張 菊，謝章彰，湯 佳，張亞平，劉芳華*

1.廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006

2.廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，華南土壤污染控制與修復(fù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650

2014 年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，全國大約19%的農(nóng)業(yè)土壤受到重金屬污染，7%的土壤受到Cd 污染.水稻田被Cd 污染時(shí)會(huì)導(dǎo)致水稻中Cd 含量超標(biāo)，而長期食用含Cd 大米時(shí)會(huì)引起痛痛病和腎衰竭等疾病[1-3].因此水稻田土壤中Cd 的鈍化及去除對(duì)保障水稻食品安全意義重大.土壤中Cd 活性與土壤pH、有機(jī)質(zhì)、氧化還原電位及礦物元素等相關(guān)，其中pH 是影響其生物有效性的主要因素[1,4].土壤pH 的升高會(huì)降低Cd 的生物有效性，進(jìn)而降低作物中的Cd 含量[3,5].Honma 等[6]研究表明，將水稻盆栽中土壤pH 從5.80 提升至6.30 后，生物有效態(tài)Cd含量從0.50 μg/kg 降到0.00 μg/kg.Chen 等[7]在水稻大田實(shí)驗(yàn)中將土壤pH 從5.50 提升到6.50 時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤中生物有效態(tài)Cd 含量從0.40 mg/kg 降至0.10 mg/kg，谷物中的Cd 含量降低了70%～80%.可見，提升水稻田土壤pH 將有利于降低土壤Cd 的生物有效性.

另外，由于降雨淋溶作用以及氮肥的過度使用，我國華南紅壤酸化問題日益嚴(yán)重.Wen 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在2005-2020 年的15 年間，珠江三角洲稻田土平均pH 從5.95 降到5.27，下降了0.68 個(gè)單位.土壤酸化一方面會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，另一方面又加劇了土壤Cd 污染，進(jìn)一步威脅糧食安全.常用的治理方法(如施用石灰、粉煤灰等)容易導(dǎo)致土壤板結(jié)、施加材料容易流失和土壤復(fù)酸化等問題[9]，無法從根本上解決土壤酸化問題，因此亟待開發(fā)出綠色可持續(xù)的酸性紅壤改良方法.

微藻具有生長速度快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，其中部分微藻具有較強(qiáng)的Cd 吸附能力[10].例如，Kumar等[11]從廢水中篩選得到一株Chlorella vulgaris，其對(duì)Cd 的最大吸附量為97.43 mg/g，最大去除率為80%；Yang 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，Chlorella minutissimaUTEX2341對(duì)Cd 的最大吸附量達(dá)到303.30 mg/g，去除率達(dá)到90%；Sooksawat 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，Chara aculeolata和Nitella opaca對(duì)Cd 的最大吸附量分別為23.00 和20.50 mg/g，去除率為70%左右.除此之外，微藻還具有提升pH 的潛力，如Wallace 等[14]研究表明，藻類可以通過消耗無機(jī)碳和無機(jī)氮提升環(huán)境中的pH.Wang 等[15]也發(fā)現(xiàn)，微藻可以將體系中的pH 從7.00提升至10.00 左右.這些特性使微藻在我國南方水稻田Cd 污染修復(fù)和土壤酸化改良方面展現(xiàn)出較好的應(yīng)用潛力.

然而目前關(guān)于微藻在酸性環(huán)境下的pH 提升作用及Cd 吸附能力的研究較少，相關(guān)的藻種資源仍舊缺乏.本研究從廣東省廣州市稻田土壤中篩選得到一株耐酸且具有Cd 吸附能力的微藻，對(duì)其耐酸性、Cd耐受性及Cd 吸附能力進(jìn)行了研究，以期為緩解水稻田酸化及Cd 污染提供新的微生物資源.

1 材料與方法

1.1 樣品獲取

樣品采集于春季華南稻田土壤(113°52′51″E、23°03′43″N)，用取樣器采集深度為0～40 cm 的稻田土，用聚乙烯樣品袋盛放樣品，4 ℃下保存?zhèn)溆?

