楊熒 劉莉文 李建宏

摘要：消除環(huán)境中的重金屬污染是亟待解決的課題。微藻具有很高的富集重金屬的能力，它們具有繁殖快、易培養(yǎng)、可選擇種類多等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。系統(tǒng)梳理目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)微藻富集重金屬的機(jī)制的研究進(jìn)展，概述影響微藻富集重金屬的生物因素（包括藻種生活狀態(tài)、種類、耐受能力、大小、生物量濃度）和非生物因素（包括金屬離子濃度和形態(tài)、pH值、溫度、接觸時(shí)間、光照等），介紹了微藻在重金屬污染環(huán)境修復(fù)中的運(yùn)用（包括修復(fù)污染水體、稻田以及土壤）。

關(guān)鍵詞：重金屬;微藻;機(jī)制;影響因素;污染修復(fù)

中圖分類號(hào)： X173;X171.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）21-0088-07

收稿日期：2018-07-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31370217）;江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程（編號(hào)：PAPD）。

作者簡(jiǎn)介：楊熒（1993—），女，江蘇連云港人，碩士，主要從事藻類生理學(xué)的研究。E-mail：yangying_regina@sina.com。

通信作者：李建宏，博士，教授，主要從事藻類生理生態(tài)研究。E-mail：lijianhong@njnu.edu.cn。

重金屬在自然環(huán)境中的污染問(wèn)題日趨凸顯，給生態(tài)環(huán)境和人類健康造成極大危害。環(huán)境中最受關(guān)注的重金屬主要是汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、砷（As）、鉻（Cr）等元素[1]，這些元素的蓄積，可引發(fā)癌癥、神經(jīng)肌肉控制缺陷、智力缺陷、腎功能障礙等疾病[2]，威脅人類健康。如何消除環(huán)境中的重金屬一直是人們廣泛關(guān)注的問(wèn)題。自20世紀(jì)50年代提出利用微藻處理污水的想法以來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)進(jìn)一步發(fā)揮藻類凈化污水的潛力進(jìn)行了大量的研究，在藻類進(jìn)化污水的機(jī)制研究方面取得了很大進(jìn)展，尤其在藻類處理含重金屬污水方面，取得了很多的成果。同時(shí)，在污染環(huán)境修復(fù)方面，研究人員不但嘗試應(yīng)用微藻修復(fù)重金屬污染水體，也嘗試了將微藻應(yīng)用于水稻田以及重金屬污染土壤進(jìn)行原位修復(fù)。

本文就微藻富集重金屬的特點(diǎn)、微藻富集重金屬的機(jī)制、影響微藻對(duì)重金屬吸附效果的因素以及微藻在污染修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行概述，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供借鑒。

1微藻吸附重金屬的機(jī)制

工業(yè)污水是重要的重金屬污染來(lái)源，通常采用化學(xué)沉淀、電解、離子交換、反滲透以及活性炭吸附等方法從中除去重金屬[3]，但這些方法均存在一定的局限性，特別是在重金屬濃度較低的情形下，一般都存在效率較低、能耗較高、成本昂貴、處理過(guò)程容易產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題。相對(duì)而言，利用微生物吸附重金屬，處理過(guò)程簡(jiǎn)單、效率高、成本低廉，已成為科研人員探索研究的熱點(diǎn)。常見(jiàn)的微生物吸附材料主要包括細(xì)菌、真菌和藻類，由于藻類植物屬光合自養(yǎng)型生物，具有生長(zhǎng)及代謝速度快、培養(yǎng)容易、吸附作用強(qiáng)、凈化效率高等優(yōu)勢(shì)，更具有廣闊的應(yīng)用前景。利用微藻吸附重金屬具有明顯優(yōu)勢(shì)：（1）藻種種類多、來(lái)源廣，廉價(jià)易得，適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣;（2）人為選擇性強(qiáng)，可根據(jù)污水類型、重金屬類型、以及重金屬濃度的不同，選擇特異性藻種;（3）吸附效率高、富集容量大，處理過(guò)程能耗低、不產(chǎn)生二次污染;（4）富集產(chǎn)物易回收，有利于資源循環(huán)利用，符合可持續(xù)發(fā)展理念。微藻富集重金屬的優(yōu)勢(shì)與其吸附重金屬的機(jī)制密切相關(guān)。

