd2+和Pb2+值升高到200 mg/L時(shí)，海帶、馬尾藻和螺旋藻對(duì)Cu2+的吸附率先急速上升，再緩慢下降；對(duì)Cd2+的吸附先急劇上升，后緩慢上升，在150 mg/L時(shí)Cd2+達(dá)到峰值；對(duì)Pb2+的吸附率一直在增長(zhǎng)，在200 mg/L時(shí)達(dá)到頂峰，吸附情況各不相同。Aksu等[28]認(rèn)為，當(dāng)金屬離子較少時(shí)，生物體能突破阻礙而與金屬離子相結(jié)合，而一旦濃度變高，金屬離子之間有競(jìng)爭(zhēng)作用，反而會(huì)降低吸附率。陶梅平[29]研究表明，隨著金屬濃度增加，藻類(lèi)對(duì)鋅離子（Zn2+）、Cu2+、Cr（VI）去除率的變化趨勢(shì)互不相同。以上研究表明不同金屬離子之間可能是促進(jìn)作用，也可能是相互抑制。

1.4 預(yù)處理因素

（1）物理加工。采用干燥和粉碎來(lái)進(jìn)行物理加工，干燥能有效地提高處理的效果與程度，粉碎則能夠增大比表面積。Guptavk等[30]用蒸餾水洗凈水綿藻，經(jīng)過(guò)烘干、碾碎、過(guò)篩的步驟篩選出符合粒徑要求的藻渣，并在溶液中測(cè)試其吸附效果，發(fā)現(xiàn)其對(duì)Cr（VI）的吸收效果最好。

（2）化學(xué)處理。由于海藻藻體十分柔軟，而且容易產(chǎn)生氧化變質(zhì)等，吸附的有效期不夠長(zhǎng)，在實(shí)際操作中十分不便?；瘜W(xué)改性可以把藻類(lèi)原本攜帶的一些金屬離子去除，從而為其他金屬與藻類(lèi)結(jié)合提供機(jī)會(huì)，為吸附提供位點(diǎn)，同時(shí)還保持藻類(lèi)原有的一些優(yōu)質(zhì)特性。但改性仍有可能對(duì)藻類(lèi)的結(jié)構(gòu)造成一定破壞，比如會(huì)使具有吸附作用的基團(tuán)被封閉，隔斷了與金屬相結(jié)合的機(jī)會(huì)，使許多藻類(lèi)的吸附能力下降等。Huzl等[31]改性處理棚藻后，用其處理含Ni+的廢水，5 min的Ni+去除率達(dá)70%。Yang等[32]把馬尾藻預(yù)處理后，處理含鈾鈦離子（UO+）的廢水，藻類(lèi)對(duì)鈾鈦離子的去除率在15 min內(nèi)達(dá)到70%~80%。劉紅濤等[33]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)化學(xué)誘變的銅綠微囊藻對(duì)Cu2+的去除率由34.29%上升到80.77%。表明化學(xué)處理具有良好的效益，不管在利用率，還是在處理效率等方面，都有著非常重要的作用。

（3）藻類(lèi)的固定化。藻類(lèi)的固定化對(duì)其各方面性能提升有很大幫助，能夠增強(qiáng)吸附效率，幫助多次回收利用。固定化后，藻細(xì)胞將對(duì)重金屬毒性具有更好的抵抗能力，尤其是在處理含重金屬的污水時(shí)，吸附效率會(huì)得到有效提升。Wilkinson等[34]用固定化的小球藻去除污水中汞離子（Hg2+），固定化的小球藻能富集70%的Hg2+，富集效率提高了1.75倍。Garnham等[35]用固定化小球藻富集鈷離子（Co2+）、Zn2+和錳離子（Mn2+）等金屬離子。Mahan等[36]利用固定化藻類(lèi)吸附廢水中的重金屬，吸附效果都十分好。

2 藻類(lèi)植物吸附重金屬的內(nèi)在機(jī)制

2.1 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

海藻細(xì)胞壁主要由多糖、蛋白質(zhì)、磷酸形成的細(xì)胞復(fù)合物組成。這些細(xì)胞復(fù)合物提供充足的基團(tuán)，為其與金屬離子結(jié)合提供充足的位點(diǎn)[37]，在藻類(lèi)金屬離子的吸收中起著重要作用。表面上的細(xì)胞皺褶增加了表面積，為官能團(tuán)提供了更多的位置，并幫助進(jìn)行更加合理的排布。