1.2 微藻的富集培養(yǎng)

將10.00 g 新鮮土壤樣品置于50.00 mL 滅菌BG-11液體培養(yǎng)基[16]〔NaNO31.00 g/L，K2HPO440.00 mg/L，MgSO4·7H2O 75.00 mg/L，CaCl2·2H2O 36.00 mg/L，檸檬酸鐵6.00 mg/L，EDTA 1.00 mg/L，Na2CO320.00 mg/L，H3BO42.86 mg/L，MnCl2·H2O 1.81 mg/L，ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L，CuSO4·5H2O 0.08 mg/L，Na2MoO4·2H2O 0.39 mg/L，Co(NO3)2·6H2O 0.05 mg/L〕，培養(yǎng)基初始pH 為5.00，加入CdCl2母液，使培養(yǎng)基Cd 濃度為5.00 mg/L，置于30 ℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5 d；轉(zhuǎn)接兩次，轉(zhuǎn)接量為2%.

1.3 微藻的分離與鑒定

用稀釋涂布法分離微藻，將1.2 節(jié)所述富集物用無菌蒸餾水稀釋至濃度為10-4～10-6，吸取一定的稀釋液(10.00 μL)置于BG-11 固體培養(yǎng)基〔NaNO31.00 g/L，K2HPO440.00 mg/L，MgSO4·7H2O 75.00 mg/L，CaCl2·2H2O 36.00 mg/L，檸檬酸鐵6.00 mg/L，EDTA 1.00 mg/L，Na2CO320.00 mg/L，H3BO42.86 mg/L，MnCl2·H2O 1.81 mg/L，ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L，CuSO4·5H2O 0.08 mg/L，Na2MoO4·2H2O 0.39 mg/L，Co(NO3)2·6H2O 0.05 mg/L，瓊脂粉18.00 g/L〕平板上，用涂布棒將稀釋液均勻涂在整個(gè)平板上.將平板置于30 ℃光照培養(yǎng)箱中，4 000 lx 全光照培養(yǎng)5 d，挑取單個(gè)藻落劃線于BG-11 固體平板中培養(yǎng)基中，4 000 lx 全光照培養(yǎng)待長出單菌落后，重復(fù)平板劃線過程直至獲得純?cè)?

將單藻置于無菌BG-11 培養(yǎng)基中，4 000 lx 全光照培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期，取2.00 mL 對(duì)數(shù)期生長的藻液于離心管中，8 000 r/min 下離心5 min，收集藻體轉(zhuǎn)移至研缽中，加入液氮研磨，用Ezup 柱式真菌基因組DNA抽提試劑盒提取DNA(上海生物工程股份有限公司)，進(jìn)行18S rRNA 基因擴(kuò)增.

PCR 擴(kuò)增體系：2×Tap mix 12.50 μL，18S rRNA基因通用引物為NS1(GTATCATATGCTTGTCTC)和NS6(GCATCACAGACCTGTTATTGCCTC)，購買于上海生物工程股份有限公司.PCR 程序：預(yù)熱95 ℃，5 min；裂解95 ℃，30 s；退火55 ℃，30 s；延伸72 ℃，30 s；循環(huán)30 次；72 ℃延伸10 min.將產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳判斷是否成功獲得目標(biāo)條帶，并將產(chǎn)物送至生物工程(上海)股份有限公司測序，將測序結(jié)果上傳NCBI 數(shù)據(jù)庫(Genebank 登記號(hào)為OR122455)，并將測序結(jié)果上傳NCBI 數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行Blast 比對(duì)[17].

1.4 形態(tài)觀察

取2.00 mL 對(duì)數(shù)生長期的微藻培養(yǎng)液于離心管中，6 000 r/min 下離心5 min，用2.00 mL PBS(濃度為0.10 mmol/L，pH=7.40) 重懸浮后離心棄上清，加入2.5%戊二醛磷酸緩沖液重懸浮后于4 ℃下過夜固定，用0.15%戊二醛磷酸緩沖液沖洗后，依次用30%、50%、70%、90%和100%濃度的乙醇進(jìn)行梯度脫水，每次脫水15 min，再用叔丁醇置換乙醇，靜置15 min，8 000 r/min 下離心5 min，將得到的藻體冷凍干燥2 h后進(jìn)行噴金鍍膜，將制備好的樣品于掃描電鏡(Phenom Pro X，復(fù)納科學(xué)儀器有限公司，荷蘭)下觀察[18].

