硅藻对三价砷的吸附吸收行为及机制

摘要

砷(Arsenic，As)因其价态与结合态的多样性而呈现差异显著的污染行为，成为水体生态风险研究热点的代表性类金属元素。本论文研究毒性最强的三价砷[As(Ⅲ)]在淡水硅藻中的吸附吸收行为及其毒性作用，选取水质指示生物硅藻为藻类生物介质代表，通过氢化物原子吸收光谱(Hydride generation-atomic absorptionspectrometry, HG-AAS)、傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)和X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)等技术，探究三价砷在淡水硅藻中的吸附吸收行为、机制、以及多不饱和醛(Polyunsaturatedaldehydes，PUAs)与硅(Silicon，Si)的介导作用;运用透射电镜(Transmission electronmicroscope，TEM)和原子力显微镜(Atomic force microscope，AFM)等超微表征技术，探索三价砷和二甲基砷(Dimethylarsinic acid, DMA)对硅藻的毒作用及细胞微形态。主要研究结论如下: (1)淡水硅藻对As(Ⅲ)的生物吸收主要是胞内吸收，其对As(Ⅲ)的吸收作用强于硅藻硅壳对As(Ⅲ)的表面吸附。在0.05-20 mg L-1 As(Ⅲ)浓度下，代表性淡水硅藻Navicula sp.和海洋硅藻Phaeodactylum sp.分别在5.0和10.0 mg L-1 As(Ⅲ)下达到最大吸收效率，分别为55.6±4.5％和99.4±0.1％。随着As(Ⅲ)浓度增大，淡水硅藻Navicula sp.的吸收效率先上升后下降，20 mg L-1 As(Ⅲ)下其生长完全受到抑制而使其吸收效率下降为21.9±3.5％，经过对胞内和细胞壁结合砷浓度分析，发现胞内砷浓度远远高于细胞壁结合砷浓度，表明了其对As(Ⅲ)的胞内吸收强于其硅壳对As(Ⅲ)的表面吸附。 (2) As(Ⅲ)与DMA复合污染对淡水硅藻Nitzschia sp.具有相加和拮抗效应，其毒性效应取决于暴露浓度。在0.04-45.32 mg L-1 DMA与0.16-0.49mgL-1As(Ⅲ)暴露浓度下，其复合污染对硅藻的联合作用表现为相加效应，硅藻生长速率呈现明显的下降，同时其细胞膜也受到较严重的破坏，通过细胞膜形成速率分析表明该处理组中细胞膜形成速率最快。而随As(Ⅲ)浓度的升高，DMA与0.58-1.26 mgL-1 As(Ⅲ)暴露浓度下的复合污染对硅藻具有拮抗效应，硅藻生长和细胞膜损伤都有所恢复。经过对胞内巯基水平分析，发现0.58-1.26 mg L-1 As(Ⅲ)与DMA复合污染处理组中巯基含量明显升高，表明了As(Ⅲ)在该浓度下会诱导硅藻胞内解毒机制而减弱As(Ⅲ)的毒性。 (3)淡水硅藻对As(Ⅲ)的生物吸收量因界面多不饱和醛(PUAs)的介导而增加。淡水硅藻Cymbella sp.和Navicula sp.对5 mg L-1As(Ⅲ)的生物吸收效率分别为36.1±2.9％和12.4±2.7％，而增加PUAs会使两种硅藻对As(Ⅲ)的生物吸收效率升至47.6±5.2％和23.7±1.3％。PUAs对硅藻吸收As(Ⅲ)的介导机制可能是由于其与As(Ⅲ)的亲核加成反应而减弱了As(Ⅲ)毒性。通过PUAs对As(Ⅲ)的吸附行为分析，发现PUAs对As(Ⅲ)的吸附效率为20.0±2.5％。通过毒性分析表明，两种硅藻生长速率在0.1μM PUAs下分别会上升49.0±10.5％和23.1±12.4％。经AFM分析表明，PUAs能减弱As(Ⅲ)对硅藻硅壳的破坏，其吸附As(Ⅲ)后滞留硅藻表面孔径中而阻止As(Ⅲ)进入硅藻胞内引起细胞性损伤。 (4)淡水硅藻硅壳对As(Ⅲ)的吸附效率会因氨基和巯基官能团的介入而得到显著提高。硅藻硅壳对As(Ⅲ)的吸附作用并不显著，其对12 mgL-1As(Ⅲ)的吸附效率在pH7条件下仅为13.8±1.4％，而pH4条件下其吸附效率能达到最高值20.5±0.6％，但通过人工模拟过程将氨基和巯基引入失活硅藻表面后，其吸附效率能提升65.5±1.3％。As(Ⅲ)在改性的失活硅藻表面的动力学行为和吸附等温线分别能用准二阶动力学方程和Langmuir-Freundlich模型进行良好描述，同时其热力学行为中得到的负自由能△G0和吸附焓，△H0表明As(Ⅲ)在改性失活硅藻上的吸附行为是自发放热的过程。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 水体砷污染与水质安全研究进展

