海洋生物生理学结课论文

海洋生物生理学结课论文姓名：杨德鑫学号：14836011专业：海洋化学导师：陈侠教授授课教师：崔青曼教授浅谈藻类在重金属废水处理中的应用摘要：在水环境中，藻类有着不可估计的生态学重要性。其分布广泛，种类繁多。承担着整个地球三分之一的初级生产力，是水体食物链的重要组成部分，是水生态系统的功能和结构的基础。所以深入的了解污染物对藻类的影响以及藻类对污染物的生物吸附有很重要的科学意义。一、重金属污染水介绍目前，水污染已成为我国一个十分重要的环境问题。据统计，2006年，全国废水排放总量为536.8亿吨，比上年增加2.3%。其中，工业废水排放量240.2亿吨，占废水排放总量的44.7%，比上年减少1.1%；城镇生活污水排放量296.6亿吨，占废水排放总量的55.3%，比上年增加5.8%。工业废水排放达标率92.1%，比上年下降0.5个百分点，工业用水重复利用率80.6%，比上年提高4.5个百分点[1]。随着经济的高速发展和生产工业化进程的加快，重金属在化工、造纸、电镀、纺织、印染、化纤和农业等方面得到了广泛应用[2]，重金属的污染也日益严重。据估计，全球每年释放到环境中的有毒重金属高达数百万吨，其中砷12.5万吨、镉3.9万吨、铜14.7万吨、汞1.2万吨、铅34.6万吨，造成了严重的环境污染和资源浪费[3、4]。二、传统治理方法的介绍治理水体重金属污染，传统的方法主要是物理和化学方法居多，包括化学沉淀法、鳌合树脂法、高分子捕集剂法、天然沸石吸附法、膜技术、活性炭吸附工艺和离子交换法等[5，6]。这些方法和技术具有净化效率高、周期较短等优点，但也存在工作流程过长、操作繁琐和处理费用昂贵等缺点。因此，人们一直在寻求更为环保、经济适用的方法和技术来替代它们。生物吸附技术就是这种方法之一，自1989年美国利用生物吸附技术成功处理“瓦尔迪斯”号油轮溢油污染[7]以来，国内外研究者已经将其成功应用到各种污染处理中。生物吸附技术比起其它常用技术具有吸附剂价廉易得、吸附量大、选择性好、操作条件范围宽、金属可回收再利用等特点。因此，生物吸附技术在废水处理领域成为了研究热点之一。三、藻类结构的介绍藻类在大小和结构上差异很大，藻类只能在光学显微镜下看见。有单细胞的个体和群体，群体是若干个个体以胶质相连，其大小以μm计。除蓝藻以外的藻类都是真核生物，它们当中形体小的也列入微生物范畴[8]。尽管藻类的形态纷繁多样，但是它们都有共同的一些特征：藻细胞含有纤维素成分的细胞壁；都含有叶绿素，可以进行光合作用将无机物变为有机物，同时释放氧气，是一种独立自养型微生物。这些特征和高等植物基本一致。区别在于藻类在植物体、生殖器官的构造和生殖方式与高等植物有差异。藻类具有生物浓缩作用，可以累积很多污染物，包括重金属、放射性元素和农药等。生物浓缩效果受到很多因素的影响，比如:环境因子、污染物的特性和藻类对于化学污染物的吸收利用等。一般用来消除重金属的藻类要求寿命长、易采集和累积系数高等特征。根据藻类的光和色素的种类、个体的形态、细胞结构、生殖方式和生活史等将藻类分类为10门，门下分纲、目、科、属、种。分别为蓝藻门、裸藻门、绿藻门、轮藻门、金藻门、黄藻门、硅藻门、甲藻门、褐藻门和红藻门。其中由于绿藻在环境中分布最广，所以目前选择绿藻门对水体污染净化的研究较多。四、国内外利用藻类吸附重金属的现状近十几年来，一些研究者利用生物吸附探索了重金属污染的藻类修复方法。藻类具有吸收污水中重金属的能力，利用藻类修复重金属污染的水体已被证明具有高效、低耗、环保等特点[9]。由于藻类在自然界分布广泛易得，对重金属离子又有很好的吸附性，故利用藻类吸附重金属是一个很有前景的新兴领域[10]。1984年，Hosea等人发现普通小球藻(Chlorellavulgaris)对金有很高的亲和力。在藻类进行金属吸附的试验中，有很多的影响因素，如pH、光照、温度和共存离子等[11]。