魏群, 毛瑞, 马湘蒙, 甘钰华, 苏苑

(广西大学 资源环境与材料学院,广西 南宁 530004)

近年来,我国镉污染事件时有发生,如2005年广东韶关北江镉污染事件[1]、2012年广西龙江镉污染事件[2]和2013年广西贺江镉铊污染事件[3]。镉具有毒害性和潜在危害性,且难以通过生态系统的自净能力降解或消除；同时,镉具有富集效应,即使含量很低,也能在藻类和沉积物中积累[4]。镉在水体中的存在不仅给水生生物带来了极大的危害,还通过食物链对人类健康造成危害[5]。由此带来的水污染问题促进了镉去除技术的研发与应用。常规去除重金属离子的方法有化学沉淀法、电化学法、吸附法、离子交换法、膜分离法等[6]。化学沉淀法和电化学法经济成本高且不易处理低浓度含镉废水[7]。吸附法吸附材料昂贵且回收利用率低[8]。离子交换法可处理浓度范围广,但离子交换树脂存在强度低、不耐高温、吸附率低等缺点。膜分离法存在对技术设备要求高、膜易受污染堵塞等缺点[9]。藻类具有光合速率高、繁殖速度快、环境适应能力强等特点,能够快速、有效地去除镉,且成本低、易获得、可二次利用的特点[10-12]。藻类生物膜技术能够解决藻水难分离的问题[13]。并且,藻类生物膜具有生物量大、去除重金属效果好的特点[14]。因此,藻类生物膜治理镉污染的生物技术已成为研究热点。

镉去除效果与藻类生长状况息息相关,而光照条件对藻类生长具有至关重要的作用。有关光照对藻类生长影响的研究,主要集中在光照强度和光照周期两个参数上,而对光质参数的研究鲜有报道[15],因此,研究光质对藻类生长及镉去除效果的影响是很有必要的。波长为400～700 nm的光能够被植物吸收,促进光合作用,该波段的光辐射称为光合有效辐射[16]。在光合有效辐射范围内,红光区和蓝光区各有一个吸收峰。已有的文献大多是关于红、蓝单色光或红蓝复合光对藻类生长的影响研究,关于多谱光质的研究较少。如吴霞等[17]研究了雨生红球藻在红光、黄光、蓝光和绿光这4种不同光质条件下的生长情况,发现在红光培养下雨生红球的藻生物量最高。毛瑞鑫等[18]探究了红光和蓝光不同配比对钝顶螺旋藻生长及光合放氧的影响,得出红蓝光的光强比为8∶2时更利于钝顶螺旋藻生长;后续又探究了不同光质对海冰微藻生长的影响,发现白光与蓝光、绿光组合,会使得相应光谱变宽,藻类胡萝卜素和叶绿素的比例增加[19]。由此可见,光质对藻类生长的影响具有复杂性。在前期试验中发现蛋白核小球藻对镉的耐受性最好,本试验利用含全光谱的LED白光与单色红、蓝光组合成不同光质,在不同光质下培养蛋白核小球藻膜,研究其生长情况以及去除重金属镉的效果,为进一步探索光质在藻类治理重金属废水领域的应用提供一定的理论基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

以蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)作为试验藻种,购自中国科学院武汉水生生物所；以BG11培养基[20]为试验培养基；选择弹性聚氯乙烯材料作为藻类附着载体；选取红光LED灯(LED-R)、蓝光 LED灯(LED-B)、白光LED灯(LED-W)作为人工光源。光质组合、光强及功率见表1。

表1 光源光质的组合

1.2 试验设计

1.2.1 藻类生物膜的制备

将载体浸泡于体积分数为10%的硫酸中24 h,取出洗净烘干后,放置于容量为1 L的烧杯中,加入900 mL培养基,高温灭菌后无菌加入90 mL的藻液,初始藻质量浓度为0.027 g/L。在25 ℃条件下,分别采用表1中的光质组合进行持续光照,挂膜3 d后得到的蛋白核小球藻膜如图1所示。

