呂 芳, 丁 剛, 吳海一, 李美真

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海黍子和脆江蘺對重金屬鋅、鎘富集的比較研究

呂 芳1, 2, 丁 剛1, 3, 吳海一1, 2, 李美真1

(1. 山東省海洋生物研究院, 山東青島266002; 2. 青島市大型海藻工程技術(shù)研究中心, 山東青島266002; 3. 山東省海水健康養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心, 山東青島266002)

采用室內(nèi)培養(yǎng)實驗方法, 研究了褐藻海黍子()和紅藻脆江蘺()在不同質(zhì)量濃度的鋅和鎘溶液里15 d, 藻體的生長和體內(nèi)金屬離子含量的變化。結(jié)果表明: 兩種藻的生長速率與暴露溶液金屬質(zhì)量濃度呈負相關(guān), 藻體內(nèi)積累金屬離子的量和溶液的金屬質(zhì)量濃度呈正相關(guān), 藻體內(nèi)金屬離子的含量均在培養(yǎng)3 d后顯著增加, 且隨著培養(yǎng)時間的延長而持續(xù)增加。海黍子和脆江蘺對重金屬Zn2+的富集能力明顯高于對Cd2+的富集能力, 在相同條件下, 海黍子對重金屬Zn2+, Cd2+的積累量明顯高于脆江蘺。以上研究結(jié)果對利用藻類修復(fù)重金屬污染的海洋水體能起到一定的指導(dǎo)和參考作用。

海黍子(); 脆江蘺(); 重金屬; 生物修復(fù)

藻類作為海洋生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)者, 不僅可以去除N、P等營養(yǎng)物質(zhì)和有機污染物, 還可以吸附海洋中的重金屬, 因此可應(yīng)用于海洋生態(tài)系統(tǒng)中的重金屬污染修復(fù)[1-4]。

研究表明, 大型海藻對多種重金屬的吸附表現(xiàn)出較強的能力?？资?)對銅和鎘具有較強的吸收能力[5]; 鼠尾藻()對海水中重金屬鋅、鎘的積累量與海水中重金屬濃度及處理時間呈正相關(guān), 并且對鋅具有較強的富集能力[6]; 滸苔()對水體中重金屬鉛具有較好的去除[7]; 龍須菜()對銅和鎘有較強的富集能力[8], 并且不同N、P營養(yǎng)鹽濃度條件會影響龍須菜對重金屬脅迫的耐受性[9]。以上研究發(fā)現(xiàn)不同海藻對重金屬的富集能力差別很大, 其生理機制較為復(fù)雜, 需要更多系統(tǒng)深入的研究。

本文研究了海黍子和脆江蘺在對重金屬鋅和鎘的富集過程中, 藻體的生長和體內(nèi)金屬離子含量的變化規(guī)律, 目的在于探討不同藻類對重金屬離子的富集能力, 以期為高效富集重金屬的海藻篩選提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

海黍子采自山東榮成市海域, 脆江蘺采自青島膠南人工養(yǎng)殖池塘。采集的藻體用低溫采集箱運回實驗室, 用海水反復(fù)清洗去除泥沙及雜質(zhì)后, 置于溫度15℃, 光照1 000 lx 的恒溫光照培養(yǎng)箱中充氣培養(yǎng), 5 d后用于實驗。選取生長健壯、形態(tài)較一致的個體用于實驗。

1.2 實驗方法

兩種重金屬離子溶液分別用分析純CdCl2·2.5H2O和ZnSO4·7H2O配制而成。實驗中金屬離子質(zhì)量濃度參照吳海一等[6]設(shè)為0.1、0.5、1.0、5.0 mg/L, 以自然海水作為對照。

實驗在容積為3000 mL的燒杯中進行, 每個燒杯裝2 000 mL溶液。每個實驗處理組設(shè)置3個重復(fù), 每個重復(fù)放置15株藻體。實驗在鹽度為30、溫度為15℃、光周期為12 h︰12 h、光照強度為3 000 lx 的恒溫光照培養(yǎng)箱內(nèi)充氣進行, 每天更換溶液。

1.3 比生長速率的測定

在實驗開始后的第3、5、10、15天, 記錄藻體的質(zhì)量變化, 稱量后及時將藻體轉(zhuǎn)移入培養(yǎng)水體中, 防止藻體水分的過度流失。

比生長速率(GR)的計算公式如下:

GR=[(W/０)1/t–1] ×100

式中,W為實驗中期或結(jié)束時藻體鮮質(zhì)量(g),0為實驗開始時藻體鮮質(zhì)量(g),為培養(yǎng)時間(d)。

1.4 藻體內(nèi)金屬含量的測定

在實驗開始后的第0、3、5、10、15天, 從每個重復(fù)組中隨機取1株藻體測定藻體內(nèi)金屬離子含量。將樣品在60℃下烘干至恒質(zhì)量, 用天平準確稱取烘干的樣品10mg, 測定時采用濕法消解, 將消化好的溶液放入4℃冰箱保存待測。金屬含量采用火焰原子吸收分光光度法測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所得數(shù)值以平均值±標準誤差表示。顯著性差異用單因素方差分析來分析, 分析軟件為SPSS 13.0, 當(dāng)<0.05時為顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬Zn2 +和Cd2 +對藻體生長的影響

