樊蘭英，馮 佳，張猛，劉曉鈴，李砧，謝樹蓮

(1.山西大學生命科學學院，山西太原030006;2.太原師范學院生物系，山西太原030031)

苯系物包括苯、甲苯、二甲苯、乙苯等，是環(huán)境中毒性較大的污染物，多存在于焦化、造紙、橡膠和家裝材料等工業(yè)廢水中。此類物質往往難于降解，并具有生物積累性和致癌、致畸、致突變作用或慢性毒性，有的通過遷移、轉化、富集，濃度水平可提高數(shù)倍甚至上百倍，可對土壤等環(huán)境和人類健康造成嚴重的甚至不可逆的影響與危害，已被列入中國環(huán)境優(yōu)先污染物黑名單[1-4]。

藻類植物是水體中主要的初級生產(chǎn)者，是物質和能量循環(huán)的起點。在生長過程中，藻類植物能吸收水體中的氮、磷、重金屬等污染物，同時進行光合作用，增加水體中溶解氧，提高水體的自凈能力[5-8]。特別是一些絲狀綠藻植物，具有個體差異大，分布廣泛，易于培養(yǎng)和收獲，成本低廉等特點，在水體環(huán)境污染治理方面已有研究[9-14]，但有關絲狀綠藻對水體中苯系物的作用還未見有報道。

本文以脆弱剛毛藻〔Cladophoraf racta(Dillw.)〕Kuetz.為實驗材料，研究了不同實驗條件下剛毛藻對苯、甲苯和二甲苯的去除作用，并分析了溫度、處理時間和藻體重量對去除效率的影響，旨在尋找一種綠色除污的方法，為工業(yè)和生活污水中苯系物的消解提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為脆弱剛毛藻，于2007年5月采自山西省太原市晉祠公園。采集生長旺盛的脆弱剛毛藻，用自來水反復清洗，去除變老發(fā)黃的部分和其它雜質，選擇新鮮翠綠、生長良好的藻種在蒸餾水中進行馴化培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為人工氣候箱，光強3 000 lx左右，濕度35%～50%，溫度18℃，光暗周期比為12 h∶12 h。待馴化培養(yǎng)1～2 d后，進行苯系物污染的處理。

1.2 苯系物溶液的配置

精確量取一定體積的苯、甲苯和二甲苯，用無水乙醇配成母液，備用。進行實驗時，于100 ml容量瓶中用蒸餾水分別稀釋到所需濃度。

1.3 實驗方法

1.3.1 3種苯系物的紫外可見吸收光譜 將3種苯系物分別溶于無水乙醇，以紫外分光光度計于230～290 nm范圍內(nèi)進行掃描，確定3種苯系物的最大吸收波長，掃描結果見圖1。由圖1可見，苯、甲苯和二甲苯的最大吸收波長分別為252，258和262nm。

圖1 3種苯系物的吸收光譜

1.3.2 標準曲線的繪制 根據(jù)有關文獻[15-17]和3種苯系物在水中的溶解性，設置7個濃度梯度的溶液，分別在紫外光區(qū)252，258和262 nm波長下測定其吸光值，得到苯、甲苯和二甲苯的標準曲線及濃度與吸光值的函數(shù)關系，如圖2所示。

圖2 苯、甲苯和二甲苯的標準曲線

由圖2可見3種苯系物在各自最大吸收波長下與吸光值的函數(shù)及對應公式，實驗值與趨勢線的擬合度均達到95%以上，說明3個函數(shù)基本能反映實際值的大小。

1.3.3 實驗設計 實驗設計采用正交設計法，L9(34)等水平正交設計表[18-19]。試驗設計及其對應處理見表1。

表1 L9(34)正交試驗設計及其對應處理

選取馴化培養(yǎng)后生長旺盛的脆弱剛毛藻，按設計稱取不同重量，分別接入不同濃度的苯系物處理液中(100 ml的硬質玻璃三角瓶中盛放50 ml的處理液)，依照處理條件放入人工氣候箱中進行培養(yǎng)。培養(yǎng)條件設定為光照3 000 lx，光源為日光燈，濕度為35%～50%，溫度、時間的設定按照正交實驗安排而分別設定。定時晃動并隨機換動三角瓶的擺放位置，以減少因光照強度不同而帶來的實驗誤差。

每種苯系物的處理分空白對照(只加苯系物，不加剛毛藻，以修正苯系物自然揮發(fā)對處理結果的影響)、單種處理(只加剛毛藻，不加苯系物，以修正剛毛藻可能的溶出物對處理結果的影響)和目標處理物處理(加剛毛藻和苯系物)。每個處理設3個重復，結果取其平均值。

1.4 實驗結果測定

實驗結果測定采用紫外分光光度法，所得數(shù)據(jù)消除空白對照組揮發(fā)量和單種處理組溶出物量的偏差。計算公式分別為:

濃度單位為mg/L;b表示苯;t表示甲苯;x表示二甲苯;A表示吸光值)。

2 結果與分析

2.1 剛毛藻對苯的去除效果

本實驗中苯的初始濃度為156.22 mg/L，在此濃度下，苯的揮發(fā)性較低，溶解度可達到較高水平。剛毛藻對苯的去除效果見表2。結果顯示，處理后苯濃度最低的是第 5組，為 58.45 mg/L，去除率達到46.6%。各因素極差值(R值)大小依次為溫度＞處理時間＞藻體重量，說明溫度是影響去除效果的主要因素，處理時間次之。

不同溫度對剛毛藻去除苯作用的影響見圖3a?？梢钥闯觯敎囟扔?℃增加到18℃時，苯的濃度明顯降低。當溫度由18℃增加到28℃時，苯的去除率增加，當溫度由18℃增加到28℃時，苯的去除率下降。分析其原因可能是因為溫度過高會使藻細胞的活力受到抑制，處理能力下降所致。

不同處理時間對剛毛藻去除苯作用的影響見圖3b?？梢钥闯觯斕幚頃r間由1 h增加到2 h時，苯的去除率增加，當處理時間由2 h增加到4 h時，苯的去除率有所下降。這可能是因為剛毛藻的吸附能力隨時間的延長達到了飽和。

表2 剛毛藻對苯的去除效果

不同藻重對剛毛藻去除苯作用的影響見圖3 c?？梢钥闯觯S著藻重由0.5 g增加到1.5 g，剛毛藻對苯的去除率呈上升趨勢。說明隨著生物量的增大，剛毛藻對苯的去除效果明顯上升。

圖3 不同溫度(a)、處理時間(b)和藻體重量(c)對剛毛藻去除苯效果的影響

2.2 剛毛藻對甲苯的去除效果

本實驗中甲苯的初始濃度為92.14 mg/L。根據(jù)多次預試驗發(fā)現(xiàn)，如果甲苯含量大于這個濃度，剛毛藻難以承受其毒性，很快死亡。剛毛藻對甲苯的去除效果見表3。結果顯示，處理后甲苯濃度最低的是第3組，為41.09 mg/L，去除率為13.6%。各因素R值大小依次為處理時間＞藻體重量＞溫度，說明處理時間是影響去除效果的主要因素，藻體重量次之。

不同溫度對剛毛藻去除甲苯作用的影響見圖4a。當溫度由8℃增加到18℃時，甲苯的去除率增加，當溫度由18℃增加到28℃時，甲苯的去除率下降。其原因與前述苯的處理一樣，可能是因為溫度過高使藻細胞的活力受損所致。

表3 剛毛藻對甲苯的去除效果

不同處理時間對剛毛藻去除甲苯作用的影響見圖4b。當處理時間由1 h增加到2 h時，對甲苯的去除率明顯增加，當處理時間由2 h增加到4 h時，對甲苯的去除率有所下降。這可能是由于剛毛藻的吸附能力有限，隨時間的延長藻體吸附的甲苯與周圍環(huán)境中達到了動態(tài)平衡。

不同藻體重量對剛毛藻去除甲苯作用的影響如圖4c所示。由圖4c中可以看出，藻體重量由0.5 g增加到1.0 g時，剛毛藻對甲苯的去除率有明顯的上升趨勢。藻體重量由1.0 g增加到1.5 g時，對甲苯的去除率有下降的趨勢。其原因還有待進一步研究分析。

圖4 不同溫度(a)、處理時間(b)和藻體重量(c)對剛毛藻去除甲苯效果的影響

2.3 剛毛藻對二甲苯的去除效果

本實驗中二甲苯的初始濃度為106.17 mg/L。剛毛藻對二甲苯的去除效果見表4。結果顯示，處理后二甲苯濃度最低的是第1組，為98.34 mg/L，去除率為7.4%。各因素R值大小依次為藻體重量＞處理時間＞溫度，說明藻體重量是影響去除效果的主要因素，處理時間次之。

由實驗結果可看出，第2組和第3組處理后的二甲苯濃度甚至大于初始濃度，推測可能是因為二甲苯存在使剛毛藻細胞中一些有機物溶解滲出，而某種物質的吸光值剛好在262 nm附近，導致吸光值增加，使計算出的二甲苯濃度大于初始濃度。

表4 剛毛藻對二甲苯的去除效果

3 結論

剛毛藻對苯系物具有明顯的去除效果，對苯、甲苯和二甲苯的去除率分別達到了46.6%，13.6%，7.4%，顯示了其作為水質凈化材料的優(yōu)勢，其藻體本身生長適應性強，分布廣泛，易于培養(yǎng)和收獲，成本低廉，在工業(yè)和生活污水處理方面具有較大應用潛力。