關(guān)于藻類吸附重金屬的機(jī)制，已有了大量的研究報(bào)道。一般認(rèn)為，在宏觀吸附過(guò)程中，活藻體吸附分為2個(gè)階段：第1階段是物理吸附，速度較快，與代謝無(wú)關(guān)，金屬離子可能通過(guò)配位、離子交換[4]、表面絡(luò)合[5]、氧化還原[6]、微沉淀[7]以及物理吸附等作用中的1種或幾種附著在細(xì)胞表面;在這一過(guò)程中，金屬和生物基質(zhì)的作用較快，典型的吸附過(guò)程數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)內(nèi)就可完成。Kanchana等對(duì)藻類的生物吸附動(dòng)力學(xué)行為的研究表明，初始吸附期快，平衡期較晚，平衡時(shí)間為10～60 min不等，藍(lán)綠藻對(duì)金屬的吸附平衡時(shí)間為5～10 min[8]。Vogel等研究了死亡的微藻（Chlorella vulgaris）對(duì)鈾的吸附作用，結(jié)果表明，超過(guò)90%的溶解鈾在前5 min被吸附[9]。Klimmek等用鞘顫藻吸附Pb2+和Cd2+，在前5 min內(nèi)對(duì)Pb2+和Cd2+的吸附量就達(dá)到飽和吸附量的90%，在30 min 后達(dá)到吸附平衡[10]。趙玲等研究了海洋赤潮生物原甲藻及其藻壁多糖對(duì)重金屬離子的吸附作用，結(jié)果表明，吸附可在30 min內(nèi)完成[11]。第2階段的吸收是一個(gè)能量驅(qū)動(dòng)的新陳代謝過(guò)程，受到能量（如糖分）和阻止新陳代謝過(guò)程的物質(zhì)的影響，速度較慢。該階段是一個(gè)生物富集的過(guò)程，與細(xì)胞代謝直接相關(guān)，胞外的金屬離子被運(yùn)至胞內(nèi)，并儲(chǔ)存起來(lái)。吳海鎖等用小球藻吸附Cu2+，4 h后的吸附量達(dá)到48 h 后的81%，可見(jiàn)后期富集重金屬的效率較低[12]。以下將從微藻細(xì)胞的結(jié)構(gòu)組分及代謝基礎(chǔ)方面具體闡述其對(duì)重金屬吸附的影響。

1.1微藻細(xì)胞細(xì)胞壁在重金屬吸附中的作用

微藻暴露在重金屬溶液中時(shí)，首先與金屬離子接觸的是細(xì)胞壁，因此微藻細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)組分不僅對(duì)重金屬吸附能力有著重要的影響，甚至決定藻類與特定金屬離子的互作特性。藻類細(xì)胞壁通常是由纖維素、果膠質(zhì)、藻酸銨巖藻多糖和聚半乳糖硫酸酯等多層微纖維組成的多孔結(jié)構(gòu)，具有較大的表面積;細(xì)胞壁上的多糖、蛋白質(zhì)、磷脂等多聚復(fù)合體給藻類提供了大量可以與金屬離子結(jié)合的官能團(tuán)（如氨基、硫基、巰基、羧基、羰基、咪唑基、磷酸根、硫酸根、酚、羥基、醛基和酰氨基等）[13]，這些官能團(tuán)在特定pH值條件下水解釋放出陽(yáng)離子和質(zhì)子，使得細(xì)胞壁帶負(fù)電荷，從而對(duì)污水中的金屬陽(yáng)離子有很高的親和力[14]。李建宏等在對(duì)極大螺旋藻（Spirulina maxima）富集重金屬的機(jī)制研究中，比較了藻體與細(xì)胞外壁多糖對(duì)Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+的吸附量后發(fā)現(xiàn)，多糖的吸附量是藻體的8倍左右，推測(cè)該藻細(xì)胞對(duì)4種離子的吸附主要是多糖起主導(dǎo)作用[15]。趙玲等通過(guò)對(duì)海洋原甲藻（Prarocentrum micans）吸附重金屬離子的研究發(fā)現(xiàn)，從原甲藻中分離出來(lái)的多糖對(duì)金屬的吸附量是藻體對(duì)金屬吸附量的5倍，認(rèn)為多糖對(duì)金屬離子的吸附起主要作用[11]。此外，Davis等都在各自研究的藻類上得出細(xì)胞壁多糖是主導(dǎo)重金屬吸附的結(jié)論[16-18]。Gardea-Torresdey等通過(guò)對(duì)5種不同藻類的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把細(xì)胞壁中的羧基脂化后，它們對(duì)Cu2+和Al3+的吸附能力顯著下降[13]。Chojnacka等用化學(xué)方法對(duì)螺旋藻細(xì)胞表面的主要官能團(tuán)進(jìn)行修飾后發(fā)現(xiàn)，該藻失去了對(duì)重金屬的吸附能力[19]。這些試驗(yàn)也驗(yàn)證了細(xì)胞表面多糖在重金屬吸附中所起的作用。微藻細(xì)胞壁功能基團(tuán)對(duì)重金屬吸附具有極其重要的作用，但僅僅靠功能基團(tuán)還不能保證重金屬的有效吸附，環(huán)境條件（如pH值、離子強(qiáng)度、競(jìng)爭(zhēng)性陽(yáng)離子等）的改變、空間位阻、構(gòu)象變化或者共價(jià)交聯(lián)，都可能阻礙重金屬離子的表面吸附[20]。

1.2依賴于細(xì)胞代謝的重金屬吸附過(guò)程

1.2.1胞外聚合物的作用

微藻通常會(huì)產(chǎn)生一些生物大分子胞外聚合物（extracellular polymericsubstances，簡(jiǎn)稱EPS）分泌到細(xì)胞壁外，它們對(duì)藻細(xì)胞的重金屬富集產(chǎn)生一定的影響。EPS主要由糖類、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)組成，和細(xì)胞壁內(nèi)的有機(jī)物一樣，也能與重金屬形成絡(luò)合物或締合物，附著在群體細(xì)胞的膠質(zhì)鞘上，使重金屬離子不能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，既實(shí)現(xiàn)解毒功能，同時(shí)又降低了周圍水體中的重金屬含量[21-22]。聶國(guó)朝研究發(fā)現(xiàn)，Cd2+能刺激絲藻分泌細(xì)胞外聚合物，且生物膜去除水中Cd的效率與藻菌生物膜胞外多聚糖的含量幾乎呈線性相關(guān)[23]。此外，Garcia-Meza等研究發(fā)現(xiàn)，在綠球藻（Chlorococcum sp.）和藍(lán)藻（Phormidium sp.）共存體系中，銅（Cu2+）和鋅（Zn2+）能刺激這2種藻類分泌EPS形成生物膜，從而增強(qiáng)對(duì)污水中重金屬的吸附能力[24]。另一方面，生物膜富集了大部分的重金屬離子，對(duì)藻體細(xì)胞起到了保護(hù)作用，也進(jìn)一步循環(huán)促進(jìn)了藻類對(duì)重金屬的耐受性和富集強(qiáng)度。

