張步云 韓玉潔 楊 琳

（1天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院天津市動(dòng)植物抗性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387 2清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100084）

引言

水是難以替代的資源，由于人口的增加，各方面用水量的不斷擴(kuò)大使得淡水供應(yīng)緊張。不僅如此，森林被毀、土壤退化等因素導(dǎo)致地面對(duì)水的吸收保護(hù)能力下降，雨季大水泛濫，而旱季嚴(yán)重缺水，而近些年來(lái)，水資源也遭到了嚴(yán)重的污染，造成水質(zhì)量逐年下降。

水污染就是由有害化學(xué)物質(zhì)造成水的使用價(jià)值降低或喪失。水的污染有兩類：一類是自然污染；另一類是人為污染，兩者中人為污染占重要比例。不同水域主要污染物不同：有機(jī)物污染在河流污染起主要作用；湖泊則以磷，氮污染物富營(yíng)養(yǎng)化為特征；無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽和重金屬則為近岸海域的主要污染物。

傳統(tǒng)的水污染處理方法主要分為物理方法和化學(xué)方法。物理方法主要包括引水沖淤和調(diào)水等；化學(xué)方法主要包括如加入鐵鹽促進(jìn)磷的沉淀、加入石灰脫氮等方法。而新型的一種凈化水體的方法是水生植物凈化法，該方法充分利用了水生植物的自然凈化機(jī)能，而藻類就起到了很大的作用。

藻類屬于原生生物界，構(gòu)造簡(jiǎn)單，沒有根、莖、葉的分化，是具同化色素而能進(jìn)行獨(dú)立營(yíng)養(yǎng)生活的水生低等植物的總稱，也是地球上最龐大的生物群體。它種類繁多，無(wú)維管束，也沒有真正的根、莖、葉，能進(jìn)行光合作用。大多數(shù)藻類都是水生的，也有生于陸水中的淡水藻，也有產(chǎn)于海洋的海藻。由此可見，幾乎到處都有藻類的存在，藻類對(duì)環(huán)境的要求并不嚴(yán)格，而且適應(yīng)性強(qiáng)，這也為水污染的凈化奠定了基礎(chǔ)。

藻類在水凈化中，顯示出的優(yōu)勢(shì)：（1）藻類植物可以適應(yīng)多樣的環(huán)境條件，對(duì)生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)及光照強(qiáng)度的要求不高。（2）藻類植物含有光合色素，可以進(jìn)行光合作用，它可以將無(wú)機(jī)物合成有機(jī)物供自身所需，（3）藻類能吸附重金屬，二氧化碳固定能力強(qiáng)，對(duì)水體凈化有很大的幫助。本文就藻類對(duì)水體污染凈化的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 藻類對(duì)水體中重金屬離子凈化的研究進(jìn)展

重金屬對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響，以重金屬鎘為例，鎘在水環(huán)境中十分穩(wěn)定，首先鎘離子（Cd2+）有毒性，其次Cd2+對(duì)藻類的光合作用也有影響，Cd2+會(huì)使藻類光合放氧減少，葉綠素?zé)晒?Fv/Fm)降低，抑制光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的電子傳輸，并降低PSⅡ活性[1]。由于某些重金屬離子對(duì)活藻菌株具有毒性，因此優(yōu)化金屬離子濃度是藻類高效生長(zhǎng)的必要條件。Shanab和Essa觀察到，低濃度的鉛和鎘離子(5-20ppm)通過(guò)增加葉綠素含量來(lái)促進(jìn)藻類生長(zhǎng)，而汞離子在任何濃度下都對(duì)藻類細(xì)胞有毒性作用[2]。重金屬離子的毒性過(guò)大，可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變性，取代必需元素，或破壞活海藻的氧化平衡，藻類細(xì)胞的應(yīng)激強(qiáng)度取決于藻類細(xì)胞中氧化蛋白和脂質(zhì)的含量，它對(duì)重金屬離子的保護(hù)反應(yīng)極其依賴于其對(duì)氧化損傷的抵抗能力。

藻類對(duì)重金屬的吸附主要分為胞外快速吸附和胞內(nèi)緩慢富集兩個(gè)階段：第一階段：在大多數(shù)情況下，藻類細(xì)胞表面吸附重金屬后，由于藻類細(xì)胞壁含有的一些官能團(tuán)如巰基和磷酸根[3]等，使得其帶負(fù)電，再通過(guò)離子交換或配位反應(yīng)與重金屬結(jié)合。第二階段：重金屬可以跨膜進(jìn)入胞內(nèi)富集。