1.5 微藻的耐酸耐Cd 能力鑒定

用濃度為0.50 mmol/L 的HCl 調(diào)節(jié)BG-11 培養(yǎng)基pH 分別為3.00、3.50、4.00、5.00、6.00、7.00，分別接種對(duì)數(shù)生長期微藻，接種量均為2%，于30 ℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，4 000 lx 全光照培養(yǎng)，每3 d 測一次OD680，共培養(yǎng)24 d.

以pH 為6.00 的BG-11 培養(yǎng)基為基礎(chǔ)培養(yǎng)基，加入CdCl2母液，使Cd 濃度分別為0.00、1.00、2.00、3.00、6.00 mg/L，接種對(duì)數(shù)生長期的微藻，接種量為2%，于30 ℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，4 000 lx 全光照培養(yǎng)，每3 d 測一次OD680，共培養(yǎng)12 d.

1.6 微藻對(duì)Cd 的吸附及不同pH 對(duì)微藻吸附Cd 的影響

以pH 為6.00 的BG-11 培養(yǎng)基為基礎(chǔ)培養(yǎng)基，加入CdCl2母液使BG-11 培養(yǎng)基中Cd 濃度分別為0.00、1.50、3.00、5.00 mg/L.用無CdCl2的BG-11 培養(yǎng)基培養(yǎng)微藻，離心收集并等體積加入不同Cd 濃度的BG-11培養(yǎng)基中，于30 ℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，4 000 lx 全光照培養(yǎng)48 h，每12 h 取一次樣監(jiān)測OD680和體系pH.收集濾液(0.22 μm 濾頭脫氯)用于Cd 濃度檢測.

配置pH 分別為4.00、5.00、6.00 的BG-11 培養(yǎng)基，分別加入100 μL 1.50 g/L 的CdCl2母液，使培養(yǎng)基中Cd 濃度為3.00 mg/L.接種等體積用無CdCl2的BG-11 培養(yǎng)基培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期的微藻，于30 ℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，每12 h 取一次樣監(jiān)測OD680和體系pH.收集濾液(0.22 μm 濾頭脫氯)用于Cd 濃度檢測.

使用電感合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-OES，Perkin Elmer Optima 8000，美國)測定溶液中Cd 的含量.

2 結(jié)果與分析

2.1 微藻的分離及鑒定

經(jīng)富集及稀釋涂布和平板劃線得到一株具有耐酸耐Cd 能力的微藻，命名為ZJ1，藻株ZJ1 藻落呈綠色圓形，表面相對(duì)光滑；藻株ZJ1 藻細(xì)胞為圓球形，直徑約4～5 μm，表面相對(duì)光滑(見圖1).

圖1 藻株ZJ1 的掃描電鏡圖像Fig.1 Electron microscope image of ZJ1

通過18S rRNA 基因序列的測序和比對(duì)，建立藻株ZJ1 的系統(tǒng)發(fā)育樹(見圖2).通過Blast 比對(duì)發(fā)現(xiàn)藻株ZJ1 與Parachlorella kessleriSAG 27.87 相似度最高，為99.41%.將藻株ZJ1 與其他幾株相似度較高的微藻的18S rRNA 基因序列繪制成系統(tǒng)發(fā)育樹，發(fā)現(xiàn)藻株ZJ1 與Parachlorella kessleriSAG 27.87 在同一分支，所以鑒定藻株ZJ1 為擬小球藻屬，將其命名為Parachlorellasp.ZJ1.

圖2 基于18S rRNA 基因序列構(gòu)建的藻株ZJ1 的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.2 Phylogenetic tree of strain ZJ1 based on 18S rRNA gene sequences

2.2 藻株ZJ1 的耐酸耐Cd 能力鑒定

2.2.1 藻株ZJ1 耐酸能力鑒定

為考察藻株ZJ1 的耐酸能力，將藻株ZJ1 接種于不同初始pH 的BG-11 培養(yǎng)基，檢測其培養(yǎng)液OD680值的變化.藻株ZJ1 在初始pH 分別為3.50、4.00、5.00、6.00 和7.00 的BG-11 培養(yǎng)基中培養(yǎng)24 d 后，藻液OD680值由初始的0.01 分別增至1.91±0.21、4.43±0.02、4.41±0.21、4.52±0.05 和4.51±0.05，而在初始pH 為3.00 的培養(yǎng)體系中，OD680值沒有增加〔見圖3(a)〕.因此可以推斷，藻株ZJ1 適宜生長的pH 為4.00～7.00，并且能夠耐受pH 為3.50 的培養(yǎng)體系，具有較強(qiáng)的耐酸能力.這說明藻株ZJ1 具備在南方酸性水稻田中生長的潛力.