图1 蛋白核小球藻膜

1.2.2 光质对蛋白核小球藻膜生长及镉去除效果试验

称取一定量的氯化镉溶于纯水中,配制成质量浓度为1 g/L的镉储备液。取10 mL储备液加入到含990 mL去离子水的试验烧杯中,配制成质量浓度为10 mg/L的镉试验废水。在上述相同培养条件下进行培养,同时定期取样,测定或计算藻膜生物量，蛋白质、叶绿素a,类胡萝卜素和镉的质量浓度以及镉去除率。每种光质试验组设7个烧杯,每天取其中一个烧杯中的藻膜进行相关检测。

1.3 指标检测方法

1)藻膜生物量[21]。将烧杯中的藻膜取出,用去离子水反复冲洗藻膜至另一个烧杯,定容至1 L后搅匀。取5 mL藻液放入离心机中以转速4 500 r/min离心10 min。弃上清液,收集藻体于干燥皿中,置于105 ℃电热鼓风干燥箱中烘干至恒重,记录藻体干重。根据干重法测定结果计算蛋白核小球藻的生物量,单位为g/L。

2)蛋白质质量浓度[22]。取5 mL藻液,先超声波破碎5 min,再离心10 min(转速4 500 r/min)。取2 mL提取液于容量为10 mL的离心管中,以2 mL蒸馏水作为空白样,然后分别加入考马斯亮蓝(G250)试剂5 mL,混合静置2 min,以空白样为参比,用UV-8000型紫外分光光度计在595 nm波长下测定其吸光度,并根据标准曲线计算蛋白质含量,单位为mg/L。

3)叶绿素a质量浓度[23]。取5 mL藻液,离心10 min(转速4 500 r/min),弃上清液,用5 mL丙酮重悬。重悬液超声波破碎5 min后再离心,取上清液,分别在666 nm和653 nm波长下检测其吸光度。最后按式(1)计算叶绿素a(Chl-a)的质量浓度ρ(Chl-a),单位为mg/L。

ρ(Chl-a)=15.65a666-7.34a653。

(1)

式中:a666为上清液在666 nm波长下的吸光度；a653为上清液在653 nm波长下的吸光度。

4)类胡萝卜素质量浓度[24]。取10 mL藻液离心10 min(转速4 500 r/min),弃上清液,加10 mL体积分数为80%的丙酮,摇匀后提取色素。再次离心5 min(转速4500 r/min),吸取上清液于50 mL容量瓶中。按上述方法反复提取,直至藻体白色。最后用蒸馏水定容至50 mL,在450 nm波长下测定吸光度,并按式(2)计算类胡萝卜素的质量浓度ρ(β),单位为mg/L。

ρ(β)=(a450×稀释倍数×10×103)/2 500。

(2)

式中a450为上清液在450 nm波长下的吸光度。

5)镉质量浓度和镉去除率。取10 mL含镉试验废水,离心10 min(转速4500 r/min)后,抽取上清液,用针孔滤头过滤,用AA-7000型原子吸收分光光度计测定过滤后水样中镉的质量浓度,并计算镉去除率。

a=(ρ0,Cr-ρCr)/ρ0,Cr×100%。

(3)

式中:a为镉去除率,%；ρ0,Cr为镉的初始质量浓度,mg/L；ρCr为处理后镉的剩余质量浓度,mg/L。

1.4 显著性检验

本文采用显著性检验方法,研究不同光质条件对蛋白核小球藻膜的生物量，蛋白质、色素等的质量浓度及镉去除效果的影响。

显著性检验是用于判断两种或多种不同处理条件的效应之间是否有差异,以及这种差异是否显著的方法。其中,若显著性水平P>0.05,表示无明显差异性；P<0.05,表示有显著差异；P<0.01,表示有极显著差异。

