蛋白核小球藻对亚砷酸盐和砷酸盐的富集和转化研究

摘要

砷(As)是存在于土壤和自然水体中的有毒的类金属元素，大量含砷化合物进入环境导致水体砷污染越来越严重。蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）由于其丰富的营养价值被认为是人类的健康食品，而水体砷污染会对蛋白核小球藻的养殖造成威胁。蛋白核小球藻生长迅速、环保、低廉、有效的特点使其在生物修复含砷废水上有一定的应用潜能，对治理污水中的氮磷等污染物有良好的去除效果，然而其对含砷废水的治理还鲜有报道。氮(N)、磷(P）等无机营养盐是限制小球藻生长和繁殖的重要因子，关于氮磷浓度对蛋白核小球藻砷代谢的影响还未见报道。因此本文以蛋白核小球藻为研究对象，首先研究蛋白核小球藻对亚砷酸盐(As(Ⅲ))和砷酸盐(As(Ⅴ))的耐性、富集和代谢规律;然后研究不同N、P浓度对蛋白核小球藻生长的影响;在藻体生长不受影响的前提下，研究不同氮磷浓度对其砷富集和代谢的影响，以期为保障小球藻产品的品质安全、实现砷污染水体的生物修复提供理论依据。
　　1.蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸收特性和毒性效应
　　设置系列As(Ⅲ)和As(Ⅴ)浓度，对蛋白核小球藻进行72 h生长抑制试验，研究蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸收特性和毒性效应。
　　毒理学试验结果表明，蛋白核小球藻对As的耐性较强，As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的EC50值分别为69.19和3847 mg·L-1;蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)吸收速率均随着砷处理浓度的增加而呈曲线增加，而且增加的幅度逐渐变小，能用米氏方程拟合，蛋白核小球藻对As(Ⅴ)的最大吸收速度Vmax是As(Ⅲ)的1.72倍，说明小球藻对As(Ⅴ)的吸收潜力大。此外蛋白核小球藻吸收As(Ⅴ)的米氏常数Km是吸收As(Ⅲ)的9.53倍，说明As(Ⅲ)对小球藻的亲和性大于As(Ⅴ)的亲和性。
　　2.蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)富集、代谢的动态变化规律
　　设置系列As(Ⅲ)和As(Ⅴ)浓度处理蛋白核小球藻，分别于6、12、24、48、72 h收集小球藻，测定As总量和形态，研究蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)富集、代谢的动态变化规律。
　　结果表明，蛋白核小球藻对As的富集量和吸收量随As(Ⅲ)和As(Ⅴ)浓度的增加而显著增加，其中小球藻对As(Ⅲ)的富集以吸收为主(67.5％～96.6％)，吸附占较少部分，对As(Ⅴ)的吸收和吸附约各占一半;蛋白核小球藻对As的吸附量与As的形态和浓度有关，小球藻对As(Ⅴ)的吸附量显著高于对As(Ⅲ)的吸附量，且对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附量随As(Ⅲ)和As(Ⅴ)浓度的增加而显著增加。
　　800μg·L-1的As(Ⅲ)处理小球藻3d，藻体内存在As(Ⅲ)和As(Ⅴ)两种砷形态，且As(Ⅴ)比例相对较大(48.3％-80.7％)，说明小球藻体内存在较强的氧化作用，能够将毒性较大的As(Ⅲ)氧化为毒性较低的As(Ⅴ)，800μg·L-1的As(Ⅴ)处理小球藻3d，胞内As都是以As(Ⅴ)的形态存在。
　　蛋白核小球藻对As的吸收可以用动力学模型进行较好的拟合，由吸收动力学参数可以发现:50μg·L-1的As处理时蛋白核小球藻对As(Ⅲ)的吸收能力大于As(Ⅴ)，200和800μg·L-1的As处理时小球藻对As(Ⅲ)的吸收能力小于As(Ⅴ)。此外，随着As(Ⅲ)或As(Ⅴ)处理浓度的增加，蛋白核小球藻对As(Ⅲ)或As(Ⅴ)的吸收速率常数、外排速率常数和生物富集系数都呈现降低的趋势。
　　3.不同N、P浓度时蛋白核小球藻As(Ⅲ)和As(Ⅴ)富集和转化的影响
　　首先研究N、P浓度对小球藻生长的影响，然后选择不影响小球藻生长的N、P浓度组合，研究N、P浓度对小球藻砷富集和转化的影响。
　　结果表明:N或P的浓度过高或过低都会影响蛋白核小球藻的生长，其中固定N为247 mg·L-1和P为0.6、6 mg·L-1，以及固定P为6 mg·L-1和N为24.7、247 mg·L-1的浓度组合对蛋白核小球藻的生长没有影响;当P浓度为6 mg·L-1时，N浓度降低到24.7mg·L-1不会影响小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的富集及其胞内As形态的转化，而当N浓度为247 mg·L-1时，P浓度降低到0.6 mg·L-1则会显著增加小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸收和富集，藻细胞内As(Ⅴ）还原、甲基化和外排也显著增强。
　　通过上述研究，阐明了蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸收特性和毒性效应，同时从吸收动力学和氮磷营养的角度详细阐述了蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的富集和代谢过程，为揭示蛋白核小球藻砷代谢机制、保障小球藻的品质安全和砷污染水体生物修复提供了理论依据。

