光照强度以及单一或混合重金属（Cr、Cd、Pb）对Thermosynechococcus sp. CL-1（TCL-1）的二氧化碳固定、污染物去除及副产物产生的影响

《Journal of Water Process Engineering》：Influence of light intensity and single or mixed heavy metals (Cr, Cd, Pb) on Thermosynechococcus sp. CL-1 (TCL-1) CO 2 fixation, pollutant removal, and byproducts

TCL-1蓝细菌在光强与重金属胁迫下的碳固定及重金属去除机制研究，发现适度光强（2000 μE/m2/s）促进生长及碳固定，低浓度Cr（0.5 mg/L）呈现轻微促进效应（hormesis），但高浓度Cr或混合重金属（Cr+Cd+Pb）显著抑制生长，生物吸附为主要去除机制，混合重金属提升Cr（0.140 mg/g）、Cd（0.332 mg/g）、Pb（0.882 mg/g）去除效率，藻蓝蛋白产量受Cr浓度负调控。

　　

Birgitta Narindri Rara Winayu|Wan-Yu Chen|Hsin-Ta Hsueh|Hsin Chu

台湾国立成功大学环境工程系，台南70101

摘要

由于光合微生物在污染物存在下的生存能力，其在废水处理中的应用非常广泛。此外，在培养过程中积累有价值的副产品也具有优势。本研究评估了蓝细菌Thermosynechococcus sp. CL-1（TCL-1）在光照强度以及单一（Cr）或混合（Cr、Cd和Pb）重金属存在下的表现。研究了其碳固定速率、重金属去除能力和副产品（脂质、碳水化合物和藻蓝蛋白）的积累情况。较高的光照强度促进了TCL-1的生长和CO₂的固定速率。与无重金属的对照组相比，添加0.5 mg/L Cr作为单一重金属时，TCL-1的表现更好，这可能是由于“激素效应”现象。然而，较高浓度的Cr（VI）或其他类型重金属的混合添加会导致TCL-1性能下降。TCL-1主要通过生物吸附机制去除重金属，这可能与其产生的胞外多糖/EPS含量的变化有关。在2000 μE/m²/s的光照条件下，混合重金属培养介质中Cr、Cd和Pb的去除能力分别提高了0.140、0.332和0.882 mg/g。在重金属暴露的培养过程中，TCL-1产生的脂质和碳水化合物量变化不大；然而，藻蓝蛋白的产生受到Cr含量的显著影响。

引言

光合微生物（如微藻和蓝细菌）的培养适用于废水处理过程[1]。此外，光合微生物还具有碳固定能力，有助于CO₂的还原[2]。光合微生物在碳捕获、污染物去除和营养物质利用方面的高效性，以及其产生的多种高价值副产品，都使其在废水处理中具有可持续性和环保优势[3]。因此，利用光合微生物处理废水在去除污染物和捕获碳方面具有吸引力[4,5]。

光合微生物的性能受光照、温度、污染物等多种因素的强烈影响[6]。不同类型的微生物在碳捕获和污染物去除方面具有各自的能力[7]。由于代谢系统与光合作用过程相关，因此光照条件（如强度、时间和颜色）对微藻和蓝细菌的生长至关重要[8,9]。其他因素如混合系统、温度控制、营养水平、生物反应器类型以及生长条件的设置也密切相关[10,11]。

工业废水可能含有多种重金属，包括Cr、Cd、Pb、Zn、Cu等[12,13]。对含重金属的废水进行充分处理是必要的，以避免对人体健康造成危害，如致癌作用、神经系统干扰等[14]。微藻培养已被广泛用于去除重金属，不同类型的微生物具有不同的亲和力和去除能力[15,16]。单一或混合重金属的存在会对微生物的性能产生多种影响，尤其是对其生长的影响，这取决于细胞的毒性水平和亲和力[17,18]。光合微生物可以通过生物吸附、生物积累和生物降解去除重金属[19,20]。生长条件的设置也会影响光合微生物培养过程中重金属的去除[16,21]。培养系统的温度和pH值可能促进沉淀过程，而光照设置与光降解过程密切相关[22]。

Thermosynechococcus sp. CL-1（TCL-1）是一种从台湾东部温泉中分离出的蓝细菌[23]。已有研究探讨了TCL-1在未消毒猪废水中的营养物质利用[24]、雌激素去除[25]和重金属还原[26,27]方面的能力。TCL-1在CO₂固定以及脂质、碳水化合物和色素（尤其是藻蓝蛋白）的产生方面表现出高效[28,29]。藻蓝蛋白是一类具有强大抗氧化和抗炎作用的蓝色色素，常用于食品工业和分析实验室作为着色剂[30]。

本研究考察了TCL-1在光照强度以及Cr作为单一重金属或与Cd和Pb混合存在下的表现，评估了其生物量增长潜力、CO₂固定速率和重金属去除能力。同时，还研究了胞外多糖的产生、表面功能团和形态，以探讨重金属去除机制。本研究还研究了TCL-1产生的多种有益副产品（包括脂质、碳水化合物和藻蓝蛋白）。因此，本研究能够提供全面的结果。

章节摘录

TCL-1生物量的制备

根据Su等人和Chu等人的先前研究[31,32]，通过一系列预培养阶段制备了足够的、均匀的TCL-1生物量。使用的改良Fitzgerald（MF）培养基成分包括（g/L）K₂HPO₄ 0.039；CaCl₂·2H₂O 0.036；柠檬酸 0.006；EDTA 0.001；Na₂SiO₃·9H₂O 0.058；MgSO₄·7H₂O 0.075；FeC₆H₅O₇ 0.006；以及每升培养基3 mL的微量营养素溶液，具体浓度根据实验需要进行调整

添加单一或混合重金属对TCL-1生物量生长的影响

如图1和表1所示，TCL-1在混合重金属存在下生物量增长有所下降。TCL-1的生物量增长与pH值的升高呈正相关，在最强光照强度（2000 μE/m²/s）下培养10小时后，pH值上升最快。较高的光照强度可能为TCL-1的代谢提供了充足的光能，从而促进了其生长

结论

在不同光照强度和单一或混合重金属存在的情况下对TCL-1进行了评估。较高光照强度促进了TCL-1的生长。此外，培养基中微量Cr的存在也改善了生物量增长，这可能是由于“激素效应”现象。然而，在混合重金属环境中培养TCL-1时，其生长性能下降。

CRediT作者贡献声明

Birgitta Narindri Rara Winayu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，数据验证，资源获取，方法学设计，实验设计，数据分析。Wan-Yu Chen：撰写 – 原稿，数据验证，资源获取，方法学设计，实验设计，数据分析。Hsin-Ta Hsueh：撰写 – 审稿与编辑，实验监督，方法学设计，概念构思。Hsin Chu：撰写 – 审稿与编辑，实验监督，项目管理，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

特别感谢台湾国家科学技术委员会对本研究的财政支持，项目编号为：NSTC 112-2221-E-006-038。