秦昌旭，徐麗梅

（山東農(nóng)業(yè)大學，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，只能通過長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源，其產(chǎn)生的大量重金屬污染物，對水環(huán)境造成污染。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，渤海錦州灣底泥中汞、鎘、鉛、鋅等超標150倍以上[1]，已經(jīng)嚴重污染了當?shù)厮h(huán)境，導致水產(chǎn)品重金屬嚴重超標。水環(huán)境中重金屬污染會影響植物的生長發(fā)育，重金屬會在植物體內(nèi)積累，進入人體，最終對人類造成傷害[2]。辛琦[3]研究表明，納米銀使暴露的斑馬魚胚胎表現(xiàn)出孵化率降低、體節(jié)消失等癥狀，可通過影響基因的表達影響生物體。

水生生態(tài)系統(tǒng)由多種生物組成，是一個復雜的系統(tǒng)，不僅魚類會受到影響，隨著生物積累，重金屬也可以通過食物鏈傳播，進而對人類等產(chǎn)生影響。Gliga等[4]發(fā)現(xiàn)肺組織細胞脫氧核糖核酸（DNA）經(jīng)納米銀作用24 h后受到了嚴重的損毀，沒有檢測到活性氧的產(chǎn)生。段昌群等[5]發(fā)現(xiàn)，鎘（Cd）可進入細胞核與核酸結(jié)合，促進細胞核內(nèi)DNA物質(zhì)的結(jié)合，導致染色體畸變和分裂，最終誘導細胞死亡。

當前對重金屬的修復包括物理修復、化學修復和生物修復。物理修復工程量大、投資量高；化學修復可能對環(huán)境造成影響；而藻類生物修復具有投入低、利用率高、環(huán)境友好等特點，能有效降低重金屬的毒害，對重金屬修復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 藻類對重金屬的生態(tài)修復及影響因素

1.1 藻類對重金屬的吸附

不同藻類對重金屬的吸附能力見表1。由表1可見，不同藻類對金屬的吸附作用不盡相同。對Cd的吸附中，馬尾藻與死馬尾藻比較出色，酸處理馬尾藻對鎳（Ni）的吸附效果很好；石莼在對銅（Cu）的吸收上，比化學處理江蘺好一些。對藻類的預處理的確可以增加其吸附作用，如化學處理江蘺對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吸附Ni效果好很多。

1.2 藻類特性對重金屬吸附的影響

（1）比表面積的影響。研究證明[14]，不同藻類粒徑對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%，藻類粒徑越小，比表面積就越大，單位面積暴露的官能團就越多，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，這是因為活藻的代謝需要依靠能量、營養(yǎng)物質(zhì)，吸附較緩慢，并且水中有毒物質(zhì)對活藻影響更大，會出現(xiàn)延緩生長等問題，而利用死亡藻體能夠有效解決這些問題。此外，藻細胞死亡后細胞壁無法維持原來結(jié)構(gòu)，因而破裂將部分基團展露了出來，加上死藻的細胞膜失去了控制物質(zhì)進出的能力，結(jié)合就更加方便。如在活體與非活體吸附Cu（II）對比試驗中發(fā)現(xiàn)，二者總吸附量相同的情況下，非活體藻類對Cu（II）的吸附速率要大于活體細胞[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]通過對海黍子（Sargassumkjellmanianum）單獨吸附金屬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。這是因為除了基本的吸附功能，活體藻還能通過產(chǎn)生胞外聚合物等方式來對重金屬進行富集。

1.3 環(huán)境因素的影響

（1）pH值。一般吸附率不會隨著pH值單純地上升或降低。如溶液顯酸性時，pH值升高會先導致吸附率升高，但到達一定程度后則會保持穩(wěn)定或者下降。

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

（2）溫度。隨著溫度變化，不同藻類吸附重金屬的能力受到影響。當溫度升高時，藻類對離子吸附率有時呈現(xiàn)先小范圍上升，后下降的趨勢；有時則會在固定的溫度下保持平衡。一般來說，高溫能促使表面能與溶質(zhì)的動能增加，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[22]。