吴海锁等分析了影响小球藻吸附Cu2+,Cd2+和Zn2+三种重金属离子的主要因素，并对不同金属离子之间的吸附开展了初步试验研究，结果显示，小球藻吸附重金属离子的速度快,吸附容量大，适宜的pH值在3.0~5.0之间，小球藻对Cd2+的吸附性能明显高于其它离子[12]。Jose等用褐藻(Eckloniaradiata)做pH影响实验，发现该藻对铅的吸收从0.005mM/g(pH1.0)上升到1.25mM/g(pH5.5)[13]。Hashim等用马尾藻做有关pH影响其对镉的吸附的实验,也证实了同样的结果[14、15]。对于用微藻去除砷方面的研究，YukihoYamaoka发现，藻类Dunaliella.sp在pH8.2,NaCl20g/L，光照5000-10000lux，温度22℃时对砷的累积量达到最大[16]。Yukiho等人研究了各种元素对藻类在富集砷的过程中的影响。研究表明钙和铬对藻类累积砷无影响；当添加了镉和氮元素藻类累积砷能力下降，在钾离子浓度100mg/L时，海藻杜氏藻细胞内砷浓度降低;然而，杜氏藻中砷的累积在以下条件下增加:当锂浓度为100mg/L，镓、铋、锶、钒、铁和锰浓度为10mg/L铅、锑、锌、铜、钴和镍浓度为1mg/L硒浓度为0.1mg/L银浓度为0.005mg/L[61]。此外，研究人员还发现,死亡藻体对于金属离子的吸附能力高于活体藻类。Skowronski等很早就实验证明了死亡藻细胞也具有很强的吸附能力。用活藻细胞和预先用热水杀死的细胞对Cu进行吸附对比实验,尽管最终吸附量相同,但死亡细胞对Cu的吸附速度要大于活细胞[18,19]。对蓝藻(Gloeothecemagna)的研究发现，死亡藻体比活体对Cd2+和Mn2+的吸附量更高[20]。国内在这方面的研究也在走向成熟,很多学者对藻类吸附重金属进行了研究。冯咏梅等利用马尾藻对水中重金属Ni2+进行吸附,研究了溶液的pH值、初始Ni2+浓度、马尾藻的粒度及处理温度等因素对Ni2+的吸附特性的影响,得到最佳pH值范围4~7及pH值6.62时最大吸附量0.668mmol/g，并用Langmuir和Freundlich方程对吸附等温线进行了拟合，前者拟合效果较好[21]。北京的吴之丽等人通过蛋白核小球藻、斜生栅藻和月形藻对铜的为期6d的吸附实验，研究了藻类生长和藻类对铜的吸附与解吸的关系。结果表明,这三种绿藻对铜的吸附是一个动态平衡过程,在对数生长期的解吸能力强，而在稳定生长期的解吸能力变弱[22]。对于藻类和砷关系的研究，台湾海洋大学的许涛发现，周氏扁藻(Tetraselmischuii)具有非常好的砷甲基化能力，五价砷培养4天后培养基中即可测得双甲基砷,培养7天后双甲基砷的浓度更为上升。因此周氏扁藻产生双甲基砷的能力可用于去除高盐废水中的砷[23]。利用藻类生物修复重金属污染水体，国内外在藻类的选择、耐受性、吸收机理以及应用方面均取得了一定得进展。但是，作为一项新兴技术，还处于基本阶段，有待于完善。当前国际上对这项技术的研究处于实验室阶段的较多。主要展开的实验研究工作如下：(1)筛选环境适应性强的藻类。对具有修复潜力的藻类进行优化培养,延长修复时间；(2)进一步开展多因素条件下的藻类修复研究。解决自然水体中多金属污染、种群竞争、微生物侵袭等导致修复能力下降的问题；(3)改进适宜的藻类吸附装置和金属回收装置，采用藻类细胞固定化技术与这些装置相结合。同时加强与其它传统修复技术的结合；(4)利用基因工程技术提高藻类对重金属的吸收能力和耐受性。五、藻类吸附处理重金属离子机理分析藻类吸附重金属的机理十分复杂。国外学者研究了藻类对可溶性重金属吸收的动力学机制，发现藻类对重金属的吸收分两步：第一步是被动吸附过程(物理吸附或离子交换)，这种吸附过程是迅速的，不需要任何能量，重金属只是简单地被结合到藻细胞表面上；第二步是主动吸收过程，这种吸收过程是藻细胞吸收重金属离子的主要途径，需要代谢提供能量，所以这一过程对光、解偶联剂和ATP酶抑制剂等非常敏感，而且这一过程是比较缓慢的[24]。