利用本土活性微藻群落快速去除水中的汞，应用于水处理领域

《Chemosphere》：Rapid mercury removal using living indigenous microalgal communities for water treatment applications

本研究系统考察了混合原生微藻（MIMA）对环境浓度（10-100 μg/L）汞的生物修复效能。实验显示其汞去除效率达89-94%，2分钟内快速达到吸附平衡，最大吸附容量0.10 mg/g。SEM、FTIR和XPS表征证实表面物理吸附为主（自由能E=5.00 kJ/mol），同时形成特异性保护膜结构，FTIR显示羟基、蛋白质及碳水化合物参与吸附。值得注意的是，MIMA在营养限制条件下仍保持高活力和汞去除效率，其快速动力学（准二级模型R2>0.996）与表面结构改造（粗糙度增加）直接相关。该研究填补了活体微藻处理环境汞污染的关键空白，为可持续水处理技术提供了新方案。

　　混合原生微藻（MIMA）在水环境中对汞的生物修复潜力研究是一项具有重要意义的环境科学探索。汞污染已成为21世纪最严峻的环境问题之一，对人类健康和生态系统构成严重威胁。汞的毒性、持久性以及其在生物链中的生物累积特性，使其成为全球关注的重点污染物。由于汞的环境影响及其对生物体的毒性作用，开发高效的生物修复技术显得尤为迫切。微藻因其天然的金属吸附能力、高比表面积、丰富的金属结合功能基团以及较低的运行成本，被认为是重金属污染治理的潜在解决方案。

本研究重点探讨了MIMA在环境相关浓度（10–100 μg/L）下对汞的去除能力。实验结果表明，MIMA在所有测试浓度下均表现出高达89–94%的去除效率，且吸附过程的反应动力学非常迅速，仅需2分钟即可达到平衡。在100 μg/L的初始浓度下，MIMA的最大生物吸附容量达到0.10 mg/g。此外，研究还发现，MIMA在暴露于汞3天内仍能保持其活性和去除效率，即使在无营养补充的条件下。这一发现表明，MIMA具有在营养有限环境下的良好适应性，使其成为可持续、高效处理汞污染的候选生物材料。

通过一系列的分析手段，如扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS），研究者揭示了MIMA在汞去除过程中的表面变化和化学相互作用。SEM图像显示，MIMA在汞暴露后表面粗糙度显著增加，而FTIR分析则揭示了羟基、蛋白质和碳水化合物功能基团在汞吸附中的作用。XPS分析进一步证实了汞（II）与含氧基团之间的结合，并通过Hg 4f峰的特征能量（101.78和105.8 eV）确定了汞的存在。光学显微镜观察还发现，汞暴露后微藻细胞周围形成了球形壳状边界，这一现象为细胞与汞之间的即时物理化学反应提供了直观证据。

在实验设计方面，MIMA的培养过程严格遵循可控条件，包括温度（25 ± 2 °C）、pH（7.5）和光照强度（60 μmol photons m?2 s?1），以确保细胞的生理活性。实验采用了一系列的汞去除实验，包括不同初始浓度（10、40、70和100 μg/L）的测试，并通过三重重复实验确保数据的可靠性和可重复性。研究还设计了对照实验，以排除非生物因素对汞浓度变化的影响。实验结果表明，MIMA在所有测试浓度下均表现出良好的去除能力，且其去除效率在营养有限条件下仍能维持较高水平。

从吸附动力学的角度来看，研究采用伪一阶和伪二阶模型对汞去除过程进行了分析。伪二阶模型的拟合效果最佳，其相关系数（R2）超过0.996，表明吸附过程可能涉及更复杂的化学相互作用。吸附速率常数（K?）随初始汞浓度的增加而系统性下降，从767.5到216.0 g/mg·min，这一趋势可能反映了在高浓度下吸附速率的减缓，但去除效率仍保持在较高水平。相比之下，伪一阶模型的拟合效果较差，且其计算出的吸附容量与实验值存在显著差异，这可能与模型假设的单层吸附机制不完全匹配。因此，研究结果支持MIMA的吸附过程主要依赖于物理吸附，但同时也可能涉及二次化学相互作用。