室溫條件對生物吸附造成的影響不會很大。范彩彩[23]發(fā)現(xiàn)，尾藻對鉛離子（Pb2+）的吸附率與環(huán)境溫度有一定的關(guān)系，10℃時，吸附率維持在38%；而30℃時則達到了最大值63%；當溫度繼續(xù)增長時，則吸附率逐漸下降，溫度為45℃時，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）吸附時間。藻類對重金屬離子吸附時，首先發(fā)生物理吸附，之后產(chǎn)生藻細胞代謝，物理吸附的速度更快；代謝過程受能量和阻斷代謝過程的物質(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Cu2+的吸附前期效率非常高，在4 h時就已經(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，達到平衡時的99.7%。

（4）陰陽離子。溶液中存在共存離子，這些離子會使藻細胞吸附效果下降，陰陽離子的研究對藻細胞吸附十分重要。陳喜[20]研究得出，磷酸氫根離子（HPO42-）會減弱AgNPs的溶解，削弱萊茵衣藻對Ag的胞外吸附和胞內(nèi)吸收作用，從而減弱AgNPs對萊茵衣藻的毒性。Kratochvil等[27]發(fā)現(xiàn)溶液中Fe2+的增加會導致馬尾藻對Cu2+吸附量的減少，這說明溶液中陰陽離子會互相影響，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，當金屬離子濃度不斷升高時，吸附率存在先升后降的總體趨勢。在金屬離子初始濃度較低時，能夠與藻類充分接觸，結(jié)合效率更高。李靖[18]發(fā)現(xiàn)，當溶液中Cu2+、Cd2+和Pb2+值升高到200 mg/L時，海帶、馬尾藻和螺旋藻對Cu2+的吸附率先急速上升，再緩慢下降；對Cd2+的吸附先急劇上升，后緩慢上升，在150 mg/L時Cd2+達到峰值；對Pb2+的吸附率一直在增長，在200 mg/L時達到頂峰，吸附情況各不相同。Aksu等[28]認為，當金屬離子較少時，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，金屬離子之間有競爭作用，反而會降低吸附率。陶梅平[29]研究表明，隨著金屬濃度增加，藻類對鋅離子（Zn2+）、Cu2+、Cr（VI）去除率的變化趨勢互不相同。以上研究表明不同金屬離子之間可能是促進作用，也可能是相互抑制。

1.4 預處理因素

（1）物理加工。采用干燥和粉碎來進行物理加工，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)過烘干、碾碎、過篩的步驟篩選出符合粒徑要求的藻渣，并在溶液中測試其吸附效果，發(fā)現(xiàn)其對Cr（VI）的吸收效果最好。

（2）化學處理。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，在實際操作中十分不便?；瘜W改性可以把藻類原本攜帶的一些金屬離子去除，從而為其他金屬與藻類結(jié)合提供機會，為吸附提供位點，同時還保持藻類原有的一些優(yōu)質(zhì)特性。但改性仍有可能對藻類的結(jié)構(gòu)造成一定破壞，比如會使具有吸附作用的基團被封閉，隔斷了與金屬相結(jié)合的機會，使許多藻類的吸附能力下降等。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70%。Yang等[32]把馬尾藻預處理后，處理含鈾鈦離子（UO+）的廢水，藻類對鈾鈦離子的去除率在15 min內(nèi)達到70%~80%。劉紅濤等[33]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)化學誘變的銅綠微囊藻對Cu2+的去除率由34.29%上升到80.77%。表明化學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）藻類的固定化。藻類的固定化對其各方面性能提升有很大幫助，能夠增強吸附效率，幫助多次回收利用。固定化后，藻細胞將對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，吸附效率會得到有效提升。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]利用固定化藻類吸附廢水中的重金屬，吸附效果都十分好。