1.2.2胞內(nèi)金屬絡(luò)合物的富集作用

在重金屬誘導(dǎo)下，藻類產(chǎn)生金屬絡(luò)合物把有害的離子形式轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害的蛋白或多肽，如金屬硫蛋白（MTs）[25]、植物螯合肽（PCs）[26]、谷胱甘肽（GSH）[27]等，它們能夠與重金屬結(jié)合，起穩(wěn)定、轉(zhuǎn)運(yùn)、富集重金屬的作用，從而使得藻體能夠耐受環(huán)境中的重金屬污染。MTs是一類小分子金屬結(jié)合蛋白，其中的半胱氨酸殘基（Cys）可以通過(guò)巰基與重金屬離子結(jié)合，從而降低重金屬的毒性[28]，在藍(lán)藻（Synechococcus sp.）、褐藻（Fucus vesiculocus）和一些綠藻（Chlorella sp.）中均已證實(shí)有MTs存在[29-30]。PCs是一類酶促合成的小分子多肽，植物絡(luò)合素合酶（PCS）以谷胱甘肽為底物催化合成PCs，而重金屬離子可激活PCS。結(jié)合了重金屬離子的PCs復(fù)合物最終大部分被轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡中，其余部分儲(chǔ)存在葉綠體或線粒體中，實(shí)現(xiàn)藻類對(duì)重金屬的耐受性和富集作用[31-32]。不同金屬對(duì)不同物種的誘導(dǎo)效應(yīng)存在較大差異。Tsuji等認(rèn)為，盡管Cd2+誘導(dǎo)高等植物產(chǎn)生的PCs量要多于Zn2+，但Zn2+誘導(dǎo)海洋綠藻杜氏藻（Dunaliella tertiolecta）產(chǎn)生的PCs量反而多于Cd2+[33]。Morelli等研究發(fā)現(xiàn)，單細(xì)胞硅藻三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）受Zn2+脅迫后，盡管藻體內(nèi)的Zn含量有所升高，但不能誘導(dǎo)合成PCs[34]。GSH是機(jī)體內(nèi)非蛋白硫醇的主要來(lái)源，作為合成PCs的原料，也能通過(guò)半胱氨酰的SH基與重金屬直接結(jié)合。Pawlik-Skowronska等首次發(fā)現(xiàn)，GSH與As具有配位作用，As可與PC、GSH的SH基團(tuán)形成各種復(fù)合體[35]。Tsuji等認(rèn)為，Zn2+促進(jìn)杜氏藻產(chǎn)生PCs的原因，可能是Zn2+通過(guò)刺激活性氧（ROS）的產(chǎn)生間接激活γ- 谷氨酰半胱氨酸合成酶（γ-ECS）和谷胱苷肽合成酶（GS），從而促進(jìn)GSH的合成，最終誘導(dǎo)PC的合成[33]。

2影響微藻對(duì)重金屬富集的因素

2.1生物因素

2.1.1藻的生活狀態(tài)

運(yùn)用微藻吸附重金屬，可分為活體藻和死亡藻2種方式。通常情況下，活體藻對(duì)重金屬的富集量比死藻要高，主要原因是活體藻不但可以在胞外吸附重金屬，還可以通過(guò)生長(zhǎng)代謝，吸收一定量的重金屬。但Pirszel等的研究表明，死亡的藻細(xì)胞對(duì)重金屬也具有較強(qiáng)的吸附能力，并且認(rèn)為利用死的藻體吸附微量元素比活體更為經(jīng)濟(jì)、高效[36]。Mohamed等也發(fā)現(xiàn)，死亡的藍(lán)藻（Gloeothece magna）比活體對(duì)Cd2+和Mn2+的吸附量更大[37]。Hassen等用活的藻細(xì)胞和預(yù)先用熱水殺死的藻細(xì)胞對(duì)Cu2+進(jìn)行吸附對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，死細(xì)胞對(duì)Cu2+的吸附速度要大于活細(xì)胞[38]。究其原因，有分析認(rèn)為，可能是活藻細(xì)胞膜具有高度選擇通透性，一般只允許中性分子通過(guò)而離子不易通過(guò);而死亡藻細(xì)胞壁破碎較多，從而有更多的內(nèi)部功能團(tuán)（如金屬螯合蛋白、多糖等）暴露出來(lái)與金屬離子結(jié)合，且細(xì)胞膜因失去選擇通透性功能而更容易讓離子通過(guò)，最終表現(xiàn)死亡狀態(tài)的藻細(xì)胞比活體狀態(tài)對(duì)重金屬吸附量更大。