试验数据均使用SPSS 25.0软件处理,使用Origin 9软件绘图。

2 结果与讨论

2.1 光质对蛋白核小球藻膜生物量的影响

不同光质下，蛋白核小球藻膜生物量随时间的变化如图2所示。由图2可知,蛋白核小球藻膜在6种不同光质下都能够很好地生长。在蓝光、白蓝光、白光、红蓝光、白红光5种光质下,藻细胞生长延迟期不明显,第1天其生物量便能快速增长,在第7天生物量分别达到0.61、0.58、0.58、0.58、0.51 g/L。蓝光、白蓝光、白光、红蓝光下的生物量无显著差异(P>0.05),白红光下的生物量与其他4种光质下的生物量有显著差异(P<0.05)。红光下的生物量明显比其他光质下的生物量增长得少,但仍缓慢增长,第7天的生物量为0.44 g/L,与其他光质下的生物量有显著差异(P<0.05)。综上可知：蓝光、白蓝光、白光、红蓝光对蛋白核小球藻膜生物量的增长无明显影响；红光下的生物量增长最少。据报道,单纯红色光照射能够引起细胞损伤,但低蓝光下细胞可以修复[25]。因此,红蓝光下的生物量与蓝光、白蓝光和白光下的生物量无显著性差异。

图2 不同光质对蛋白核小球藻膜生物量的影响

2.2 光质对蛋白核小球藻膜蛋白质质量浓度的影响

不同光质对蛋白核小球藻膜蛋白质质量浓度的影响如图3所示。

图3 不同光质对蛋白核小球藻膜蛋白质质量浓度的影响

由图3可知：所有光质下蛋白核小球藻膜的蛋白质质量浓度都呈增长趋势,蓝光下藻膜蛋白质质量浓度增长量最多,红蓝光下藻膜蛋白质质量浓度增长量最少；红光下蛋白质在第1天便快速合成,第5天其增长量开始低于蓝光。试验第7天,各光质下蛋白质的质量浓度由大到小依次为:蓝光,0.22 mg/L;白蓝光,0.21 mg/L;红光,0.18 mg/L;白光,0.17 mg/L;白红光,0.14 mg/L;红蓝光,0.11 mg/L。蓝光与白蓝光下蛋白质质量浓度无显著差异(P>0.05),蓝光与其他光质下蛋白质质量浓度有显著差异(P<0.05)。毛瑞鑫等[18]探究了不同红蓝光比例对螺旋藻生长的影响,认为蓝光在复合光质中所占的比例与蛋白质的质量浓度成正相关。这可能是蓝光影响了碳酸酐酶合成的缘故,氨基酸是由C、H、O、N等元素组成,是蛋白质的基本组成单位,而碳酸酐酶能影响藻类对培养液中营养成分(如N、P、K等)的吸收和利用,进而影响藻类物质的合成过程[26]。

2.3 光质对蛋白核小球藻膜光合色素质量浓度的影响

叶绿素a和类胡萝卜素是藻类的主要光合色素,其含量直接影响藻类的光合效率。图4(a)、图4(b)分别表示不同光质对蛋白核小球藻膜叶绿素a和类胡萝卜素质量浓度的影响。

图4 不同光质对蛋白核小球藻膜光合色素的影响

由图4(a)可知,在不同光质下,蛋白核小球藻膜叶绿素a的质量浓度几乎均呈增长趋势,红光下叶绿素a的质量浓度增长到第5天后转为下降趋势。试验第7天,各光质下叶绿素a的质量浓度由大到小依次为:蓝光,1.74 mg/L;红蓝光,1.68 mg/L;白光,1.62 mg/L;白蓝光,1.53 mg/L;白红光,1.09 mg/L;红光,1.06 mg/L。