1．1．1 水体中砷的来源与分布特征

1．1．2 水体中砷形态的分析方法

1．1．3 水体砷污染与水质相关性研究

1．2 水体形态砷的复合污染与藻类砷毒效应研究进展

1．2．1 水体形态砷复合污染及其毒性研究

1．2．2 水体形态砷污染对藻类的毒性效应

1．2．3 水体形态砷污染对藻类的毒性机制

1．3 硅藻的生态指示作用及其释放多不饱和醛(PUAs)毒性研究进展

1．3．1 淡水硅藻的生态监测作用

1．3．2 硅藻表面多不饱和醛(PUAs)的分析方法

1．3．3 硅藻表面多不饱和醛(PUAs)的毒性研究

1．4 水体砷污染治理技术的研究进展

1．4．1 水体砷污染的物理化学去除方法

1．4．2 水体砷污染的生物净化技术

1．4．3 水体砷污染的生物吸附机制

1．5 本论文研究工作

1．5．1 研究目标

1．5．2 拟解决科学问题

1．5．3 研究内容

第二章 As(Ⅲ)在硅藻中的生物吸收行为及毒作用研究

2．1 前言

2．2 材料与方法

2．2．1 藻种及培养

2．2．2 As(Ⅲ)对藻类的毒性试验

2．2．3 藻类生长速率及叶绿素a浓度测定

2．2．4 培养基中总砷和As(Ⅲ)的分析测定

2．2．5 傅里叶红外光谱分析

2．2．6 透射电镜超微结构分析

2．2．7 数据统计分析方法

2．3 结果

2．3．1 As(Ⅲ)对硅藻的毒作用研究

2．3．2 As(Ⅲ)在硅藻中的生物吸收研究

2．3．3 As(Ⅲ)在培养基中的离子形态分布

2．3．4 As(Ⅲ)在藻类中的生物吸收行为及毒效应的pH差异分析

2．4 讨论

2．5 小结

第三章 As(Ⅲ)和二甲基砷复合污染下硅藻的生物响应研究

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验试剂

3．2．2 硅藻培养

3．2．3 砷污染对硅藻的生长抑制试验

3．2．4 脂质过氧化与巯基含量测定

3．2．5 生物硅和胞内硅含量测定

3．2．6 形态砷As(Ⅲ)和DMA含量的测定

3．2．7 数据统计分析方法

3．3 结果

3．3．1 As(Ⅲ)和DMA复合污染对硅藻生长的影响

3．3．2 As(Ⅲ)和DMA复合污染对硅藻的氧化损伤研究

3．3．3 As(Ⅲ)和DMA复合污染对硅藻中硅代谢的影响

3．4 讨论

3．5 小结

第四章 硅藻表面As(Ⅲ)污染行为的多不饱和醛(PUAs)介导作用

4．1 前言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验试剂

4．2．2 硅藻培养

4．2．3 硅酸浓度梯度下As(Ⅲ)对硅藻的毒性试验

4．2．4 硅藻表面PUAs对As(Ⅲ)毒效应影响

4．2．5 原子力显微镜(AFM)对硅藻表面形貌的分析

4．2．6 硅酸盐和砷形态的检测分析

4．2．7 数据统计分析

4．3 结果

4．3．1 硅酸梯度浓度下As(Ⅲ)对硅藻的毒性效应

4．3．2 多不饱和醛PUAs下As(Ⅲ)对硅藻的毒作用

4．3．3 多不饱和醛PUAs对硅藻吸收As(Ⅲ)与硅酸行为的影响

4．4．4 多不饱和醛PUAs与As(Ⅲ)交互作用对硅藻表面形貌影响

4．4 讨论

4．5 小结

第五章 改性硅藻硅壳对As(Ⅲ)的吸附行为与机制研究

5．1 前言

5．2 材料与方法

5．2．1 实验试剂及材料

5．2．2 失活硅藻的改性方法

5．2．3 改性失活硅藻的表征技术

5．2．4 改性失活硅藻吸附As(Ⅲ)试验

5．2．5 形态砷测定精度分析

5．2．6 数据分析

5．3 结果与讨论

5．3．1 改性失活硅藻的表征

5．3．2 pH对改性失活硅藻吸附As(Ⅲ)的影响

5．3．3 改性失活硅藻吸附As(Ⅲ)的动力学和等温线研究

5．3．4 改性失活硅藻吸附As(Ⅲ)的热力学过程

5．3．5 改性失活硅藻对As(Ⅲ)的吸附机制

5．3．6 改性失活硅藻与其他吸附剂的比较

5．4 小结

第六章 研究结论、创新点与展望

6．1 研究结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

作者简介及攻读博士学位期间完成的学术科研论文