這些官能團(tuán)能通過(guò)得失電子或形成配位鍵等形式與金屬結(jié)合，對(duì)不同的金屬效果也不盡相同。Tadlv等[38]發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞藻酸鹽的含量對(duì)馬尾藻（Sargassum sp.）的吸附起主要作用。李建宏等[39]發(fā)現(xiàn)，如果將藻體換成等質(zhì)量的細(xì)胞外壁多糖，則其對(duì)Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+4種金屬離子的吸附量變?yōu)?倍，說(shuō)明多糖在吸附這些離子時(shí)發(fā)揮主要作用。有研究表明[40]，多糖提供的羧基占據(jù)藻細(xì)胞表面70%左右的位點(diǎn)，對(duì)藻類(lèi)修復(fù)具有重要的作用。

藻類(lèi)能夠分泌胞外聚合物（EPS），并通過(guò)EPS與重金屬絡(luò)合的方式來(lái)降低重金屬毒性。研究發(fā)現(xiàn)[41]，絲藻受重金屬Cd刺激后會(huì)分泌胞外聚合物，水中Cd的去除效率與胞外聚合物的含量具有一定的線(xiàn)性關(guān)系。鄭昊[42]通過(guò)對(duì)萊茵衣藻的紅外光譜分析，也發(fā)現(xiàn)其具有能與重金屬結(jié)合的基團(tuán)（羧基、氨基以及巰基等），說(shuō)明產(chǎn)生的胞外聚合物能夠保護(hù)藻類(lèi)。Zhou等[43]分析了Rhodopseudomonas acidophila的EPS組成，發(fā)現(xiàn)其羧酸基團(tuán)（C==O）、脂肪酸以及氨基酸等與重金屬發(fā)生絡(luò)合作用。李崇華等[44]研究表明，萊茵衣藻的EPS中除含有少量核酸外，大多為多糖與蛋白質(zhì)，并且EPS中的一些功能基團(tuán)也可與重金屬結(jié)合。劉靜等[45]發(fā)現(xiàn)EPS中NPS、C==O等基團(tuán)參與鋁離子（Al3+）的配位作用。

2.2 藻類(lèi)生物修復(fù)機(jī)理

（1）離子交換。溶液中的金屬離子能夠置換出藻細(xì)胞中的質(zhì)子，或者通過(guò)靜電引力與配位作用，將表面的金屬離子部分吸收到細(xì)胞表面，即離子交換作用。Chojnacka等[46]對(duì)螺旋藻研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)修飾后它的離子交換能力下降了62%，吸附能力下降了61%，得出螺旋藻離子交換主要依靠羧基和磺酸根的結(jié)論。Raize等[47]研究發(fā)現(xiàn)，褐海藻吸附Ni2+的過(guò)程中，細(xì)胞壁中鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）濃度大量降低，表明Ni2+交換了細(xì)胞壁的Ca2+、Mg2+。江用彬[17]發(fā)現(xiàn)在萊茵衣藻吸附的過(guò)程中物理吸附量不超過(guò)吸附總量的5.5%。

（2）絡(luò)合作用。藻細(xì)胞分子或者離子與金屬離子形成穩(wěn)定絡(luò)合物的過(guò)程叫絡(luò)合反應(yīng)。具體由陽(yáng)離子和細(xì)胞中的多糖、脂類(lèi)與蛋白質(zhì)中帶負(fù)電的官能團(tuán)絡(luò)合而形成，藻類(lèi)細(xì)胞壁具有較大的表面積，以供這些官能團(tuán)合理排列，與金屬離子起絡(luò)合或螯合反應(yīng)。趙玲[48]研究海洋原甲藻得出，該藻死體和活體對(duì)Cu2+、Pb2+、Ni2+、Zn2+、Ag+、Cd2+的吸附能力相似，在30 min內(nèi)就能達(dá)到平衡。多糖與金屬離子的結(jié)合作用主要依賴(lài)多糖的-OH和-CONH2，這說(shuō)明該過(guò)程不受能量與生物活性影響。Sheng等[49]研究發(fā)現(xiàn)，重金屬離子與羧基的結(jié)合表現(xiàn)出螯合特征，證明其發(fā)生了絡(luò)合作用。Yun等[50]發(fā)現(xiàn)，在馬尾藻中羧基和磷酸基團(tuán)對(duì)Cd2+的吸附起主要作用。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)金屬離子極有可能與羧基上的氧原子絡(luò)合[51]。文獻(xiàn)［52］通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明藻類(lèi)與金屬生成絡(luò)合物，并且吸附中起主要作用的是羰基。

