微藻富集重金属的机制及在环境修复中的应用综述

摘要：消除环境中的重金属污染是亟待解决的课题。微藻具有很高的富集重金属的能力，它们具有繁殖快、易培养、可选择种类多等特点，具有广阔的应用前景，引起了科研工作者的广泛关注。系统梳理目前国内外有关微藻富集重金属的机制的研究进展，概述影响微藻富集重金属的生物因素（包括藻种生活状态、种类、耐受能力、大小、生物量浓度）和非生物因素（包括金属离子浓度和形态、pH值、温度、接触时间、光照等），介绍了微藻在重金属污染环境修复中的运用（包括修复污染水体、稻田以及土壤）。

关键词：重金属;微藻;机制;影响因素;污染修复

中图分类号： X173;X171.4文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）21-0088-07

收稿日期：2018-07-20

基金项目：国家自然科学基金（编号：31370217）;江苏省高校优势学科建设工程（编号：PAPD）。

作者简介：杨荧（1993—），女，江苏连云港人，硕士，主要从事藻类生理学的研究。E-mail：yangying_regina@sina.com。

通信作者：李建宏，博士，教授，主要从事藻类生理生态研究。E-mail：lijianhong@njnu.edu.cn。

重金属在自然环境中的污染问题日趋凸显，给生态环境和人类健康造成极大危害。环境中最受关注的重金属主要是汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、砷（As）、铬（Cr）等元素[1]，这些元素的蓄积，可引发癌症、神经肌肉控制缺陷、智力缺陷、肾功能障碍等疾病[2]，威胁人类健康。如何消除环境中的重金属一直是人们广泛关注的问题。自20世纪50年代提出利用微藻处理污水的想法以来，国内外针对进一步发挥藻类净化污水的潜力进行了大量的研究，在藻类进化污水的机制研究方面取得了很大进展，尤其在藻类处理含重金属污水方面，取得了很多的成果。同时，在污染环境修复方面，研究人员不但尝试应用微藻修复重金属污染水体，也尝试了将微藻应用于水稻田以及重金属污染土壤进行原位修复。

本文就微藻富集重金属的特点、微藻富集重金属的机制、影响微藻对重金属吸附效果的因素以及微藻在污染修复中的应用进行概述，以期为相关领域的研究和应用提供借鉴。

1微藻吸附重金属的机制

工业污水是重要的重金属污染来源，通常采用化学沉淀、电解、离子交换、反渗透以及活性炭吸附等方法从中除去重金属[3]，但这些方法均存在一定的局限性，特别是在重金属浓度较低的情形下，一般都存在效率较低、能耗较高、成本昂贵、处理过程容易產生二次污染等问题。相对而言，利用微生物吸附重金属，处理过程简单、效率高、成本低廉，已成为科研人员探索研究的热点。常见的微生物吸附材料主要包括细菌、真菌和藻类，由于藻类植物属光合自养型生物，具有生长及代谢速度快、培养容易、吸附作用强、净化效率高等优势，更具有广阔的应用前景。利用微藻吸附重金属具有明显优势：（1）藻种种类多、来源广，廉价易得，适应性强，应用范围广;（2）人为选择性强，可根据污水类型、重金属类型、以及重金属浓度的不同，选择特异性藻种;（3）吸附效率高、富集容量大，处理过程能耗低、不产生二次污染;（4）富集产物易回收，有利于资源循环利用，符合可持续发展理念。微藻富集重金属的优势与其吸附重金属的机制密切相关。

关于藻类吸附重金属的机制，已有了大量的研究报道。一般认为，在宏观吸附过程中，活藻体吸附分为2个阶段：第1阶段是物理吸附，速度较快，与代谢无关，金属离子可能通过配位、离子交换[4]、表面络合[5]、氧化还原[6]、微沉淀[7]以及物理吸附等作用中的1种或几种附着在细胞表面;在这一过程中，金属和生物基质的作用较快，典型的吸附过程数分钟或数小时内就可完成。Kanchana等对藻类的生物吸附动力学行为的研究表明，初始吸附期快，平衡期较晚，平衡时间为10～60 min不等，蓝绿藻对金属的吸附平衡时间为5～10 min[8]。Vogel等研究了死亡的微藻（Chlorella vulgaris）对铀的吸附作用，结果表明，超过90%的溶解铀在前5 min被吸附[9]。Klimmek等用鞘颤藻吸附Pb2+和Cd2+，在前5 min内对Pb2+和Cd2+的吸附量就达到饱和吸附量的90%，在30 min 后达到吸附平衡[10]。赵玲等研究了海洋赤潮生物原甲藻及其藻壁多糖对重金属离子的吸附作用，结果表明，吸附可在30 min内完成[11]。第2阶段的吸收是一个能量驱动的新陈代谢过程，受到能量（如糖分）和阻止新陈代谢过程的物质的影响，速度较慢。该阶段是一个生物富集的过程，与细胞代谢直接相关，胞外的金属离子被运至胞内，并储存起来。吴海锁等用小球藻吸附Cu2+，4 h后的吸附量达到48 h 后的81%，可见后期富集重金属的效率较低[12]。以下将从微藻细胞的结构组分及代谢基础方面具体阐述其对重金属吸附的影响。

1.1微藻细胞细胞壁在重金属吸附中的作用

微藻暴露在重金属溶液中时，首先与金属离子接触的是细胞壁，因此微藻细胞壁结构组分不仅对重金属吸附能力有着重要的影响，甚至决定藻类与特定金属离子的互作特性。藻类细胞壁通常是由纤维素、果胶质、藻酸铵岩藻多糖和聚半乳糖硫酸酯等多层微纤维组成的多孔结构，具有较大的表面积;细胞壁上的多糖、蛋白质、磷脂等多聚复合体给藻类提供了大量可以与金属离子结合的官能团（如氨基、硫基、巯基、羧基、羰基、咪唑基、磷酸根、硫酸根、酚、羟基、醛基和酰氨基等）[13]，这些官能团在特定pH值条件下水解释放出阳离子和质子，使得细胞壁带负电荷，从而对污水中的金属阳离子有很高的亲和力[14]。李建宏等在对极大螺旋藻（Spirulina maxima）富集重金属的机制研究中，比较了藻体与细胞外壁多糖对Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+的吸附量后发现，多糖的吸附量是藻体的8倍左右，推测该藻细胞对4种离子的吸附主要是多糖起主导作用[15]。赵玲等通过对海洋原甲藻（Prarocentrum micans）吸附重金属离子的研究发现，从原甲藻中分离出来的多糖对金属的吸附量是藻体对金属吸附量的5倍，认为多糖对金属离子的吸附起主要作用[11]。此外，Davis等都在各自研究的藻类上得出细胞壁多糖是主导重金属吸附的结论[16-18]。Gardea-Torresdey等通过对5种不同藻类的研究发现，当把细胞壁中的羧基脂化后，它们对Cu2+和Al3+的吸附能力显著下降[13]。Chojnacka等用化学方法对螺旋藻细胞表面的主要官能团进行修饰后发现，该藻失去了对重金属的吸附能力[19]。这些试验也验证了细胞表面多糖在重金属吸附中所起的作用。微藻细胞壁功能基团对重金属吸附具有极其重要的作用，但仅仅靠功能基团还不能保证重金属的有效吸附，环境条件（如pH值、离子强度、竞争性阳离子等）的改变、空间位阻、构象变化或者共价交联，都可能阻碍重金属离子的表面吸附[20]。

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