圖3 不同初始pH 下和不同初始Cd 濃度下藻株ZJ1 的生長情況Fig.3 ZJ1 growth with different initial pH values and different initial Cd concentrations

2.2.2 藻株ZJ1 耐Cd 能力鑒定

為了考察藻株ZJ1 的耐Cd 能力，將藻株ZJ1 接種于不同初始Cd 濃度的BG-11 培養(yǎng)基中，檢測其培養(yǎng)液的OD680.藻株ZJ1 在初始Cd 濃度分別為0.00、1.00、2.00、3.00 和6.00 mg/L 的BG-11 培養(yǎng)基培養(yǎng)15 d 后，藻液OD680值由初始的0.02±0.01 分別增至0.99±0.03、0.61±0.01、0.44±0.02、0.19±0.01和0.15±0.01，雖然Cd 濃度為6.00 mg/L 時(shí)藻株ZJ1 的生長受到明顯的抑制，但是經(jīng)過15 d 的培養(yǎng)，藻株ZJ1 的藻液OD680值從0.02±0.01 增至0.15±0.01〔見圖3(b)〕，說明藻株ZJ1 可以在Cd 濃度為6.00 mg/L 的培養(yǎng)體系中生長，具有一定的Cd 耐受能力.

2.3 藻株ZJ1 對(duì)Cd 的吸附能力鑒定

為考察藻株ZJ1 的Cd 吸附能力，將藻株ZJ1 接種于不同Cd 濃度下pH=6.00 的BG-11 培養(yǎng)基中，檢測其培養(yǎng)液的OD680值.藻株ZJ1 在初始Cd 濃度分別為1.50、3.00 和5.00 mg/L 的體系中培養(yǎng)24 h 后達(dá)到Cd 吸附平衡〔見圖4(a)〕，3 種濃度下的Cd 吸附率分別為67.36%±0.38%、64.89%±0.58%和41.03%±0.71%〔見圖4(b)〕，其中初始Cd 濃度為5.00 mg/L 時(shí)的吸附率與初始Cd 濃度為1.50 和3.00mg/L 時(shí)的吸附率有顯著性差異(P＜0.01).同時(shí)，初始Cd 濃度為1.50、3.00 和5.00 mg/L 體系中的OD680由1.17±0.01 分別增至1.57±0.02、1.52±0.02 和1.33±0.01〔見圖4(d)〕，pH 由6.00 分別升至7.66±0.10、7.40±0.08 和6.81±0.10〔見圖4(c)〕，說明藻株ZJ1 在生長的過程中具有提升體系pH 的能力.

圖4 不同初始Cd 濃度(pH=6.00)培養(yǎng)基中藻株ZJ1 吸附Cd 的過程中Cd 濃度、吸附率、pH 和OD680 隨時(shí)間的變化情況Fig.4 The change of free Cd concentration,adsorption rate,pH and OD680 with time during the adsorption of Cd by ZJ1 in different initial Cd concentration (pH=6.00) mediumover time

2.4 藻株ZJ1 吸附Cd 的動(dòng)力學(xué)及等溫吸附模型分析

2.4.1 藻株ZJ1 吸附Cd 的動(dòng)力學(xué)模型分析

利用動(dòng)力學(xué)模型對(duì)微藻吸附Cd 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以了解微藻吸附Cd 的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，探究微藻吸附Cd 的物理化學(xué)機(jī)制.常用的動(dòng)力學(xué)模型包括一級(jí)動(dòng)力學(xué)(pesudo-first-order)和二級(jí)動(dòng)力學(xué)(pesudo-second-order)模型.符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型表明微藻對(duì)Cd 的吸附以物理吸附為主，符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型則表示吸附過程以化學(xué)吸附為主[19-21].