如圖1所示, 海黍子暴露在Zn2+溶液時, 各個實驗組藻體的生物量均呈上升趨勢, 且在實驗前5d內(nèi)比生長速率逐漸增加(<0.05), 然后急劇下降。在不同Zn2+濃度下海黍子的比生長速率呈現(xiàn)差異性, 低濃度下生長較快, 高濃度(>1.0 mg/L)下生長速率較慢。當(dāng)海黍子暴露在不同質(zhì)量濃度Cd2+溶液時, 比生長速率的變化與暴露在Zn2+溶液里變化相似, 但是3~5 d各實驗組的生長速率顯著高于其他暴露時間(<0.05)。

由圖2可見, 當(dāng)脆江蘺暴露在Zn2+溶液時, 實驗前5 d內(nèi)藻體比生長速度比較快, 無明顯的滯緩期, 隨后隨著培養(yǎng)時間的延長, 生長速率緩慢下降。Zn2+質(zhì)量濃度0.1 mg/L和0.5 mg/L的處理組, 藻體的生長速率高于對照組。另外, 脆江蘺的生長速率與暴露溶液質(zhì)量濃度呈負相關(guān), 低濃度下脆江蘺的比生長速率顯著高于高濃度(>1.0 mg/L)下的生長速率。脆江蘺在Zn2+溶液中的生長速率呈現(xiàn)相似的變化趨勢。

2.2 海黍子對重金屬Zn2+和Cd2+的富集

實驗用自然海水中Zn2+、Cd2+的質(zhì)量濃度分別是21.52 μg/L和1.11 μg/L。由圖3可見, 在自然海水中培養(yǎng)的海黍子藻體內(nèi)Zn2+含量在實驗期間沒有明顯變化, 而其他重金屬處理組藻體內(nèi)Zn2+含量均在3 d后顯著增加(<0.05), 且隨著培養(yǎng)時間的延長, 藻體內(nèi)Zn2+含量逐漸增加。

當(dāng)海黍子暴露在不同質(zhì)量濃度Cd2+溶液時, 體內(nèi)Cd2+含量變化與暴露在Zn2+溶液呈現(xiàn)相同的變化趨勢, 在3 d后顯著增加而后持續(xù)升高。

2.3 脆江蘺對重金屬Zn2+和Cd2+的富集

如圖4所示, 重金屬Zn2+和Cd2+分別處理下的脆江蘺, 體內(nèi)金屬離子含量變化均隨著暴露時間的延長呈逐漸增加的趨勢, 且不同重金屬離子濃度處理組之間差異顯著(<0.05), 暴露質(zhì)量濃度越高, 藻體內(nèi)金屬離子含量也越大。

3 討論

海黍子()是多年生大型褐藻, 廣泛分布于我國北方黃渤海沿岸。藻體長1m以上, 有的可達2~4 m。藻體可以從海底到海面漂浮生長, 往往在海浪較小的內(nèi)灣和淺海區(qū)的海底巖礁上形成較大的藻場, 是我國北方沿海重要的海藻資源之一[10-11]。脆江蘺(Zhang et, Xia)是暖水性大型經(jīng)濟紅藻, 在夏季高溫期, 藻體也能快速生長, 填補了北方海區(qū)夏季池塘無大型海藻養(yǎng)殖的空白[12], 在優(yōu)化近海海域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參與全球碳循環(huán)、防治海區(qū)富營養(yǎng)化和赤潮等方面都有重要的生態(tài)作用[13-15]。

本實驗觀察發(fā)現(xiàn), 脆江蘺在低濃度Zn2+海水中, 藻體生長旺盛, 分枝繁茂整齊, 體色呈深紅褐色, 而在高濃度Zn2+海水中, 脆江蘺生長緩慢, 藻體瘦弱短小, 主枝成淺褐色, 側(cè)枝少且呈黃褐色, 實驗15 d時部分側(cè)枝出現(xiàn)腐爛衰退的現(xiàn)象。以上結(jié)果表明, 在不同重金屬離子濃度的影響下, 藻類的生長呈現(xiàn)差異性。這很大程度上是由于隨著吸附時間的推移, 藻類受到有毒高濃度重金屬的脅迫, 新陳代謝受到了抑制, 藻細胞開始衰退甚至死亡[16-18]。在細胞內(nèi)部, 重金屬離子能夠替換活性金屬或鍵合巰基、氨基和羧基集團而使某些必須酶失去活性[19], 從而制約了細胞的生長代謝。