2 藻類植物吸附重金屬的內(nèi)在機制

2.1 結(jié)構(gòu)基礎

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

這些官能團能通過得失電子或形成配位鍵等形式與金屬結(jié)合，對不同的金屬效果也不盡相同。Tadlv等[38]發(fā)現(xiàn)，細胞藻酸鹽的含量對馬尾藻（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)量的細胞外壁多糖，則其對Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+4種金屬離子的吸附量變?yōu)?倍，說明多糖在吸附這些離子時發(fā)揮主要作用。有研究表明[40]，多糖提供的羧基占據(jù)藻細胞表面70%左右的位點，對藻類修復具有重要的作用。

藻類能夠分泌胞外聚合物（EPS），并通過EPS與重金屬絡合的方式來降低重金屬毒性。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性關(guān)系。鄭昊[42]通過對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（羧基、氨基以及巰基等），說明產(chǎn)生的胞外聚合物能夠保護藻類。Zhou等[43]分析了Rhodopseudomonas acidophila的EPS組成，發(fā)現(xiàn)其羧酸基團（C==O）、脂肪酸以及氨基酸等與重金屬發(fā)生絡合作用。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等基團參與鋁離子（Al3+）的配位作用。

2.2 藻類生物修復機理

（1）離子交換。溶液中的金屬離子能夠置換出藻細胞中的質(zhì)子，或者通過靜電引力與配位作用，將表面的金屬離子部分吸收到細胞表面，即離子交換作用。Chojnacka等[46]對螺旋藻研究發(fā)現(xiàn)，化學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+的過程中，細胞壁中鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）濃度大量降低，表明Ni2+交換了細胞壁的Ca2+、Mg2+。江用彬[17]發(fā)現(xiàn)在萊茵衣藻吸附的過程中物理吸附量不超過吸附總量的5.5%。

（2）絡合作用。藻細胞分子或者離子與金屬離子形成穩(wěn)定絡合物的過程叫絡合反應。具體由陽離子和細胞中的多糖、脂類與蛋白質(zhì)中帶負電的官能團絡合而形成，藻類細胞壁具有較大的表面積，以供這些官能團合理排列，與金屬離子起絡合或螯合反應。趙玲[48]研究海洋原甲藻得出，該藻死體和活體對Cu2+、Pb2+、Ni2+、Zn2+、Ag+、Cd2+的吸附能力相似，在30 min內(nèi)就能達到平衡。多糖與金屬離子的結(jié)合作用主要依賴多糖的-OH和-CONH2，這說明該過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)生了絡合作用。Yun等[50]發(fā)現(xiàn)，在馬尾藻中羧基和磷酸基團對Cd2+的吸附起主要作用。進一步分析發(fā)現(xiàn)金屬離子極有可能與羧基上的氧原子絡合[51]。文獻［52］通過實驗證明藻類與金屬生成絡合物，并且吸附中起主要作用的是羰基。

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

2.3 生物富集作用

長時間處在重金屬環(huán)境下，藻類會發(fā)生新陳代謝。而新陳代謝過程會受到能量驅(qū)動的影響，一些阻止代謝的物質(zhì)也會對其產(chǎn)生影響。這是一個比較緩慢的過程，金屬離子會被細胞主動運輸，或是通過過濾進入細胞膜內(nèi)部。

由于長期受到重金屬環(huán)境影響，藻類細胞有能力合成金屬結(jié)合蛋白，進而起到減毒作用，有效防止重金屬污染。藻類產(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。

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

3 建議

第一，將研究側(cè)重于微觀結(jié)構(gòu)與機理分析。如利用當前技術(shù)（如電鏡）在現(xiàn)有基礎上進一步研究分析，深入探究藻類對重金屬生物修復的主要機制。

第二，側(cè)重于提出更合理的吸附性模型。當前的研究常用的生物修復模型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模型，還需要不斷努力。

第三，通過人工措施改善藻類的吸附性能。如通過解吸附、人工誘導等措施，提高藻類的吸附效率，增強吸附能力。