2.1.2不同種類的差異

不同微藻對(duì)重金屬的耐受性和選擇性吸附差異較大，因此針對(duì)性選擇合適的藻株用于富集重金屬顯得尤為重要。Monteiro等比較了斜生柵藻（Scenedesmus obliquus）和鼓藻（Desmodesmus pleiomorphus）對(duì)Cd2+和Zn2+的吸附性能，發(fā)現(xiàn)它們對(duì)Cd2+的吸收量分別是0058、1.92 mg/L，對(duì)Zn2+的吸收量分別是16.99、4.87 mg/L[28]。可見(jiàn)，不同種類的微藻對(duì)不同重金屬的吸附能力不同。研究也顯示，不同微藻對(duì)不同離子吸附能力也有很大差別，如微藻Castilleja miniata，C.vulgaris 和Chlamydomonas reinhardtii可去除二價(jià)金屬陽(yáng)離子[如：汞（Hg2+）、鎘（Cd2+）、鉛（Pb2+）、鎳（Ni2+）、（Cu2+）、（Zn2+）]，而C. vulgaris和Spirulina platensis可去除三價(jià)金屬陽(yáng)離子鐵[如Fe3+）和Cr3+]，而C. miniata和C. vulgaris可去除Cr6+[39]。

耐受機(jī)制是藻類應(yīng)對(duì)不良環(huán)境的一個(gè)重要適應(yīng)性應(yīng)激反應(yīng)[39]。金屬離子主要破壞藻類的氧還原化平衡，破壞抗氧化酶，如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶、抗壞血酸過(guò)氧化物酶等。因此，重金屬離子的污染程度可以通過(guò)藻細(xì)胞中氧化蛋白和脂質(zhì)的數(shù)量進(jìn)行評(píng)估[40-41]。Wong等比較了2種藻類，證明在高濃度重金屬湖泊中綠藻Chlorella fusca可以存活，而另一種綠藻Ankistrodesmus bibraianum對(duì)金屬非常敏感[31]。Silverberg等在柵藻（Scenedesmus spp.）培養(yǎng)基中放入1 mg/L Cu2+溶液，發(fā)現(xiàn)柵藻在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生了對(duì)Cu2+的耐受性，并且藻粉干質(zhì)量中含銅量為0.76 mg/g，而對(duì)于未產(chǎn)生耐受性的柵藻在Cu2+濃度≥0.15 mg/L溶液中卻不能生長(zhǎng)[32]。

生物體的大小和不同生長(zhǎng)期對(duì)重金屬的毒性敏感程度也會(huì)不同。大小是藻類生態(tài)學(xué)的一個(gè)根本因素，藻類的生化反應(yīng)、代謝、生長(zhǎng)等過(guò)程，都與藻的大小有關(guān)。體積較小的藻類通常有較高光合作用率和生長(zhǎng)速率，單位生物量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸速度快[40]，具有最大的表面積-體積比的最小的微藻，通常是富集金屬最有效的藻[39]，體積小的藻（表面與體積比較大）比體積大的藻類對(duì)銅更敏感[41]。

2.1.3生物量濃度對(duì)吸附效果的影響

藻類在溶液中吸附重金屬離子的數(shù)量與藻類的生物量濃度有關(guān)，一般藻類生物量濃度與重金屬的去除量呈正相關(guān)性。Mehta等發(fā)現(xiàn)，小球藻的生物量濃度增加100倍時(shí)，對(duì)于Ni2+和Cu2+的去除效果明顯增加[42]。此外，生物量濃度的變化對(duì)生物吸附能力也有影響，有研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加吸附劑量，增加了藻類表面活性位點(diǎn)，從而增加了金屬離子吸附量，去除率增加直至達(dá)到平衡，但是單位質(zhì)量吸附劑吸收的金屬離子量減少。其原因可能是由于位于細(xì)胞表面存在多種親合力大小不同的功能基團(tuán)，在高濃度重金屬溶液中，高、低親合性的功能基團(tuán)都參與吸附，在低濃度重金屬溶液中，高親合性的功能基團(tuán)參與吸附;此外，吸附劑量增加后，由于吸附劑的活性位點(diǎn)過(guò)多，溶液中的金屬離子不足以覆蓋所有活性位點(diǎn)，同時(shí)，結(jié)合位點(diǎn)之間的干擾作用也不能忽略，從而導(dǎo)致了較低的單位吸附量。Romera等使用不同的藻株和金屬離子，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，最低的生物量濃度有最大的生物吸附效率[43]。Bishnoi等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物量濃度增加時(shí)，螺旋藻對(duì)銅的攝取量減少[44]。Gong等也研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)極大螺旋藻藻生物量濃度從0.1 g/L增加到2.0 g/L，Pb2+吸收量從121 mg/g下降至21 mg/g[45]。