由图4(b)可知,类胡萝卜素的质量浓度的增长趋势与叶绿素a的相近,试验第7天,类胡萝卜素的质量浓度由大到小依次为:蓝光,0.26 mg/L;红蓝光,0.25 mg/L;白光,0.21 mg/L;白蓝光,0.19 mg/L;白红光,0.18 mg/L;红光,0.14 mg/L。

蛋白核小球藻膜在整个生长过程中,其叶绿素a和类胡萝卜素在蓝光下的质量浓度最高,与其他试验组呈显著性差异(P<0.05)；在红光下的质量浓度最低,与其他试验组也呈显著性差异(P<0.05)。由此可知,蓝光最容易促进藻膜叶绿素a和类胡萝卜素的合成。在白红光、红光下蛋白核小球藻膜的叶绿素a和类胡萝卜素的质量浓度最低,叶绿素a和类胡萝卜素的合成与藻类细胞内的光感受器有关。光感受器是藻细胞中的一种蛋白质,用来接收光信号。因此，藻类中的光感受器的种类不同,对每种光的接收程度也不同：接收蓝光和紫外光信号的光感受器是隐花色素；接收红光和红外光信号的光感受器是光敏色素[27]。

2.4 光质对蛋白核小球藻镉去除效果的影响

藻类对重金属具有吸附和吸收作用,故能去除污水中的重金属[28]。试验168 h内镉的质量浓度的变化情况和试验前12 h内镉的质量浓度的变化情况如图5所示。

图5 剩余镉质量浓度的变化及去除率

由图5可知,蛋白核小球藻膜除镉的过程分为两个阶段:第一个阶段为吸附阶段,藻膜官能团与镉结合,实现对镉的快速吸附,1 h后所有试验组镉的质量浓度都低于6 mg/L；根据公式(3)可以计算出试验1 h内不同光质下藻膜的镉去除率分别为:白红光,51.59%;红蓝光,49.43%;白光,46.88%;红光,44.91%;白蓝光,44.16%;蓝光,43.62%。第二阶段为胞内吸收阶段,藻膜通过主动运输,开始缓慢吸收镉进入细胞内。藻膜的吸附、吸收行为使镉不断向细胞内转移[29-30]。

试验7 d后镉去除率如图6所示。由图6可看出,红光下藻膜去除重金属镉的效果最好。试验168 h内不同光质下藻膜的镉去除率分别为:红光,82.62%;白光,76.76%;红蓝光,76.24%;白红光,70.02%;蓝光,62.42%;白蓝光,60.11%。

图6 第7天时镉的去除率

结合图2分析可知,红光下藻膜生物量低,但除镉效果最好。这可能是由于蛋白核小球藻膜对红光的利用能力较低,使得藻细胞体发育偏小或不完全[31],从而细胞保护机制受损,更容易吸收重金属镉；但是藻细胞吸收重金属镉后,会加速部分藻细胞死亡,导致藻膜的生长受到红光及重金属镉的双重影响,使得红光下蛋白核小球藻膜生物量低,但重金属镉的去除效果最好。

3 结论

研究了不同光质下蛋白核小球藻膜的生长情况以及除镉效果,得到以下结论:

1)光质对蛋白核小球藻膜的生长具有显著影响。蓝光为蛋白核小球藻膜生长的最适宜光质,在蓝光条件下,蛋白核小球藻膜生物量达到0.61 g/L、蛋白质质量浓度为0.22 mg/L、叶绿素a质量浓度为1.74 mg/L,类胡萝卜素质量浓度为0.26 mg/L。

2)蛋白核小球藻膜对废水中镉的去除过程有吸附、吸收两个阶段,1 h内可以快速吸附镉,不同光质下去除率分别为:白红光,51.59%;红蓝光,49.43%;白光,46.88%;红光,44.91%;白蓝光,44.16%;蓝光,43.62%。

3)蛋白核小球藻膜在不同光质下对镉均具有较好的去除效果,红光下蛋白核小球藻膜去除重金属镉的效果最好,去除率达82.62%。