一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型：

二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型：

式中：qe為吸附平衡時(shí)菌體對(duì)重金屬離子的吸附量，mg/g；qt為時(shí)間t時(shí)菌體對(duì)重金屬離子的吸附量，mg/g；K1為一級(jí)動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)，h-1；K2為二級(jí)動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)，g/(mg·h)；t為時(shí)間，h.

藻株ZJ1 在Cd 濃度為3.00 mg/L 時(shí)吸附Cd 的動(dòng)力學(xué)模型擬合參數(shù)見表1.

由表1 可知，Cd 濃度為3.00 mg/L 時(shí)藻株ZJ1 吸附Cd 的一級(jí)和二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.76 和0.91，并且二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測的qe(5.80 mg/g)與吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果(5.60 mg/g)相差不大，由此可知藻株ZJ1 吸附Cd 更符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型.上述結(jié)果說明在Cd 濃度為3.00 mg/L 時(shí)，藻株ZJ1對(duì)Cd 的吸附更符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，可推測藻株ZJ1 對(duì)Cd 的吸附過程主要受藻株ZJ1 表面結(jié)構(gòu)與重金屬離子之間電子分享、化合價(jià)力的化學(xué)吸附、絡(luò)合或者螯合作用，更符合化學(xué)吸附[22-23].

2.4.2 藻株ZJ1 吸附Cd 的等溫吸附學(xué)模型分析

Langmuir 等溫吸附模型是描述生物吸附劑吸附重金屬離子廣泛使用的模型，該模型是基于以下3 個(gè)假設(shè)：①氣體只能在固體表面上呈單分子層吸附；②所有的吸附位點(diǎn)都相似；③被吸附分子之間無相互作用.Freudlich 等溫吸附模型是基于吸附材料具有不同的吸附位點(diǎn)這一假設(shè)[20,24-25].利用式(3)(4) 對(duì)藻株ZJ1 在Cd 濃度為1.50、3.00 和5.00 mg/L 時(shí)達(dá)到吸附平衡時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行Langmuir 等溫吸附模型擬合，利用式(5)(6) 對(duì)藻株ZJ1 在Cd 濃度為1.50、3.00 和5.00 mg/L 時(shí)達(dá)到吸附平衡時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行Freudlich等溫吸附模型擬合，模型參數(shù)如表2 所示.

表2 藻株ZJ1 吸附Cd 等溫吸附模型相關(guān)參數(shù)Table 2 Parameters of the isothermal adsorption model for cadmium ions adsorbed by ZJ1

式中：Qe為吸附劑上的平衡重金屬濃度，mg/g；Qm為吸附劑的飽和吸附量，mg/g；Ce為溶液中平衡重金屬濃度，mg/L；KL為Langmuir 吸附常數(shù)，L/mg.

Freundlich 等溫吸附模型是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)方程，是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，基于吸附質(zhì)在多相表面上的吸附建立的經(jīng)驗(yàn)吸附平衡模式.計(jì)算公式如下：

式中：KF為Freundlich 吸附常數(shù)，(mg/g)/(mg/L)n；n為Freudlich 等溫吸附模型常數(shù).

由表2 可知，對(duì)于藻株ZJ1，Langmuir 等溫吸附模型的相關(guān)系數(shù)(R2) 為0.97，高于Freudlich 等溫吸附的R2值(0.89)，表明Langmuir 等溫吸附能更好地描述藻株ZJ1 對(duì)溶液中Cd 的吸附過程，說明藻株ZJ1 吸附Cd 是單層吸附類型.Langmuir 等溫吸附模型常數(shù)KL＜1.00 L/mg，表明藻株ZJ1 對(duì)Cd 具有較好的吸附能力.Freudlich 等溫吸附模型常數(shù)n＞1.00，表明藻株ZJ1 可以在Cd 相對(duì)較高的濃度中進(jìn)行吸附[26].