2.2非生物因素

2.2.1金屬離子的濃度和狀態(tài)對(duì)藻類吸附的影響

初始金屬離子濃度對(duì)藻類的去除效果有很大的影響，一般來(lái)說(shuō)，起初藻類的生物吸附量隨著金屬離子初始濃度增加而增加，然后隨著金屬離子濃度的增加，單位藻類生物量對(duì)重金屬去除率會(huì)有所下降[46]。從去除率來(lái)看，通常金屬離子濃度越低，去除率越高。吳文娟等研究發(fā)現(xiàn)，供試重金屬離子濃度分別為20、60、100、140 μg/mL時(shí)，150 mg干質(zhì)量微囊藻對(duì)Cu2+的去除率分別為67%、37%、35%、34%，對(duì)Cd2+的去除率分別為73%、65%、60%、42%，對(duì)Ni2+的去除率分別為47%、31%、28%、21%[47]。Mehta等報(bào)道，小球藻對(duì)初始濃度為2.5 mg/L 溶液中Ni2+、Cu2+的去除率分別為69%、80%，而將它們的初始濃度增加到10 mg/L，去除率則分別降低至37%、42%[42]。

活藻對(duì)重金屬的富集作用往往會(huì)受到重金屬離子毒害的影響，微量重金屬的毒性取決于金屬離子的形態(tài)，而金屬離子的形態(tài)與pH值和水體中存在的不同絡(luò)合劑密切相關(guān)。確切地說(shuō)，結(jié)合在微藻上的金屬陽(yáng)離子取決于它們?cè)谌芤褐械男螒B(tài)和電荷量，而金屬陽(yáng)離子在溶液中的形態(tài)和電荷量又與pH值密切相關(guān)[48]。Brinza等報(bào)道了活體螺旋藻（Spirulina spp.）對(duì)Cr3+的富集量為304 mg/g，而對(duì)Cr6+的富集量可達(dá)333 mg/g[49]。目前，藻類對(duì)不同形態(tài)金屬離子吸附效果的研究相對(duì)較少。

溶液體系中的陰陽(yáng)離子強(qiáng)度也是影響藻類對(duì)重金屬吸附效果的又一重要因素。Dwivedi等研究發(fā)現(xiàn)，在特定的pH值條件下，官能團(tuán)的數(shù)目固定，但隨著離子強(qiáng)度增加可用于金屬離子吸收的位點(diǎn)減少，因此，在較高的離子強(qiáng)度下重金屬離子去除會(huì)減少[50]。Schiewer等也發(fā)現(xiàn)，隨著離子強(qiáng)度的降低，藻類對(duì)Cu2+和Ni2+的結(jié)合能力會(huì)增強(qiáng)[51]。此外，鹽度也會(huì)影響藻類對(duì)金屬吸附的效果，一般來(lái)說(shuō)，高鹽濃度都會(huì)嚴(yán)重限制藻類對(duì)金屬的吸附[52]。Rebhum等對(duì)Cd2+和Cu2+的最佳鹽度分別為2.5%、20%;對(duì)D. salina的研究結(jié)果顯示，NaCl濃度范圍在0.5～1.0 mol/L之間時(shí)，藻類對(duì)Cd2+的攝取量最大，當(dāng)大于1.0 mol/L 時(shí)，攝入Cd2+的量很則少[53]。

通常含重金屬的廢水一般都攜帶多種離子，而多金屬離子的系統(tǒng)綜合效應(yīng)也會(huì)影響藻類的吸附效果，因此探討溶液中混合金屬陽(yáng)離子的影響比單一金屬離子的影響在解決實(shí)際環(huán)境問(wèn)題中顯得更有意義[48]。在多金屬離子系統(tǒng)中，金屬離子會(huì)競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合藻類配體位點(diǎn)，從而影響藻類細(xì)胞對(duì)其他金屬離子的吸收[54]。Aksu等研究了添加Cd2+對(duì)去除Ni2+的影響，與單離子溶液相比，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)藻類對(duì)Ni2+和Cd2+的生物吸附能力會(huì)被同時(shí)抑制[55]。在含有多種重金屬離子的污水中，金屬離子競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合藻類細(xì)胞表面活性位點(diǎn)直接受各離子濃度及其比例的影響，主要體現(xiàn)在金屬離子的電性和離子半徑[54]。如Al3+就可以通過(guò)阻止Cu2+結(jié)合到藻細(xì)胞表面的位點(diǎn)，從而干擾Cu2+的生物吸附[56]。

2.2.2pH值

pH值是環(huán)境因素中影響藻類對(duì)重金屬吸附和去除效果的最主要因素之一。pH值不僅影響重金屬的溶解度和離子狀態(tài)，也影響藻類的耐受能力，特別是影響細(xì)胞表面金屬結(jié)合位點(diǎn)的生物活性[48]。由于藻類細(xì)胞表面吸附重金屬的功能基團(tuán)大部分呈酸性（如羧基），在低pH值環(huán)境中，細(xì)胞表面的功能基團(tuán)被質(zhì)子化，高濃度的H+對(duì)重金屬離子有斥力作用，或者與其競(jìng)爭(zhēng)活性位點(diǎn)，導(dǎo)致重金屬吸附量降低。因此，為使藻類吸附劑有效去除重金屬離子，必須綜合考慮有效功能基團(tuán)數(shù)和自由重金屬離子濃度。此外，很多報(bào)道顯示，一般酸性條件下（pH值為3.0～6.0）比較有利于藻類對(duì)重金屬離子進(jìn)行吸附[57]。吳文娟等的研究結(jié)果顯示，微囊藻吸附Cu2+的最適pH值為5.0，而Cd2+和Ni2+均為6.0[47]。吳海鎖等分析了pH值對(duì)小球藻吸附Cu2+、Zn2+和Cr2+的影響，結(jié)果表明，pH值為3.0～5.0是小球藻對(duì)3種重金屬離子吸附的最適范圍[12]。

