有機酸對蛋白核小球藻生物富集Pb的影響及其機理.pdf

1、水環(huán)境中的重金屬由于持久性和易生物富集，即便是痕量的存在，它們的濃度也可以積累增長至毒性水平，嚴重威脅生物體和人體健康。水環(huán)境中的另一個組分，溶解性有機質(DOM)，包含多種官能團，可以與水中多種金屬離子結合。因此在天然水體中，尤其是富營養(yǎng)化的水體，金屬離子多以Metal-DOM的絡合形態(tài)存在，從而改變和控制著重金屬的生物有效性和毒性。然而DOM的結構復雜，種類繁多，其對水體中重金屬的生物地球化學行為的影響隨DOM分子特性不同而變化。因

2、此，將DOM進行化學結構上的分類，再評價其對水體中重金屬的生態(tài)風險具有更科學和實際的指導意義。
　　本課題旨在研究低分子量DOM對Pb生物有效性和富集情況的影響，選取了兩種親水的、小分子量的有機酸——蘋果酸和檸檬酸為代表，以活體單細胞微藻蛋白核小球藻為生物吸附劑，從吸附動力學、吸附等溫線、影響因素等方面開展了系統的研究。主要研究結果如下:
　　一、兩種有機酸的存在下活體蛋白核小球藻對Pb的吸附動力學。結果表明:(1)Pb-D

3、OM-藻的三元體系較Pb-藻的二元體系，達到吸附平衡需要的時間更長，反應過程更為復雜;前者的吸附動力學方程符合擬二級動力學方程，說明吸附過程是化學吸附。(2)相比于蘋果酸，等摩爾濃度的檸檬酸存在下，藻對Pb的吸附速率更慢，平衡吸附量更大;兩種酸存在下，平衡吸附量與體系中羧基的濃度呈正相關關系，即隨著羧基濃度的增加而增加。該結果證明，DOM中羧基的數量會影響小球藻富集Pb過程的吸附速率和最終的平衡吸附量，羧基數量越多，吸附速率越慢、平衡吸

4、附量越大。
　　二、設計6天長期富集實驗對比研究了有機酸存在和不存在的條件下，活體蛋白核小球藻對Pb的吸附等溫線，考察耐受性和富集量，結果表明:(1)沒有有機酸存在時，Pb濃度的上升并未對小球藻的生長產生明顯的抑制作用，而添加有機酸后，出現了不同程度的生長抑制現象，有機酸濃度為0.104mmol/L時的抑制作用比0.052mmol/L時更強，相同摩爾濃度的檸檬酸比蘋果酸抑制作用更強。(2)小球藻富集Pb的過程可以用Langmuir

5、吸附等溫模型描述，在最高Pb2+濃度為0.0772mmol/L，最高有機酸濃度為0.104mmol/L的范圍內，各實驗組都在6天內達到了吸附平衡。綜上，有機酸存在增加了藻對Pb的最大富集量，隨有機酸濃度的增加藻對Pb的生物富集量增加，羧基濃度—最大富集量關系曲線表明，隨羧基摩爾濃度增加最大富集量亦增加，兩者呈線性相關。
　　三、利用0.01mol/L的EDTA洗脫實驗區(qū)分小球藻上的吸附Pb和內在化Pb。實驗表明，有機酸存在明顯增加

6、了藻上吸附態(tài)Pb，且增加有機酸濃度最大吸附量也增加;相同摩爾濃度下，檸檬酸比蘋果酸促進吸附的作用更明顯。同時，有機酸對藻上內在化Pb和生物有效性的影響也都符合上述規(guī)律，即增加有機酸濃度和增加溶液單位體積內有機酸的羧基數量均可增加藻細胞內在化Pb的量，提高Pb的生物有效性。該實驗結果可以用三元配合物模型來解釋，有機酸與Pb的絡合基團繼續(xù)與小球藻細胞膜發(fā)生了反應，生成三元配合物Pb-有機酸-藻，三元配合物生成后連接細胞和Pb的有機酸分子起到

7、了橋梁作用，增加了細胞膜表面的可結合位點也向細胞內傳遞了更多的Pb。而我們的實驗結果:藻對Pb的生物吸附量與有機酸濃度以及單位質量的有機酸的羧基數量的相關性，進一步暗示著化學計量關系的存在，驗證了三元配合物的存在。另外，有機酸的添加還提升了內在化Pb在總富集Pb中的比例。
　　四、鑒于BG11培養(yǎng)基中K2HPO4組分與溶液中Pb可能產生沉淀干擾小球藻生物富集的研究，對K2HPO4濃度進行了考察，結果表明:(1)K2HPO4組分對促

8、進小球藻的正常生長起著重要作用，相比于BG11培養(yǎng)基中的40mg/L，當K2HPO4濃度降為20mg/L時小球藻仍能達到跟原培養(yǎng)基環(huán)境中相同的生長水平，但會引起Pb的沉淀;當濃度為4mg/L時，在實驗最高Pb濃度下不會生成明顯的沉淀干擾，所以本研究中為期6天的富集實驗中選擇的K2HPO4濃度為4mg/L，可以排除沉淀的干擾(2)由于活體蛋白核小球藻具有吸附沉淀的特性，因此磷酸對其富集Pb行為的影響較復雜，在K2HPO4為0～40mg/L

9、的濃度范圍內，當HPO42-濃度足夠與Pb2+生成沉淀時，可以增加吸附沉淀富集量，同時由于沉淀作用降低了溶液中游離態(tài)Pb2+濃度，又會降低內在化吸收量，但前者效應強于后者，最終表現為增加了小球藻上Pb的生物富集量。
　　有機酸能增加活性小球藻對Pb的生物富集量，在一定的濃度范圍內形成了Pb-有機酸-藻的三元配合物，生物富集量的增加與有機酸質量濃度，有機酸中羧基的摩爾濃度有關。該研究結果有助于完善目前的重金屬生態(tài)風險評估模型，并為水