藻類細(xì)胞壁吸附的金屬離子是生物積累的第一步。研究發(fā)現(xiàn)，藻類細(xì)胞的細(xì)胞壁一般是纖維素的微纖絲形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，細(xì)胞壁所含有的不同結(jié)合基團(tuán)例如 OH-，SH-，COO-，PO43-，NO3-等存在于細(xì)胞表面，細(xì)胞質(zhì)中，尤其是液泡中（液泡可以看作是一種積聚金屬離子的細(xì)胞器）。重金屬離子吸附到海藻細(xì)胞后，被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞液泡中，在這一過(guò)程中，金屬硫蛋白(MTs)等結(jié)合蛋白與吸附的離子結(jié)合，從而避免了宿主細(xì)胞中金屬離子累積濃度的抑制作用。已有研究總結(jié)了不同金屬離子與藻類細(xì)胞配體之間的親和力，金屬離子分為A、B、邊緣型，A類傾向于通過(guò)其氧原子與I組配體建立連接，B類金屬陽(yáng)離子容易與II、III類配體橋接，而邊緣金屬離子可以與I、II、III類不同原子連接。在偏酸性的水體中，細(xì)胞壁上的官能團(tuán)會(huì)被質(zhì)子化，并阻止陽(yáng)離子與官能團(tuán)結(jié)合，導(dǎo)致生物吸附能力下降。因此，尋找特定藻類最大限度去除金屬離子的最佳pH值至關(guān)重要，因?yàn)樗c生物量的表面電荷、電離程度和吸附位點(diǎn)密切相關(guān)。除此之外，Aksu還研究了溫度對(duì)小球藻生物量對(duì)Cd(II)和Ni(II)生物吸附的影響，他們觀察到Cd(II)和Ni(II)的最大生物吸附發(fā)生在20℃和45℃[4-5]。通過(guò)研究測(cè)定了2、4、6、8天后分別收獲的剛毛藻對(duì)鎘、鉛離子的吸附量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，海藻生長(zhǎng)速率降低，但在較老的培養(yǎng)基中獲得了更大的生物吸附能力[6]。這些結(jié)果表明，雖然重金屬生物吸附會(huì)在接觸的第一個(gè)瞬間迅速發(fā)生，但使用活海藻接觸的時(shí)間越長(zhǎng)，重金屬生物遷移的水平越高。在藻類凈化的研究中，轉(zhuǎn)基因工程培育、開發(fā)修復(fù)效率高、運(yùn)行費(fèi)用低的新型藻類；或是通過(guò)誘變育種技術(shù)來(lái)改良遺傳特性；或是分離對(duì)重金屬敏感的突變株，鑒定、克隆其相關(guān)基因；或是通過(guò)轉(zhuǎn)基因獲得重金屬耐性株已成為熱點(diǎn)。

2 藻類對(duì)水體中有機(jī)污染物的研究進(jìn)展

對(duì)水體中有機(jī)污染物的處理，傳統(tǒng)方法分為兩種：（1）物理方法主要包括吸附、混凝沉淀、滲析和離子交換等。尤其是對(duì)于那些有毒而又難降解有機(jī)污染物，大多采用吸附法、混凝法和萃取法等。最常用的一種方法是活性炭吸附，活性炭在吸附過(guò)程中起著雙重作用——過(guò)濾并吸附，不僅如此，它還能夠縮短再生周期，讓有機(jī)污染物的去除更加容易。（2）化學(xué)方法則是利用化學(xué)反應(yīng)的原理和方法，分離回收廢水中的污染物，改變它們的性質(zhì)，最終使廢水無(wú)害化、低毒化。在化學(xué)方法處理中，最常用的處理技術(shù)有：中和、氧化、還原、分解等。

已有研究表明，藻類等浮游植物種群的變化受湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的影響，湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化最終會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化。大量營(yíng)養(yǎng)元素可以促進(jìn)葉綠素a和浮游藻類生物量的劇增，氮和磷是這些營(yíng)養(yǎng)元素中的限制因子，浮游藻類藻細(xì)胞的密度與氮磷含量密切相關(guān)。Redfield定律認(rèn)為，藻類細(xì)胞組成的原子比率 C∶N∶P=106∶16∶1，如果氮磷比超過(guò) 16∶1，磷被認(rèn)為是限制性因素；反之，當(dāng)?shù)妆刃∮?0∶1時(shí)，氮通常被考慮為限制性因素[7]。