剛毛藻對3種苯系物的去除效率差異很大，去除率與3種苯系物的分子量呈負相關。從化學結構方面講，3種物質的結構差別在于側鏈上甲基的數(shù)目，很可能隨著目標處理物側鏈甲基數(shù)目和分子量的增加，其分子穿透藻體細胞或與藻體細胞粘附的能力有所降低。

對于不同的目標處理物，溫度、處理時間和藻體重量3個影響因子的影響程度不同。剛毛藻去除苯的實驗中，各因素R值大小依次為溫度＞處理時間＞藻體重量，溫度是影響苯去除效果的主要因素。在剛毛藻去除甲苯的實驗中，各因素R值大小依次為處理時間＞藻體重量＞溫度，主要影響因素是處理時間。而對于二甲苯，藻體重量是最主要的因素。

藻類的細胞壁主要是由肽聚糖、磷脂和蛋白質組成，具有黏性，帶有一定的負電荷，可提供許多能與有機分子結合的官能團。不同藻類的細胞結構及被吸附的有機分子的性質決定了藻類對不同有機物的去除能力的大小[20-21]。藻類對有機物質的富集過程首先是有機分子在藻體表面的被動吸附，這一過程可在很短時間內(nèi)完成，隨后藻體表面吸附的分子可能被主動轉移至細胞內(nèi)。剛毛藻對這3種苯系物的去除機制還需要深入研究。

[1] 吳舜澤，夏青.中國流域水污染分析[J].環(huán)境科學與技術，2000，89(2):1-6.

[2] 孫劍輝，馮精蘭，孫瑞霞.GC—MS分析堿法草漿造紙廢水中的有機污染物組成[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2005，21(1):53-55.

[3] 王曉燕，尚偉.水體有毒有機污染物的危害及優(yōu)先控制污染物[J].首都師范大學學報:自然科學版，2002，23(3):73-78.

[4] 孔繁翔.環(huán)境生物學[M].北京:高等教育出版社，2000:21-58.

[5] Adey W，Luckett C，Smith M.Purification of industrially contaminated ground waters using controlled ecosystems[J].Ecological Engineering Journal of Ecotechnology，1996，7:191-212.

[6] Sivaci E R，Sivaci A.Biosorption of cadmium and copper contaminated water by Scenededmus abundans[J].Chemosphere，2004，56:1043-1048.

[7] 況琪軍，馬沛明，劉國祥，等.大型絲狀綠藻對 N，P去除效果研究[J].水生生物學報，2004，28(3):323-326.

[8] Brown M T，Hodgkinson W M.Spatial and temporal variations in the copper and zinc concentrations of two geeen seaweeds from Otago Harbour，New Zealand[J].Marine Environmental Research，1999，47:175-184.

[9] 韓仕群，張振華，嚴少華.國內(nèi)外利用藻類技術處理廢水、凈化水體研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2000，17(1):13-16.

[10] Olguin E J.Phycoremediation:key issues for cost-effective nutrient removal processes[J].Biotechnology Advances，2003，22(1-2):81-91.

[11] Hoffmann J P.Wastewater treatment with suspended and nonsuspended algae[J].Journal of Phycology，1998，34(5):757-763.

[12] Sternberg S P K，Dorn R W.Cadmium removal using Cladophora in batch，semi-batch and flow reactors[J].Bioresource Technology，2002，81(3):249-255.

[13] Pena-Castro JM，Martinez-Jeronimo F，Esparza-Garcia F，etal.Heavy metals removalby the microalga Scenedesmus incrassatulus in continuous cultures[J].Bioresource Technology，2004，94:219-222.

[14] Jalali R，Ghafourian H.Removal and recovery of lead using nonliving biomass of marine algae[J].Journal of Hazardous Materials，2002，92B:253-262.

[15] 張錦平，李備軍，金承志.纖細裸藻攝取苯、甲苯的原位吸收光譜法[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)，1998，11(S1):46-49.

[16] Dou J F，Liu X.Biodegradation of benzene series compounds under nitrate reducing conditions[J].Environmental Science，2006，27(9):1846-1852.

[17] 曹紅翠.助色基團對苯及其衍生物的紫外光譜的影響[J].甘肅聯(lián)合大學學報:自然科學版，2005，19(1):34-35.

[18] 陸元鴻.數(shù)理統(tǒng)計方法[M].上海:華東理工大學出版社，2005:162-172.

[19] 方開泰，馬長興.正交與均勻實驗設計[M].北京:科學出版社，2001:83-211.

[20] Kim D J.Degradation of toluene vapor in a hydrophobic polyethylene hollow fiber membrane bioreactor with Pseudomonasputida[J].Process Biochemistry，2005，40(6):2015-2020.

[21] Jochmann A，Blessing Michaela，Haderlein Stefan B，et al.A new approach to determine method detection limits for compound-specific isotope analysis of volatile organic compounds[J].Rapid Commun Mass Spectrom，2006，20(24):3639-3648.