2.2.3溫度

與pH值相比，溫度對(duì)藻類吸附重金屬的影響并不明顯。一般來(lái)說(shuō)，高溫通常會(huì)促進(jìn)吸附，因?yàn)楸砻婺茉黾?，溶質(zhì)的動(dòng)能增加，甚至藻體內(nèi)相關(guān)酶的活性也會(huì)增加，均能導(dǎo)致金屬結(jié)合位點(diǎn)的數(shù)量和其親合活性增加[58]。但是，由于一些吸附反應(yīng)會(huì)放出熱量，溫度的升高，在一定程度上會(huì)導(dǎo)致藻類對(duì)重金屬吸附能力的下降。Aksu等研究指出，溫度升高（從20 ℃上升至50 ℃），會(huì)導(dǎo)致藻類對(duì)鎘的生物吸附能力下降（從85.3 mg/g下降至51.2 mg/g）[59]。就室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和自然條件下的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，通常都是在室溫下進(jìn)行，溫度的波動(dòng)對(duì)生物吸附的影響不大。

2.2.4接觸時(shí)間

藻類與重金屬離子的接觸時(shí)間也會(huì)影響吸附效果。由于死藻和活藻存在不同的吸附機(jī)制，因此不同的接觸時(shí)間對(duì)吸附過(guò)程有不同的影響。對(duì)于死藻，重金屬離子被吸附到細(xì)胞膜上后，在最初的幾分鐘會(huì)被迅速吸附到胞內(nèi);而對(duì)于活藻，重金屬離子被吸附到細(xì)胞膜表面后，是經(jīng)緩慢的選擇吸收進(jìn)入胞內(nèi)的[9]。Lamaia等通過(guò)對(duì)Cladophora fracta富集鎘和鉛的研究發(fā)現(xiàn)，在接觸2、4、6、8 d時(shí)間中，吸附重金屬的量隨時(shí)間推移而增加[60]。

2.2.5光照

李英敏等發(fā)現(xiàn)，小球藻在有光照條件下比無(wú)光照條件下去除率顯著增高[61]。江東等發(fā)現(xiàn)，波吉卵囊藻（Oocystis borgei）對(duì)Cu2+、Zn2+的吸附量隨光照度的增大而增加，當(dāng)光照度大于3 000 lx時(shí)吸附量無(wú)顯著變化[62]。相關(guān)研究結(jié)果表明，用藻類去除水中重金屬離子時(shí)因盡量保持充足的光照。但也有研究發(fā)現(xiàn)，缺乏光照時(shí)可增強(qiáng)有些藻類對(duì)于某些重金屬離子的吸附能力。Subramanian等研究發(fā)現(xiàn)，Aphanocapsa pulchra在黑暗中對(duì)Zn的吸附能力比在光照下略強(qiáng)[63]。

2.2.6其他因素

藻類對(duì)金屬離子的生物吸附與其新陳代謝密切相關(guān)，可分為非代謝依賴和代謝依賴2個(gè)階段[64]，前者是快速的，后者是緩慢的。因此，所有可影響藻類代謝的外界因素都可影響藻類對(duì)重金屬的富集。如環(huán)境中硝酸鹽濃度的變化會(huì)影響藻類生長(zhǎng)和生物產(chǎn)量，氮營(yíng)養(yǎng)供給不足，既會(huì)減少生物量，又會(huì)改變?cè)寮?xì)胞代謝產(chǎn)物的積累，如增加脂類的合成，減少了多糖和蛋白質(zhì)的相對(duì)量，從而導(dǎo)致金屬離子生物吸附減少[65]。因此，對(duì)于待處理的含重金屬污水，須綜合分析其物理化學(xué)組成，評(píng)價(jià)它們對(duì)藻類吸附重金屬的影響。

