淡水单胞藻对砷的吸收、富集与转化行为的模拟实验研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fairycx
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随着人类活动强度的不断加大,水体污染,尤其是湖泊富营养化问题日益突出;与此同时,城市生活与工业废水排放也导致水体砷含量不断上升,城市周边湖泊与河流水体同时受到氮磷和砷的污染。本研究基于现实淡水水体富营养化和砷的双重污染威胁问题,开展室内模拟实验研究。模拟不同磷水平,包括0.02mg/L(低磷)、0.1mg/L(中磷)和0.5mg/L(高磷)和不同砷水平,包括0、400、600、800和1000μg/L条件下,铜绿微囊藻在延缓期、指数增长期和稳定期时对砷的吸收、富集、转化以及从胞内向胞外环境释放砷的规律;同时在固定磷含量(0.1mg/L)和砷含量(800μg/L)培养基中,通过添加不同作用的代谢抑制剂(Cu2+和异噻唑啉酮),浓度水平包括0、0.1和0.3mg/L,使处于指数增长期的铜绿微囊藻、水华鱼腥藻和普通小球藻等三种淡水单胞藻处于不同的代谢水平状态下,研究藻类代谢作用对淡水单胞藻体内砷形态生物转化行为的影响。研究成果期望能为控制富营养化淡水水体的砷健康威胁提供一定的理论参考。主要结果如下:  1、通过研究铜绿微囊藻处于不同生长期时,在外源添加不同磷酸盐和砷酸盐(iAsV)水平条件下,其平均生长速率(№d)、砷吸收量(Asab)、砷富集系数(BCF)、砷转化率(KC)以及砷释放率(Kr)的变化,结果表明:  1)就藻类生长而言,砷处理对铜绿微囊藻生长的影响存在显著的生长期差异性,一方面铜绿微囊藻处于延缓期(生长初期)时,砷处理能显著促进藻的生长,与对照组(CK)相比,砷处理使藻的№d增加21.49%~32.23%,而处于指数增长期(大量繁殖阶段)和稳定期(繁殖后期)时,砷处理显著抑制藻类生长,表明砷对生长初期藻的生长具有促进作用,而对处于大量繁殖阶段(或繁殖后期)的藻具有抑制作用。  指数增长期时,低、中和高磷条件下,不同砷水平μ2d的平均值分别为0.115、0.289和0.285cells/(mL·d),同时稳定期时,分别为-0.192、-0.132和约为0cells/(mL·d),№d大致呈现出随磷浓度增加而增加的趋势,显示磷能够显著削减砷对藻类生长的抑制作用。低磷时,随着砷处理浓度的增加,藻类受抑制程度增长显著,而中磷和高磷时,这种增长趋势不再显著,甚至不出现,说明了磷能削弱藻类生长抑制程度随砷浓度增加而增长的趋势。  2)就藻类吸收砷而言,指数增长期时,低、中和高磷条件下,不同砷处理,藻的砷吸收量Asab的平均值分别为5.065×10-7、6.449×10-8和1.992×10-9μg/cell;稳定期时,相应的Asab分别为1.804×10-7、1.123×10-7和1.669×10-8μg/cell,均表现为Asab随着磷浓度增加而减少的趋势,表明了藻体对砷的吸收量Asab受磷影响,即磷可以显著降低Asab。  3)其他参数方面,铜绿微囊藻在不同生长期时对砷的富集都较小,但砷生物富集系数BCF的生长期差异性尤为显著,表现为稳定期>指数增长期>延缓期,显示出藻体对砷的富集能力随着其繁殖程度增加而增长。相同磷砷条件下,除指数增长期的高磷条件以外,三个生长期之间的砷转化率KC和砷释放率Kr均高于95%,显示藻体可将大部分吸收的五价砷转化为三价砷,并排出体外。除延缓期外,其余两个生长期,磷影响藻的KC和Kr,并呈现出一定的趋势,但方向完全不同,指数增长期时,低、中和高磷条件下,不同砷处理KC的平均值分别为99.90%、99.77%和97.34%,Kr分别为99.41%、99.50%和90.95%,而稳定期时,KC分别为97.90%、99.10%和99.67%,Kr分别为97.75%、98.71%和99.55%,表明藻类大量繁殖阶段磷增加反而削弱藻体对砷的转化和释放,而当大量繁殖后磷增加则促进藻体对砷的转化和释放。  2、在固定磷浓度和砷浓度的培养基中,分别采用Cu2+光合作用抑制剂和异噻唑啉酮酶系统蛋白合成抑制剂研究代谢对处于指数增长期的铜绿微囊藻、水华鱼腥藻和普通小球藻的生长及砷吸收富集、转化及释放的影响,并比较三种淡水单胞藻的差异性。结果表明:  1)对单胞藻的生长及砷吸收富集、转化及释放分析,发现在抑制剂浓度范围(0~0.3mg/L)内,光合作用抑制剂添加只对铜绿微囊藻产生抑制作用,酶系统抑制剂只对普通小球藻产生抑制,然而水华鱼腥藻受到两种抑制剂作用后均无影响。铜绿微囊藻光合作用受抑制时,μ2d随抑制剂浓度增加呈线性降低(负回归曲线P<0.01,可决系数为R2=0.914),而砷吸收Asab却随抑制剂浓度增加呈线性增长(回归曲线P<0.05,可决系数为R2=0.963),但其BCF、KC和Kr随抑制程度增加变化趋势不显著(P>0.05);普通小球藻酶系统受抑制时,№d随抑制程度增加而减小(P<0.05,可决系数为R2=0.999),但其Asab、BCF、KC和Kr随抑制程度增加变化趋势不显著(P>0.05)。以上现象表明不同藻类对不同抑制剂的敏感度不同,铜绿微囊藻光合作用减缓有利于对砷的吸收,但不影响其对砷的富集、转化和释放行为。  2)对比三种淡水单胞藻的Asab、BCF、KC和Kr等参数,发现藻类之间具有显著性差异。表现为:两种抑制剂作用下,铜绿微囊藻在Asab、KC和Kr方面均为最大,而在BCF方面最小,其光合作用抑制剂处理下平均值分别为Asab2.489×10-7μg/cell,KC99.96%、Kr99.90%和BCF0.078%,其酶系统抑制剂处理下平均值分别为Asab2.115×10-7μg/cell,KC99.94%、Kr99.85%和BCF0.131%;普通小球藻的BCF最大,其光合作用和酶系统抑制剂处理下BCF平均值分别为0.264%和0.265%;水华鱼腥藻在Asab、KC和Kr方面均为最小,其光合作用抑制剂处理下平均值分别为Asab1.314×10-8μg/cell,KC79.56%和Kr74.47%,其酶系统抑制剂处理下平均值分别为Asab1.026×10-8μg/cell,KC84.52%和Kr81.16%。上述现象表明铜绿微囊藻能吸收大量的iAsV,并进行转化和释放(主要形态iAsⅢ),体内砷富集量较小,因此铜绿微囊藻将加剧砷对水体的危害;普通小球藻和水华鱼腥藻对砷的吸收、转化和释放能力均小于铜绿微囊藻,同时其对砷的富集能力大于铜绿微囊藻,因此其对水体的危害均小于铜绿微囊藻。
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