（3）氧化還原與微沉淀。藻類(lèi)吸附金屬時(shí)可能產(chǎn)生化合價(jià)的改變，進(jìn)而發(fā)生氧化還原反應(yīng)。文獻(xiàn)［53－54］通過(guò)對(duì)小球藻（Chlorella vulgaris）的研究，發(fā)現(xiàn)金離子（Au3+）產(chǎn)生Au2+的還原反應(yīng)。通過(guò)對(duì)流動(dòng)馬尾藻（Sargassum fluitans）吸附鐵離子（Fe3+）和對(duì)Fe2+的研究[55]發(fā)現(xiàn)，吸附過(guò)程中部分Fe2+發(fā)生氧化反應(yīng)變成Fe3+。當(dāng)用馬尾藻吸附Cr4+時(shí)[56]，在細(xì)胞表面發(fā)現(xiàn)被還原成Cr3+。當(dāng)易水解的金屬離子被藻類(lèi)吸附時(shí)，能夠在細(xì)胞壁或細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生沉淀物，該過(guò)程被稱(chēng)為微沉淀。如Raize等[47]對(duì)XPS分析發(fā)現(xiàn)細(xì)胞表面發(fā)生鉛（Pb）的微沉淀。

2.3 生物富集作用

長(zhǎng)時(shí)間處在重金屬環(huán)境下，藻類(lèi)會(huì)發(fā)生新陳代謝。而新陳代謝過(guò)程會(huì)受到能量驅(qū)動(dòng)的影響，一些阻止代謝的物質(zhì)也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。這是一個(gè)比較緩慢的過(guò)程，金屬離子會(huì)被細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸，或是通過(guò)過(guò)濾進(jìn)入細(xì)胞膜內(nèi)部。

由于長(zhǎng)期受到重金屬環(huán)境影響，藻類(lèi)細(xì)胞有能力合成金屬結(jié)合蛋白，進(jìn)而起到減毒作用，有效防止重金屬污染。藻類(lèi)產(chǎn)生的這種聚合物，可用蛋白結(jié)合的形式去除離子，使植物免受重金屬污染。

藻類(lèi)對(duì)重金屬有非常系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。Pawlik等[57]發(fā)現(xiàn)，桿裂絲藻在吸收Pb時(shí)能產(chǎn)生多肽，這種多肽在無(wú)Pb培養(yǎng)基中的含量只有原來(lái)的10%。同時(shí)Pawlik等[58]首次證明了谷胱甘肽（GSH）有能力與砷（As）進(jìn)行配位作用。Morelli等[59]發(fā)現(xiàn)，環(huán)境中如果Zn2+存在，將導(dǎo)致三角褐藻（Phaeodactylum tricornutum）無(wú)法產(chǎn)生諸如PC的胞內(nèi)聚合物。Tsuji等[60]認(rèn)為，GHS是由Zn2+誘導(dǎo)的酶促反應(yīng)產(chǎn)生的，而PC的合成受到GSH的誘導(dǎo)作用。

3 建議

第一，將研究側(cè)重于微觀結(jié)構(gòu)與機(jī)理分析。如利用當(dāng)前技術(shù)（如電鏡）在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究分析，深入探究藻類(lèi)對(duì)重金屬生物修復(fù)的主要機(jī)制。

第二，側(cè)重于提出更合理的吸附性模型。當(dāng)前的研究常用的生物修復(fù)模型Langmuir和Freundlich等溫吸附模型存在一定的局限性，想要研究出更加合理有效的生物修復(fù)模型，還需要不斷努力。

第三，通過(guò)人工措施改善藻類(lèi)的吸附性能。如通過(guò)解吸附、人工誘導(dǎo)等措施，提高藻類(lèi)的吸附效率，增強(qiáng)吸附能力。