有機(jī)酸對(duì)蛋白核小球藻生物富集Pb的影響及其機(jī)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(zhǎng)至毒性水平，嚴(yán)重威脅生物體和人體健康。水環(huán)境中的另一個(gè)組分，溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)，包含多種官能團(tuán)，可以與水中多種金屬離子結(jié)合。因此在天然水體中，尤其是富營(yíng)養(yǎng)化的水體，金屬離子多以Metal-DOM的絡(luò)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類繁多，其對(duì)水體中重金屬的生物地球化學(xué)行為的影響隨DOM分子特性不同而變化。因

2、此，將DOM進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)上的分類，再評(píng)價(jià)其對(duì)水體中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有更科學(xué)和實(shí)際的指導(dǎo)意義。
　　本課題旨在研究低分子量DOM對(duì)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(jī)酸——蘋果酸和檸檬酸為代表，以活體單細(xì)胞微藻蛋白核小球藻為生物吸附劑，從吸附動(dòng)力學(xué)、吸附等溫線、影響因素等方面開展了系統(tǒng)的研究。主要研究結(jié)果如下:
　　一、兩種有機(jī)酸的存在下活體蛋白核小球藻對(duì)Pb的吸附動(dòng)力學(xué)。結(jié)果表明:(1)Pb-D

3、OM-藻的三元體系較Pb-藻的二元體系，達(dá)到吸附平衡需要的時(shí)間更長(zhǎng)，反應(yīng)過程更為復(fù)雜;前者的吸附動(dòng)力學(xué)方程符合擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，說明吸附過程是化學(xué)吸附。(2)相比于蘋果酸，等摩爾濃度的檸檬酸存在下，藻對(duì)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(guān)關(guān)系，即隨著羧基濃度的增加而增加。該結(jié)果證明，DOM中羧基的數(shù)量會(huì)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(shù)量越多，吸附速率越慢、平衡吸

4、附量越大。
　　二、設(shè)計(jì)6天長(zhǎng)期富集實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了有機(jī)酸存在和不存在的條件下，活體蛋白核小球藻對(duì)Pb的吸附等溫線，考察耐受性和富集量，結(jié)果表明:(1)沒有有機(jī)酸存在時(shí)，Pb濃度的上升并未對(duì)小球藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生明顯的抑制作用，而添加有機(jī)酸后，出現(xiàn)了不同程度的生長(zhǎng)抑制現(xiàn)象，有機(jī)酸濃度為0.104mmol/L時(shí)的抑制作用比0.052mmol/L時(shí)更強(qiáng)，相同摩爾濃度的檸檬酸比蘋果酸抑制作用更強(qiáng)。(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(jī)酸濃度為0.104mmol/L的范圍內(nèi)，各實(shí)驗(yàn)組都在6天內(nèi)達(dá)到了吸附平衡。綜上，有機(jī)酸存在增加了藻對(duì)Pb的最大富集量，隨有機(jī)酸濃度的增加藻對(duì)Pb的生物富集量增加，羧基濃度—最大富集量關(guān)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(guān)。
　　三、利用0.01mol/L的EDTA洗脫實(shí)驗(yàn)區(qū)分小球藻上的吸附Pb和內(nèi)在化Pb。實(shí)驗(yàn)表明，有機(jī)酸存在明顯增加

6、了藻上吸附態(tài)Pb，且增加有機(jī)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(jìn)吸附的作用更明顯。同時(shí)，有機(jī)酸對(duì)藻上內(nèi)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(jī)酸濃度和增加溶液?jiǎn)挝惑w積內(nèi)有機(jī)酸的羧基數(shù)量均可增加藻細(xì)胞內(nèi)在化Pb的量，提高Pb的生物有效性。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以用三元配合物模型來解釋，有機(jī)酸與Pb的絡(luò)合基團(tuán)繼續(xù)與小球藻細(xì)胞膜發(fā)生了反應(yīng)，生成三元配合物Pb-有機(jī)酸-藻，三元配合物生成后連接細(xì)胞和Pb的有機(jī)酸分子起到

7、了橋梁作用，增加了細(xì)胞膜表面的可結(jié)合位點(diǎn)也向細(xì)胞內(nèi)傳遞了更多的Pb。而我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:藻對(duì)Pb的生物吸附量與有機(jī)酸濃度以及單位質(zhì)量的有機(jī)酸的羧基數(shù)量的相關(guān)性，進(jìn)一步暗示著化學(xué)計(jì)量關(guān)系的存在，驗(yàn)證了三元配合物的存在。另外，有機(jī)酸的添加還提升了內(nèi)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(chǎn)生沉淀干擾小球藻生物富集的研究，對(duì)K2HPO4濃度進(jìn)行了考察，結(jié)果表明:(1)K2HPO4組分對(duì)促

8、進(jìn)小球藻的正常生長(zhǎng)起著重要作用，相比于BG11培養(yǎng)基中的40mg/L，當(dāng)K2HPO4濃度降為20mg/L時(shí)小球藻仍能達(dá)到跟原培養(yǎng)基環(huán)境中相同的生長(zhǎng)水平，但會(huì)引起Pb的沉淀;當(dāng)濃度為4mg/L時(shí)，在實(shí)驗(yàn)最高Pb濃度下不會(huì)生成明顯的沉淀干擾，所以本研究中為期6天的富集實(shí)驗(yàn)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(duì)其富集Pb行為的影響較復(fù)雜，在K2HPO4為0～40mg/L

9、的濃度范圍內(nèi)，當(dāng)HPO42-濃度足夠與Pb2+生成沉淀時(shí)，可以增加吸附沉淀富集量，同時(shí)由于沉淀作用降低了溶液中游離態(tài)Pb2+濃度，又會(huì)降低內(nèi)在化吸收量，但前者效應(yīng)強(qiáng)于后者，最終表現(xiàn)為增加了小球藻上Pb的生物富集量。
　　有機(jī)酸能增加活性小球藻對(duì)Pb的生物富集量，在一定的濃度范圍內(nèi)形成了Pb-有機(jī)酸-藻的三元配合物，生物富集量的增加與有機(jī)酸質(zhì)量濃度，有機(jī)酸中羧基的摩爾濃度有關(guān)。該研究結(jié)果有助于完善目前的重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并為水