水中有機(jī)的污染物主要是指氮磷有機(jī)物，藻類是一種自養(yǎng)型生物，利用光能將簡(jiǎn)單的營(yíng)養(yǎng)物合成復(fù)雜的有機(jī)物。藻類的光合作用使其在很多水環(huán)境中成為了重要的陽(yáng)光吸收器。已有研究表明，藻的光合器官吸收可見光，導(dǎo)致羧酸，碳水化合物和氨基酸等極性、離子態(tài)有機(jī)物的新陳代謝，從而用于降低水中的氮、磷含量。以廢水中的有機(jī)物鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和三丁基錫氯化物 (TBTCl)為例，對(duì)于DBP而言，使用斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)進(jìn)行生物降解實(shí)驗(yàn)，DBP在水相中的濃度降低得很快，藻體對(duì)化合物的生物富集和生物降解同時(shí)發(fā)生.在8h內(nèi)生物富集占主導(dǎo)地位，而8h以后生物降解則占主導(dǎo)。因而，在8h時(shí)DBP在藻體中的濃度出現(xiàn)峰值。對(duì)于TBTCl而言，利用斜生柵藻和扁藻(Platymonas)進(jìn)行生物降解實(shí)驗(yàn)，兩種藻類都可以很快地降解TBTC1，因?yàn)樯锔患蜕锝到馔瑫r(shí)發(fā)生，所以，在兩種藻體內(nèi)的三丁基錫（TBT）濃度出現(xiàn)峰值，分別出現(xiàn)在48h和24h[8]?？傮w來(lái)講，藻類對(duì)有機(jī)污染物的吸附主要體現(xiàn)在兩者的相互作用，包括生物富集和生物降解這兩種同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程，高濃度的有機(jī)污染物顯示出對(duì)藻類的毒性，即為藻類的生物富集；當(dāng)富集到一定程度后，藻類會(huì)體現(xiàn)出生物降解的作用，雖然有的時(shí)候降解的速度比較慢，但卻可以完全降解有機(jī)污染物。

藻類在凈化水污染中，不僅使藻類的成長(zhǎng)與繁衍受到了有效抑制，而且水中的溶氧量得到增加。但也有缺點(diǎn)，例如對(duì)凈化污水的藻類植物的回收利用比較缺乏且藻類植物生態(tài)功能和景象功能相結(jié)合的研討比較缺乏。在以后藻類對(duì)水體有機(jī)污染物的凈化中很有潛力的研究方向是：多加利用藻類固定化技術(shù)，并與傳統(tǒng)的工藝結(jié)合起來(lái)，從而達(dá)到更好的水處理效果。

3 菌藻共生系統(tǒng)對(duì)水污染的研究進(jìn)展

利用菌藻共生系統(tǒng)處理污水是指：藻類和細(xì)菌會(huì)在凈化污水的過(guò)程中形成復(fù)雜的共生系統(tǒng)，共同凈化污水。它是一種資源化技術(shù)，也是凈化水體富營(yíng)養(yǎng)化的有效途徑。

藻類以光能作為能源，利用氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及CO2合成自身復(fù)雜的有機(jī)成分。菌藻共生系統(tǒng)是將藻類植物對(duì)污水中營(yíng)養(yǎng)物和有機(jī)物去除能力與細(xì)菌的污染物降解能力有效結(jié)合凈化污水。它的基本原理是：細(xì)菌在降解有機(jī)質(zhì)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生CO2，產(chǎn)生的CO2又成為了藻類的主要碳源，促進(jìn)了藻類的光合作用，藻類光合作用釋放出的氧，增加了水中的溶解氧[9]，促進(jìn)了細(xì)菌的代謝活動(dòng)，使其能夠維持正常的生命活動(dòng)。

藻類塘和固定化菌藻就是利用菌藻共生系統(tǒng)處理污水的應(yīng)用。高效藻類塘與傳統(tǒng)相比具有的優(yōu)勢(shì)為：（1）塘的深度較淺（2）塘的寬度一般較窄。因此可以促進(jìn)污水的完全混合、調(diào)節(jié)塘內(nèi)氧和CO2的濃度等。這些優(yōu)勢(shì)使得塘內(nèi)形成了有利于藻類和細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖的環(huán)境，加強(qiáng)了藻類和細(xì)菌之間的相互作用。研究表明，固定化菌藻對(duì)廢水的處理效率更高。王翠紅等利用固定化藻菌系統(tǒng)處理含酚廢水，將分離培養(yǎng)所得的對(duì)酚具有高效降解作用的小球藻(Chlorellavulgaris)和紫色非硫光合細(xì)菌混合菌株混合體系用海藻酸鈉包埋后，在好氧條件下處理含酚廢水，可明顯地提高除酚效率[10]。將銅綠微囊藻（Microcystisaeruginosa）和細(xì)菌混合固定化，研究其對(duì)污水中NH3-N和PO43--P的凈化效率，結(jié)果表明：固定化混合藻菌體系對(duì)污水中NH3-N和PO43--P的去除效率比較高，并且隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)污水中NH3-N和PO43--P的去除效率逐漸增高[11]。