2.5 低pH 下藻株ZJ1 的Cd 吸附能力

為考察在酸性條件下藻株ZJ1 對(duì)Cd 的吸附效果，將藻株ZJ1 接種于不同初始pH 的BG-11 培養(yǎng)基中，檢測其生長周期的OD680、培養(yǎng)基的pH 和培養(yǎng)基中Cd 濃度隨時(shí)間的變化情況.藻株ZJ1 在Cd 濃度為3.00 mg/L 以及初始pH 分別為4.00、5.00 和6.00 的BG-11 培養(yǎng)基中培養(yǎng)48 h，Cd 的吸附率分別為56.79%±0.02%、56.77%±0.03% 和56.81%±0.01%，在36 h 基本達(dá)到吸附平衡〔見圖5(b)〕.藻株ZJ1 在吸附Cd 的過程中，生物量和pH 都有一定的提升，培養(yǎng)48 h后，初始pH 為4.00、5.00 和6.00 體系中的pH 也從4.50、5.50 和6.40 分別增至6.61±0.01、6.78±0.15 和7.10±0.03〔見圖5(c)〕，初始pH 為4.00、5.00 和6.00體系中的OD680從1.47 分別增至2.59±0.03、2.39±0.06和2.31±0.07〔見圖5(d)〕.與初始pH 為5.00 和6.00的處理相比，pH 為4.00 時(shí)藻株ZJ1 在前12 h 的Cd吸附速率較慢，與pH 為5.00 和6.00 時(shí)的吸附率有顯著性差異(P＜0.01)，OD680也明顯低于其他兩個(gè)處理.這可能是因?yàn)檩^低的pH 影響了藻株ZJ1 的生長及其對(duì)Cd 的吸附.

圖5 不同初始pH 條件 (Cd 濃度為3.00 mg/L)下藻株ZJ1 Cd 吸附過程中Cd 濃度、吸附率、pH 和OD680 的變化情況Fig.5 The change of free Cd concentration,adsorption rate,pH and OD680 in the adsorption process of ZJ1 under different initial pH conditions (Cd concentration of 3.00 mg/L)

2.6 討論

2.6.1 藻株ZJ1 的Cd 污染修復(fù)潛力

近期有較多研究者分別從廢水和土壤中篩選獲得具有Cd 吸附能力的微藻，并且證實(shí)其對(duì)Cd 的吸附率在60.00% 以上[13,27]，這些結(jié)果都表明微藻具備Cd 污染處理潛力.然而，華南水稻土的酸性環(huán)境對(duì)微藻在Cd 污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用提出了新的挑戰(zhàn).酸性環(huán)境一方面會(huì)抑制微藻的生長，另一方面又會(huì)提升Cd 活性，加劇其對(duì)微藻的毒性作用，這使得普通微藻在酸性Cd 污染環(huán)境中難以生存.由于目前有關(guān)微藻Cd 吸附相關(guān)研究大多在中性pH 條件下進(jìn)行[14-15]，且已公開的Cd 污染修復(fù)微藻大多不具備耐酸能力.因此，篩選出耐酸耐Cd 的微藻對(duì)酸性環(huán)境下的Cd污染修復(fù)具有重要意義.本研究從華南水稻土中定向篩選得到一株耐酸且具有Cd 吸附能力的微藻Parachlorellasp.ZJ1，有助于拓展微藻在Cd 污染修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍.

耐酸耐Cd 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，藻株ZJ1 能在pH 較低的環(huán)境中生長，能耐受的最低pH 為3.50；對(duì)Cd 也有一定的耐受，能在Cd 濃度為6.00 mg/L 的體系中生長.我國華南土壤pH 大多在4.50～6.50 之間，呈現(xiàn)弱酸性，土壤Cd 含量為0.02～4.23 mg/kg[28-29].因此，藻株ZJ1 能夠適應(yīng)絕大部分華南土壤環(huán)境，具有修復(fù)華南水稻土壤Cd 污染的潛力.

2.6.2 藻株ZJI 的Cd 吸附機(jī)制及影響因素

微藻對(duì)Cd 的吸附包括物理吸附和化學(xué)吸附，物理吸附主要是范德華力的作用，化學(xué)吸附主要是離子交換和絡(luò)合反應(yīng)，與微藻表面的官能團(tuán)及聚合物有關(guān)，化學(xué)吸附較物理吸附有更好的穩(wěn)定性[30-32].藻株ZJ1對(duì)Cd 的吸附實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，藻株ZJ1 對(duì)Cd 具有一定的吸附能力，動(dòng)力學(xué)模型擬合結(jié)果表明藻株ZJ1 對(duì)Cd的吸附以化學(xué)吸附為主，所以藻株ZJ1 對(duì)Cd 的吸附可能由其胞外聚合物和官能團(tuán)與Cd 發(fā)生的離子交換或絡(luò)合反應(yīng)主導(dǎo)的.并且，微藻胞外聚合物含量會(huì)受外界因素的影響，Cd 的加入很有可能會(huì)增加微藻胞外聚合物的量從而增加其對(duì)Cd 的吸附.此外，藻株ZJ1 對(duì)Cd 的吸附效率隨著Cd 濃度的增加而下降，這可能是因?yàn)槲⒃灞砻娴奈轿稽c(diǎn)是有限的，當(dāng)微藻表面吸附位點(diǎn)達(dá)到吸附飽和時(shí)，體系中Cd 濃度的增加并不會(huì)提升微藻對(duì)Cd 的去除率[33-34].

