胞外聚合物对绿藻吸收无机砷的影响

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藻类自释放胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)对无机砷的生物净化作用有着至关重要的影响。本研究运用无机三价砷AsIII和无机五价砷AsV的短期暴露实验,比较典型绿藻蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa和莱茵衣藻Chlamydomonas reinhardtii的EPS释放量和无机砷吸收量,筛选出蛋白核小球藻作为受试生物,进一步研究蛋白核小球藻对AsIII和AsV的吸收作用以及EPS对藻细胞吸收无机砷的影响,并且通过分析藻细胞表面Zeta电位、EPS释放量及其活性官能团,探讨EPS的影响特征。主要研究结果如下:(1)蛋白核小球藻对无机砷的净化能力显著优于莱茵衣藻,符合Bio-dynamic吸收动力学模型。通过5-300μmol L-1 AsV的暴露实验,发现砷胁迫下蛋白核小球藻的EPS释放量显著高于莱茵衣藻,并且蛋白核小球藻与莱茵衣藻相比显示出更高的砷吸收能力。当AsV暴露浓度为300μmol L-1时,蛋白核小球藻EPS释放量为莱茵衣藻EPS释放量的3.55倍,砷吸收量达到莱茵衣藻的2.29倍。运用表面扫描电镜(SEM),观察到300μmol L-1 AsV暴露24 h的蛋白核小球藻细胞表面没有明显破损现象,然而相同暴露条件的莱茵衣藻细胞表面破裂,进一步证实了蛋白核小球藻较莱茵衣藻更适于净化砷污染水体。蛋白核小球藻对无机砷的吸收量在5-300μmol L-1 AsIII和AsV暴露浓度范围内呈浓度依赖性上升,吸收动力学符合Bio-dynamic模型(R2>0.9515),藻细胞对AsIII和AsV的最大吸收量分别为3.03μmol g-1和3.96μmol g-1。(2)EPS增强了蛋白核小球藻对无机砷的表面吸附。无机砷暴露浓度为300μmol L-1时,含EPS脱除的藻细胞(EPS-F)比EPS的藻细胞(EPS-C),对AsIII和AsV的吸收量分别从2.53μmol g-1和3.96μmol g-1上升至3.63μmol g-1和6.91μmol g-1,对AsIII和AsV的吸附量从分别从236.85μmol g-1和297.39μmol g-1下降到185.13μmol g-1和219.69μmol g-1。EPS-F细胞对AsIII和AsV最大吸附吸收总和与EPS-C细胞相比分别减小了21.15%和24.81%。根据Bio-dynamic模型的吸附吸收动力学拟合结果可知,300μmol L-1AsIII和AsV暴露下EPS-F藻细胞的AsIII和AsV吸附速率常数相比EPS-C细胞减小了32.62%和29.07%,吸收速率常数增加了42.21%和41.90%。进一步分析不同pH条件下藻细胞内砷的形态转化,发现pH 6.0-8.5时EPS-C和EPS-F藻细胞的总砷吸收量均随pH上升而下降。相同pH条件下,EPS-F藻细胞的AsIII氧化、AsV还原和甲基化作用低于EPS-C藻细胞,且EPS-F藻细胞的无机砷平均外排速率高于EPS-C藻细胞,表明EPS有利于胞内无机砷的转化和累积。(3)EPS释放量随藻细胞无机砷暴露浓度增加而增多,藻细胞吸收无机砷的特征影响因子有EPS活性官能团和表面Zeta电位。5-300μmol L-1 AsIII和AsV暴露24 h,蛋白核小球藻EPS释放量随无机砷暴露浓度的增加而显著升高。Pearson相关性分析显示,EPS释放量与AsIII和AsV表面吸附量呈正相关,相关系数为0.972和0.919,表明无机砷暴露升高可促进小球藻EPS释放,并且EPS释放量的增加可以进一步提高对无机砷的吸附作用。运用三维荧光光谱(3D-EEM)、傅里叶红外技术(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS),发现无机砷与EPS相互作用导致EPS中酪氨酸类和色氨酸类物质荧光峰峰值下降63.5%-77.6%,说明酪氨酸类和色氨酸类物质可与无机砷之间形成非荧光类络合物,并且进一步通过活性官能团的定性和半定量技术明确了-COOH、-OH、-NH2为EPS与AsIII和AsV发生相互作用的关键结合位点。蛋白核小球藻表面Zeta电位的结果显示,在pH为6.0、7.0、8.5时,细胞表面Zeta电位随pH增大而显著降低,说明pH的增大导致藻细胞表面负电性增强,这主要归因于EPS去质子化过程。藻细胞表面负电性的增加使得EPS与无机砷的静电作用增强,进而降低了藻细胞对无机砷的吸收作用。
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