菌藻共生系統(tǒng)在利用藻類處理水污染的技術(shù)中體現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)，但該系統(tǒng)仍存在著許多問題，例如：固定化菌藻共生系統(tǒng)與傳統(tǒng)工藝的整合，菌藻細(xì)胞增長(zhǎng)到一定程度后會(huì)從固定化載體中漏出，固定化小球使用壽命短，包埋載體的再生等。對(duì)水污染的治理來(lái)說(shuō)，菌藻共生系統(tǒng)仍是一個(gè)值得研究的方向。

4 利用污水培養(yǎng)藻類在生物能源方面的應(yīng)用

石油能源是非可再生能源，過(guò)度采發(fā)和應(yīng)用引發(fā)了諸如溫室效應(yīng)、能源危機(jī)等問題。[12]國(guó)家在十三五發(fā)展規(guī)劃中提出要進(jìn)行“能源轉(zhuǎn)型”，加強(qiáng)開發(fā)應(yīng)用生物質(zhì)能源。藻類，光合效率高、生長(zhǎng)速度快、固氮能力高、高碳水化合物、高中性脂肪含量，因此可利用污水培養(yǎng)浮萍，可作為生物能源材料，取代石油能源[13]。微藻中，碳水化合物和中性油脂是其初級(jí)碳源和能量的儲(chǔ)備，可用于生產(chǎn)生物質(zhì)乙醇和生物柴油。

碳水化合物和脂類可保護(hù)處于逆境中的藻類細(xì)胞，例如，高光、高鹽等。因此，缺氮、缺硫、缺磷[14]等可提升微藻體內(nèi)碳水化合物或者脂肪含量。在小球藻中，缺氮提高了其碳水化合物含量[15]。改變氮源可以提升微藻中的碳水化合物或脂類含量，可應(yīng)用于提高藻類碳水化合物和脂肪含量中[16]，可將微藻在污水中進(jìn)行培養(yǎng)，應(yīng)用于生物產(chǎn)能。為了提升生物能源應(yīng)用，除了改變?cè)孱惻囵B(yǎng)條件，還可以運(yùn)用育種法等方法培育適應(yīng)污水環(huán)境的微藻新品種，以更好應(yīng)用于生物能源研究。

結(jié)語(yǔ)

藻類植物在地球上分布非常廣泛，也正是如此，人類已經(jīng)在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，醫(yī)藥，食品，環(huán)境保護(hù)等方面開發(fā)和利用藻類。我們已經(jīng)知道，藻類植物能有效吸附水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并且固定二氧化碳，過(guò)濾并吸附固體懸浮物。藻類植物也可以蓄積Cd、Cr、Pb，從而說(shuō)明藻類植物也可吸附重金屬離子，減少了重金屬離子對(duì)水環(huán)境的污染。因此，用藻類植物凈化水質(zhì)已經(jīng)得到了普遍的認(rèn)可。

藻類植物的研究不僅僅是在水污染的監(jiān)測(cè)和凈化方面。藻類由于其低比例的木質(zhì)素和半纖維素，常常用作生物乙醇的來(lái)源，相比其他木質(zhì)植物擁有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此可以用作生物能源的開發(fā)。除此之外，藻類多糖還有抗病毒活性、抗菌消炎活性、抗腫瘤活性、抗氧化活性以及改善腎功能活性，因此它還有用作生物醫(yī)藥活性的功能。

但到目前為止，藻類植物的開發(fā)利用還存在著一些問題，例如：為了提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)和凈化效率，我們需要篩選出對(duì)特定污染物敏感的藻類物種，有些藻類植物對(duì)污染物處理的生理響應(yīng)和機(jī)制并不明確，還需要進(jìn)一步地研究。在藻類植物現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)其開發(fā)技術(shù)也在不斷地提高中，相信在以后水污染的治理及藻類的研究會(huì)進(jìn)一步地深入，藻類植物一定會(huì)給人類帶來(lái)更多的效益。