藻细胞对重金属的吸收率与重金属对藻细胞的毒性大小有关，细胞的老幼程度、培养时的通气状况、温度、pH、鳌合剂及其它金属存在等因素也会影响细胞对重金属的吸收。活性藻细胞吸附金属离子的过程通常认为是通过表面反应、胞内和胞外沉淀及胞内和胞外络合反应来实现的，由于细胞的代谢也参与此过程，吸附速度缓慢，需要几天甚至十几天的时间[25]。藻类对于重金属离子的吸附性能主要由其细胞壁的组成和结构决定。藻类的细胞壁是主要由多聚糖（24～74%）、蛋白质（2～16%）和脂肪（1～24%）组成的网状结构带有一定的负电荷,且具有较大的表面积和粘性。这些组分中含有大量可以同金属离子结合的基团如羧基、胺基、酰胺基、羰基、羟基、硫醇、硫醚、咪唑、磷酸根和磺酸根等。其中有些基团可以靠静电引力吸附金属离子；有的带有孤对电子可以和金属离子形成配位键而络合吸附金属；有的基团表面已吸附的离子可以与金属离子发生离子交换作用。而且细胞壁的多孔网状结构有利于这些官能团与金属离子的充分接触。这些机理是否发生与吸附剂和吸附质特性以及吸附体系有关。六、研究意义和展望水体环境中重金属污染严重威胁到水体的生态系统，其中砷是对水体非常有危险性的有毒污染物。对于重金属废水的处理，传统的物理化学方法有二次污染的可能、运行费用高等问题，而微生物对于各种污染物有较快、较强的适应能力。生物吸附技术在重金属污染废水处理领域应用有广阔的前景。在水环境中，藻类广泛分布，在水生系统中扮演着重要的角色。因此对藻类处理废水生物技术方面的研究有很重要的社会环境意义。由于藻类在处理废水方面的研究并不多见，所以在理论和实验方面都有很多问题需要研究解决。藻类具有吸收污水中重金属的能力，利用藻类修复重金属污染的水体已为众多的研究证明具有高效、低耗、环保等特点[26]。在此基础上探索藻类对重金属污染水体的生物吸附技术已逐渐成为国际水体污染治理研究中的一个新热点。藻酸钙是最早被广泛研究的生物聚合物，其次是壳聚糖。随着研究的进一步深入，多种生物体包括细菌、真菌、酵母、淡水藻、海藻、大型植物以及甘蔗渣、花生壳、米糠等农业副产品和废料作为生物吸附剂，被用来吸附水溶液中的重金属离子。与其他生物吸附剂相比，藻类具有较强的吸附性能，并且来源丰富。一些大型海藻如褐藻，它们的吸附容量比其他种类生物体高得多，甚至比活性炭、天然沸石的吸附容量还高，同离子交换树脂相当。我国具有丰富的藻类资源，充分开展海藻生物吸附的研究，发展藻类吸附技术并应用于环境领域，具有十分重要的研究和现实应用意义。参考文献：[1]环保总局.2006年中国环境状况公报[J].环境保护,2006,(6):3～9[2]孟样和,胡国飞.重金属废水处理[M].北京:化学工业出版社,2000:5～11,14～15,17～50[3]HChua,PHFYu,etal.Sub-lethaleffectsofheavymetalsonactivatedsludgemicroorganisms[J].Chemosphere,1999,39(15):2681～2692[4]胡稳奇,张志光.微生物方法在重金属污染处理中的应用现状及展望[J].大自然索,1995,(2):58～61[5]张剑波,冯金敏.离子吸附技术在废水处理中的应用和发展[J].环境污染治理技术与设备,2000,1(1):46～51[6]赵璇,吴天宝,叶裕才.我国饮用水源的重金属污染及治理技术深化问题[J].给水排水,1998,24(10):22～25[7]涂书新,韦朝阳.我国生物修复技术的现状与展望[J].地理科学进展,2004,23(61):20～32.[8]周群英,高廷耀.环境工程微生物学[M].2版,北京:高等教育出版社,2000:62-68[9]Dabvis,T.A.,Volesky,B.andMucci.A.,Areviewofthebiochemistryofheavymetalbiosorptionbybrownalgae[J],WaterRes,2003,37(18):43