3微藻在重金屬污染環(huán)境修復(fù)中的運(yùn)用

3.1微藻在重金屬污染水體修復(fù)中的研究

由于藻類有很強(qiáng)的富集重金屬能力，運(yùn)用微藻修復(fù)重金屬污染水體在國(guó)際上已得到了廣泛的重視。Utomo等系統(tǒng)驗(yàn)證了藻類的較強(qiáng)生物吸附性能和快速吸附能力，表明藻類是一種潛在的廢水處理方法[66]。Zeraatkar等指出，運(yùn)用提取油脂后的藻渣處理工業(yè)重金屬污染廢水，可降低生物燃料的共同生產(chǎn)成本[67]。這些生產(chǎn)上的聯(lián)合應(yīng)用，對(duì)污染水體的修復(fù)更具有實(shí)際可用性。重金屬污染水體修復(fù)中可采用活藻修復(fù)法和死藻修復(fù)法2種形式。馬駿馳采用活體亞心形四爿藻（Tetraselmis subcordiformis）對(duì)受污染海水中Pb2+、Hg2+、Cr2+、Cd2+等4種重金屬均具有良好修復(fù)效果[68]。聶利華等發(fā)現(xiàn)，水華的藍(lán)藻擬柱胞藻（Cylindrospermopsis raciborskii）能夠快速有效地吸附重金屬、降低重金屬（尤其是Pb2+、Hg2+、Ag+、Cu2+）引起的水環(huán)境污染，從而達(dá)到改善水質(zhì)的功效[69]。孫東紅等研究了魚(yú)腥藻（Anabeana sp.）對(duì)電鍍污染水體中Zn2+的修復(fù)效果，結(jié)果顯示，魚(yú)腥藻濃度為629.2 mg/L時(shí)，水中的Zn2+濃度由3.296 mg/L降至0.748 mg/L，單位吸附量達(dá)4.859 mg/g[70]。而對(duì)于死亡微藻關(guān)于重金屬修復(fù)的研究，大多數(shù)會(huì)采用滅活、粉碎等方法處理藻細(xì)胞后進(jìn)行重金屬吸附。細(xì)胞壁破碎后可使更多的內(nèi)部官能團(tuán)暴露出來(lái)對(duì)重金屬進(jìn)行吸附作用。但回收難、成本高等問(wèn)題限制了藻類在重金屬吸附上的應(yīng)用。采用固定化細(xì)胞吸附技術(shù)能很好地解決回收再利用的問(wèn)題，可以在此類治理中大有可為[71-72]。目前，已有許多關(guān)于藻類固定化處理重金屬的研究報(bào)道。陳家武等將梅尼小環(huán)藻（Cyclotella meneghiniana）固定化處理后對(duì)含Cd2+的廢水進(jìn)行了吸附研究，在pH值為7.0時(shí)，固定藻對(duì)Cd2+的吸附量為4.78 mg/L，去除率可達(dá)96.25%[73]。李翔宇等采用海藻酸鈉-聚乙烯醇聯(lián)合固定鼠尾藻與活性炭的方法對(duì)廢水中重金屬Zn2+進(jìn)行生物吸附研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)固定化材料配比為15 g/L 鼠尾藻粉、2%海藻酸鈉溶液、6%聚乙烯醇溶液、1.5% 活性炭時(shí)，固定化小球?qū)U水中Zn2+的吸附率最大，可達(dá)80%以上[74]。

3.2微藻在重金屬污染土壤中修復(fù)的研究

土壤藻類包括原核的藍(lán)藻（也稱藍(lán)細(xì)菌）和真核的微小藻類，是土壤微生態(tài)群落的重要組成部分，它們?cè)诠痰?、供氧、分泌促進(jìn)植物生長(zhǎng)的物質(zhì)以及促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成等方面發(fā)揮著重要作用，一些藻類還能特異性吸附土壤中的重金屬，達(dá)到修復(fù)土壤中重金屬污染的效果。陳家武等采用盆栽和稻田污染模擬試驗(yàn)，研究了藻類吸附對(duì)稻田土壤中重金屬和稻谷中重金屬殘留的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，1 g普通小球藻靜態(tài)吸附Cd2+、Hg2+、Cr2+的量分別為27.60、17.94、22.52 mg/（g·h）[75];在盆栽試驗(yàn)中，投放普通小球藻、橢圓小球藻和梅尼小環(huán)藻后，稻谷中Hg、Cd、Cr殘留比未投放的分別降低了76.53%、65.71%、53.57%。其中藻修復(fù)后的稻谷Cd殘留量為0.16 mg/kg（未修復(fù)的為0.68 mg/kg）。在利用藻類去除稻田重金屬污染中，為了保持土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)處于良性循環(huán)，能最大限度發(fā)揮藻類去除稻田土壤中重金屬的潛能，需要進(jìn)一步探討土壤-藻類體系中重金屬臨界值（每千克藻達(dá)到最大去除重金屬量的濃度）以及混合重金屬與土壤藻類種群結(jié)構(gòu)的關(guān)系。沈德中等在研究Cu2+、Ni2+、Pb2+、Zn2+等4種重金屬對(duì)水田土壤藻類的綜合效應(yīng)試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在土壤-藻類體系中重金屬臨界值Cu2+為50 mg/kg、Ni為50 mg/kg、Pb為150 mg/kg、Zn為300 mg/kg[76]。混合重金屬的存在改變了土壤藻類的種群結(jié)構(gòu)，對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)有較強(qiáng)的抑制作用，使藍(lán)藻的繁殖減慢，甚至根本不能生長(zhǎng)，對(duì)硅藻生長(zhǎng)的影響則很不同，或起促進(jìn)作用或起抑制作用，視條件而定，混合重金屬還會(huì)使裸藻成為優(yōu)勢(shì)種。此外，也有一些通過(guò)將微藻與動(dòng)物相結(jié)合修復(fù)土壤重金屬的研究，周亞強(qiáng)等將對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的微藻稀釋后噴灑到被Cu2+、Cd2+、Cr3+、Pb2+幾種重金屬污染的土壤中，讓微藻在生長(zhǎng)過(guò)程中大量吸附重金屬離子，其后再通過(guò)養(yǎng)殖蚯蚓攝食藻類，在蚯蚓體內(nèi)富集重金屬，最終通過(guò)收集蚯蚓將重金屬?gòu)耐寥老到y(tǒng)中移除[77]。研究結(jié)果顯示，在重金屬輕度污染的農(nóng)田1和農(nóng)田2中，Cu2+、Cd2+、Cr3+、Pb2+的含量分別下降67.35%、87.90%、52.98%、62.13%，農(nóng)田2分別下降50.95%、82.62%、56.58%、66.79%。而對(duì)于重金屬重度污染的農(nóng)田3，重金屬含量分別下降10.54%、13.63%、30.31%、7.57%，但是由于重金屬濃度過(guò)高，蚯蚓種群非但沒(méi)有增殖，反而日益減少，說(shuō)明上述方法適用于輕度重金屬污染的修復(fù)。研究結(jié)果顯示藻類與蚯蚓有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，可對(duì)土壤中重金屬污染起到良好的去除作用。