吸附等温线分析进一步揭示了MIMA对汞的吸附机制。其中，Dubinin-Radushkevich（D-R）模型提供了最佳拟合效果（R2 = 0.998），其平均自由能（E = 5.00 kJ/mol）表明吸附主要为物理吸附过程。此外，Freundlich模型的拟合效果也较为理想，其参数（K_F = 121.64，1/n = 1.375，n = 0.727）进一步说明了吸附过程在非均质表面上的进行。这些结果为理解MIMA的吸附行为提供了重要的理论依据，并有助于优化其在实际应用中的表现。

研究还探讨了MIMA在不同汞浓度下的去除性能。实验数据显示，随着初始汞浓度的增加，去除效率显著提高，但吸附容量的增加幅度相对较小。在10 μg/L的初始浓度下，MIMA的去除效率达到89%，而在100 μg/L时，去除效率提升至94%。值得注意的是，MIMA在营养有限条件下仍能维持其去除能力，这表明其在实际应用中可能具有更高的适应性和可持续性。此外，研究还发现，MIMA在汞去除过程中表现出较强的抗毒性能力，能够在3天内保持其活性，这为其在实际环境中的应用提供了有力支持。

从环境和实际应用的角度来看，MIMA的高效汞去除能力具有重要的意义。首先，其在低浓度下的表现（如10 μg/L）表明，MIMA能够有效处理水体中痕量汞污染，这在工业废水处理和自然水体修复中具有潜在价值。其次，MIMA的高去除效率和快速吸附动力学，使其在实际工程应用中具备较高的操作效率，能够减少处理时间并降低运行成本。此外，MIMA在无营养和CO?补充的情况下仍能保持活性，表明其在资源有限的环境修复系统中具有良好的适应性。这些特性使得MIMA成为一种具有广泛适用前景的生物修复材料。

与其他已知的微藻生物修复系统相比，MIMA展现出显著的优势。例如，与Benítez Alvis等人研究的固定化微藻相比，MIMA在没有化学修饰的情况下，能够达到类似的高去除效率（94%），而固定化微藻需要额外的物理或化学处理以提高其吸附能力。此外，与Peng等人研究的矿化微藻相比，MIMA的吸附过程更为迅速，且在不同浓度下均表现出稳定的去除性能。这些结果表明，MIMA不仅具有天然的吸附能力，还可能在某些情况下优于经过人工修饰的微藻系统。

然而，本研究也指出了其存在的局限性。例如，未考虑其他共存离子（如Ca2?、Mg2?、Pb2?）对汞吸附的影响，这些离子在自然水体中普遍存在，可能会影响吸附效率。此外，MIMA在汞去除后的可再生性和重复使用能力尚未进行评估，这在实际应用中是一个重要的考虑因素。未来的研究应进一步探讨MIMA在多离子共存条件下的表现，并评估其在汞去除后的再生能力，以提高其在大规模应用中的可行性。

此外，研究还指出，虽然MIMA的吸附过程主要依赖于物理吸附，但其天然的生物特性可能使其在实际应用中更具优势。相比非生物材料或经过修饰的微藻，MIMA具有更强的生物适应性，能够在多种环境条件下保持活性。其生物活性不仅有助于提高汞去除效率，还可能促进其他环境污染物的去除，从而在更广泛的环境修复应用中发挥作用。

综上所述，本研究为利用自然存在的混合原生微藻进行汞生物修复提供了重要的科学依据。MIMA在环境相关浓度下表现出高去除效率、快速吸附动力学和良好的抗毒性能力，这使其成为一种具有广泛应用前景的生物修复材料。未来的研究应进一步优化MIMA的吸附条件，评估其在复杂环境中的表现，并探索其在不同环境参数（如温度、pH和光照强度）下的适应性。此外，结合统计建模和优化方法，如响应面法或机器学习模型，将有助于更准确地预测MIMA的吸附行为，并为开发高效的环境修复系统提供理论支持。这些研究方向将有助于推动MIMA在实际水体修复中的应用，为解决汞污染问题提供新的思路和技术手段。