同一藻類可以吸附不同的重金屬離子但吸附能力差別很大。從圖3和圖4可以看出, 海黍子分別暴露在4種相同質(zhì)量濃度Zn2+、Cd2+溶液15 d 時, 每克干重藻體內(nèi)Zn2 +的含量分別增加了1.59、3.38、4.03、6.82 mg, Cd2 +的含量分別增加了0.37、0.87、1.52、2.88 mg; 脆江蘺藻體內(nèi)Zn2+的含量分別增加了0.43、0.78、1.09、1.26 mg, Cd2 +的含量分別增加了0.11、0.16、0.19、0.23 mg。這些數(shù)據(jù)表明: 海黍子和脆江蘺對重金屬Zn2+的富集能力明顯高于對Cd2+的富集能力, 其原因一方面可能是與藻體本身的細胞化學(xué)組成和生理狀態(tài)有關(guān)[20-22], 另一方面可能是因為鋅元素是植物生長的必須元素, 這也間接說明了所測重金屬元素對藻類的毒性強度和藻類對不同重金屬元素的耐受性[23-24]。

不同的藻類對于同一重金屬元素的富集能力也有很大差別。實驗結(jié)果表明, 海黍子對重金屬Zn2+, Cd2+的積累量明顯高于脆江蘺, 在Zn2+和Cd2+質(zhì)量濃度為5.0 mg/L的溶液中分別暴露15 d后, 海黍子Cd2+的積累量為2.88 mg/g, Zn2+的積累量為6.85 mg/g,約為相同實驗條件下脆江蘺Cd2+積累量的12.5倍, Zn2+的5.45倍。因此對重金屬具有較強富集能力的藻類的篩選, 同時有較強的重金屬耐受性及較大的生物量, 實際應(yīng)用時需根據(jù)水體中重金屬水平選擇相應(yīng)耐受性的藻類, 避免藻類受重金屬毒性作用引起的生長抑制[24-25]。

利用藻類修復(fù)海洋重金屬污染, 既能有效的減輕環(huán)境污染, 又能使藻類資源得到充分利用, 具有重要的實用和經(jīng)濟價值。但現(xiàn)階段由于不同藻類與金屬種類的對應(yīng)處理關(guān)系尚沒有形成明確的標準體系, 在應(yīng)用中無法準確選擇藻類種類, 在一定程度上制約了該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用, 因此篩選環(huán)境適應(yīng)性強和對重金屬富集能力強的海藻品種, 仍是亟需解決的問題。

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Comparative study on heavy metal accumulation inand

Lü Fang1, 2, DIND Gang1, 3, WU Hai-yi1, 2, LI Mei-zhen1

(1. Marine Biology Institute of Shandong Province, Qingdao 266002, China; 2. Qingdao Macroalgae Engineering Technology Research Center, Qingdao 266002, China; 3. Engineering Research Center of Healthy Marine Aquaculture, Shandong province, Qingdao 266002, China)

The growth and accumulation of the heavy metals Zn and Cd inandwere investigated for 15 days following exposure to different concentrations of these metals.The results demonstratedthat the growth rates of these two algae were negativelycorrelated to the concentrations of metal solutions, whereasthe metal contentswere positivelycorrelated to the concentrations of metal solutions.In addition, the metal contents in both algae increased remarkably on the thirdday of culture and continually kept increasingover the entire period of culture. The accumulation of Zn2+was evidentlyhigher than that of Cd2+in both algae. Under the sameexperimental conditions, the accumulation of Zn2+and Cd2+was significantly higher inthan in. These findings may contribute to the selection of potential algae for the removal of heavy metals in aquatic environments.

;; heavy metals; bioremediation

X506

A

1000-3096(2017)01-0018-06

10.11759/hykx20150205004

2016-05-22;

2016-07-07

山東省優(yōu)秀中青年科研獎勵基金項目(BS2012HZ013); 國家自然科學(xué)基金項目(41306122); 國家海洋公益行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201305021、201405040、201505022); 山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金(SDAIT-26)

呂芳(1982-), 女, 山東青島人, 助理研究員, 博士, 主要從事藻類生理生態(tài)學(xué)與分子生物學(xué)的研究, 電話: 0532-82685722, E-mail: lvfang8254 @163. com; 吳海一(1973-), 通信作者, 男, 山東莒南人, 副研究員, 博士, 主要從事大型海藻生態(tài)學(xué)研究, 電話0532-82685722, E-mail: wuhaiyi1997 @163. com

May 22, 2016

[Young and Middle-Aged Scientists Research Awards Fund of Shandong province, No.BS2012HZ013; National Natural Science Foundation of China, No.41306122; National Marine Public Welfare Research Project, No.201305021, 201405040, 201505022; The earmarked fund for Modern Agro-industry Technology Research System in Shandong Province, No. SDAIT-26]

(本文編輯: 梁德海)