4結(jié)論及展望

微藻富集重金屬的內(nèi)在機(jī)制是一個(gè)系統(tǒng)性多因素綜合互作的復(fù)合過(guò)程，涉及藻類本身的生理生化特性、重金屬特性以及環(huán)境特征等眾多因素。目前雖然從多方面已經(jīng)有了很多的研究，但總的來(lái)看，實(shí)驗(yàn)室研究的多，真正可用于實(shí)際應(yīng)用的較少。要徹底系統(tǒng)性厘清微藻富集重金屬的機(jī)制，最終實(shí)現(xiàn)有效微藻資源的應(yīng)用，仍有大量的工作需要去做。

相對(duì)而言，微藻是較為容易進(jìn)行基因改造的生物。運(yùn)用基因操作技術(shù)，進(jìn)而發(fā)掘拓展微藻富集重金屬的能力，是值得努力的方向。Surasak等曾用轉(zhuǎn)基因技術(shù)增強(qiáng)衣藻對(duì)Cd的耐受力和吸附核輻射能力[78]。為進(jìn)一步增強(qiáng)重金屬離子特異性結(jié)合微藻的能力，近年來(lái)對(duì)于轉(zhuǎn)基因微藻對(duì)重金屬吸附性能的研究越來(lái)越多，特別是對(duì)于廢水及沉積物中的重金屬離子的修復(fù)，并且圍繞代謝產(chǎn)物改善重金屬的誘導(dǎo)作用、于轉(zhuǎn)基因細(xì)胞表面和細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)高親和力的重金屬結(jié)合蛋白的一些超表達(dá)酶類做了一些相關(guān)研究[79]。Huang等也將芽孢桿菌（Bacillus megaterium） MB1編碼汞還原酶的基因（MerA）轉(zhuǎn)移到小球藻（Chlorella spp.）DT中，結(jié)果轉(zhuǎn)基因小球藻可將Hg2+轉(zhuǎn)變成揮發(fā)性元素Hg[80]。然而，對(duì)于轉(zhuǎn)基因微藻釋放到環(huán)境中，產(chǎn)生的潛在生態(tài)效應(yīng)，須要謹(jǐn)慎評(píng)價(jià)。

相關(guān)研究更多的著眼于微藻富集重金屬的能力和機(jī)制，但對(duì)實(shí)際運(yùn)用中，包括藻的聚集性、沉淀性、可過(guò)濾性等分離移除環(huán)節(jié)關(guān)注較少。藻類的這些特性與生產(chǎn)成本、生產(chǎn)工藝、以及最終的去除重金屬效果密切相關(guān)。針對(duì)各種實(shí)際運(yùn)用背景，有待通過(guò)大量工作的篩選獲得適用的藻種。

由于微藻多數(shù)生活在水環(huán)境中，所以，大多數(shù)研究著眼于含重金屬污水的研究，對(duì)于農(nóng)田重金屬污染的修復(fù)研究較少。微藻用于農(nóng)田重金屬修復(fù)主要有2種途徑：（1）從土壤中解吸附重金屬，并積累在藻細(xì)胞中，藻細(xì)胞隨著土壤排（滲）水去除;（2）積累重金屬的藻細(xì)胞通過(guò)土壤動(dòng)物（蚯蚓等）進(jìn)一步富集轉(zhuǎn)移，通過(guò)移除土壤動(dòng)物去除重金屬。目前，關(guān)于運(yùn)用藻類修復(fù)土壤的研究還十分有限。農(nóng)田重金屬污染是我國(guó)目前亟待解決的大問(wèn)題，微藻用于農(nóng)田重金屬污染修復(fù)，與物理化學(xué)修復(fù)、高等植物修復(fù)等常見(jiàn)的方法相比，具有多方面的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于復(fù)雜的土壤生態(tài)環(huán)境下如何有效運(yùn)用藻類修復(fù)重金屬污染土壤，有待更多的問(wèn)題去研究。

藻類如何與綜合治理技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)用，是有待進(jìn)一步探索的問(wèn)題。如與漂浮植物修復(fù)技術(shù)結(jié)合、開(kāi)發(fā)修復(fù)重金屬污染的菌藻共生綜合系統(tǒng)[81-82]、修復(fù)環(huán)境重金屬后藻渣的再利用等技術(shù)，都是有待探索的問(wèn)題。相關(guān)報(bào)道，對(duì)于將制備微藻生物燃料后的藻渣用于處理廢水可大大降低修復(fù)環(huán)境的成本[83]，將廢水處理和藻類培養(yǎng)混合起來(lái)可以降低單位能耗的20%～25%，基本消除了提供營(yíng)養(yǎng)和補(bǔ)充淡水的費(fèi)用[84]。這些結(jié)果為藻類在環(huán)境修復(fù)中的實(shí)際運(yùn)用，提供了更廣闊的研究思路。

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