低pH 條件下藻株ZJ1 的Cd 吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，藻株ZJ1 可提升體系pH，這與已有研究結(jié)果相一致，如Wallace 等[14]在研究廢水pH 波動(dòng)影響因素時(shí)發(fā)現(xiàn)其與廢水中的微藻含量相關(guān)，廢水中微藻含量增加會(huì)導(dǎo)致廢水pH 升高；Wang 等[15]研究柵藻對(duì)錳的吸附時(shí)發(fā)現(xiàn)，柵藻通過生長可以將體系的pH 從7.00 提升至9.00，證實(shí)pH 的提升可能是由于微藻在生長過程中能夠同化無機(jī)碳和硝酸鹽，通過硝酸根、碳酸根和碳酸氫根離子的消耗，產(chǎn)生大量的OH-從而提高體系pH.張露等[35]的研究同樣發(fā)現(xiàn)，柵藻可以將培養(yǎng)基的pH 從3.50 提升至5.50 左右.藻株ZJ1 不同pH的酸性BG-11 培養(yǎng)基中可以將體系pH 提升1.50～2.00 個(gè)單位，說明其有較強(qiáng)的pH 提升能力.

由圖5 可知，初始低pH 對(duì)藻株ZJ1 的Cd 吸附能力產(chǎn)生了一定的抑制效果.研究[36]表明，微藻表面基團(tuán)對(duì)重金屬的吸附會(huì)受到其他陽離子的影響，而且當(dāng)環(huán)境中的H+濃度較高時(shí)會(huì)與Cd 競爭吸附位點(diǎn)，影響微藻對(duì)Cd 的吸附，因此低pH 條件下，微藻對(duì)Cd的吸附率較低.但在初始低pH 條件下培養(yǎng)12 h 后，藻株ZJ1 的Cd 吸附能力迅速恢復(fù)，OD680分析結(jié)果表明，藻株ZJ1 在培養(yǎng)12 h 后，pH 為4.00 的處理中藻株ZJ1 生長速度恢復(fù)，這個(gè)過程可能同時(shí)伴隨著培養(yǎng)體系中OH-的產(chǎn)生[14-15]，因此顯著提升了體系pH，從而使藻株ZJ1 的Cd 吸附效率快速回升.這一結(jié)果說明藻株ZJ1 可以在酸性條件下吸附Cd，并且隨著藻株ZJ1 對(duì)環(huán)境pH 的提升作用，藻株ZJ1 對(duì)Cd 的吸附能力可以得到進(jìn)一步提升.華南水稻土面臨土壤酸化和Cd 污染的雙重危害，而藻株ZJ1 可以在吸附Cd 的同時(shí)提升土壤pH，這使得藻株ZJ1 在改良華南水稻土中具有潛在的應(yīng)用前景.

3 結(jié)論

a) 從華南水稻土中分離得到一株耐酸耐Cd 微藻Parachlorellasp.ZJ1，藻株ZJ1 能耐受的最低pH為3.50，能耐受的Cd 濃度為6.00 mg/L，說明藻株ZJ1具有一定的耐酸耐Cd 能力.藻株ZJ1 在pH 為4.00條件下對(duì)Cd 的吸附率能達(dá)到56.81%，在較低pH 條件下仍具有較好的Cd 吸附能力，說明藻株ZJ1 可以應(yīng)用于較低pH 環(huán)境的Cd 污染修復(fù).

b) 藻株ZJ1 可以同時(shí)去除環(huán)境中Cd 并提升環(huán)境pH，在改良華南水稻田Cd 污染及土壤酸化中具有潛在的應(yīng)用前景.