目录

声明

论文说明

图表目录

摘要

第一章 文献综述

1．1 小球藻的研究概述

1．1．1 小球藻的简介

1．1．2 小球藻的营养价值

1．1．3 小球藻的应用

1．2 砷的研究概述

1．2．1 砷的形态、毒性和污染现状

1．2．2 砷的生物修复

1．3 小球藻砷代谢研究进展

1．3．1 小球藻对砷的毒性效应

1．3．2 小球藻的砷解毒机制

1．4 氮磷营养对微藻生长和砷代谢的调控

1．4．1 氮磷营养对微藻生长的影响

1．4．2 氮磷营养对微藻砷代谢的影响

1．5 研究内容、目的意义及技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究目的及意义

1．5．3 研究技术路线

第二章 As(Ⅲ)和As(Ⅴ)在蛋白核小球藻中的富集和毒性效应

2．1 材料与方法

2．1．1 试验材料和培养条件

2．1．2 试验设计

2．1．3 测定项目和方法

2．1．4 数据处理

2．2 结果与分析

2．2．1 生物量的测定

2．2．2 As(Ⅲ)对蛋白核小球藻的毒性，

2．2．3 As(Ⅴ)对蛋白核小球藻的毒性

2．2．4 蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸收特性

2．2．5 培养液中的磷含量变化

2．3 讨论

2．4 小结

第三章 蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)富集、代谢的动态变化规律

3．1 材料与方法

3．1．1 试验条件与培养条件

3．1．2 试验设计

3．1．3 测定项目与方法

3．1．4 数据分析

3．2 结果与分析

3．2．1 蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的动态富集过程

3．2．2 蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)形态的动态转化过程

3．2．3 蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸收动力学模型拟合

3．3 讨论

3．4 小结

第四章 不同氮磷浓度对蛋白核小球藻砷富集和转化的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 试验材料和培养条件

4．1．2 试验设计

4．1．3 测定项目和方法

4．1．4 数据处理

4．2 结果与分析

4．2．1 不同氮、磷浓度对蛋白核小球藻生长的影响

4．2．2 不同氮、磷浓度对蛋白核小球藻砷富集的影响

4．2．3 As(Ⅲ)处理下不同氮、磷浓度对蛋白核小球藻胞内砷形态的影晌

4．2．4 As(Ⅴ)处理下不同氮、磷浓度对蛋白核小球藻胞内砷形态的影晌

4．3 讨论

4．3．1 氮、磷营养对蛋白核小球藻生长的影响

4．3．2 氮、磷营养对蛋白核小球藻砷富集的影响

4．3．3 氮、磷营养对蛋白核小球藻砷代谢的影响

4．4 小结

第五章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．1．2 蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)富集、代谢的动态变化规律

5．1．3 不同氮磷浓度对蛋白核小球藻砷富集和转化的影响

5．2 创新之处

5．3 研究展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