基于FTIR光谱技术研究雨生红球藻对水中六价铬离子的藻类修复作用

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Study on the phycoremediation of aqueous chromium (VI) ion by Haematococcus pluvialis through FTIR spectroscopy

　　

Jinghua Liu|Xuanyi Ren|Zhonghua Wang|Hanping Liu|Chenguang Zhu|Yudi Li|Haoyuan Zhou|Xueqin Liu

中国菏泽市274015，菏泽大学农业与生物工程学院

摘要

利用微藻对废水中的工业重金属离子进行生物修复，因其环保且高效的特点而日益成为一种重要方法。不过不同微藻物种的去除效率及机制存在显著差异。本研究通过开展雨生红球藻三个细胞阶段的低浓度铬（VI）生物吸附与生物还原的批量实验，探讨了重金属去除的相关参数。实验结果表明，绿色营养细胞和黄色中间细胞的铬（VI）耐受阈值均为3?mg/L，低于红色包囊细胞的4?mg/L。为此，通过生化检测全面分析了细胞的生理状态，包括生长速率、色素含量以及细胞形态等。研究发现这些不同的细胞特征与铬（VI）耐受性密切相关。此外，还采用了傅里叶变换红外光谱结合主成分分析的方法，进一步研究了对水溶液中铬（VI）离子的生物吸附和生物还原起作用的虾青素和β-胡萝卜素等藻类细胞成分的变化情况。研究表明，傅里叶变换红外光谱是一种高效可靠的工具，可通过化学计量学方法分析细胞的生理特征，从而阐明重金属离子去除的机制，同时为快速筛选出可用于工业废水重金属污染治理的藻类候选种提供了新的实用策略。

引言

铬是常见且危害严重的污染物，广泛存在于皮革加工、纺织、金属表面处理、电镀、采矿以及染料制造等各种行业排放的废水中。在自然环境中，铬主要以六价（VI）和三价（III）两种稳定氧化态存在，这两种重金属离子在电荷、物理化学性质以及生物化学活性方面存在明显差异。三价铬是一种重要的微量营养素，对维持生物体的正常生理功能起着关键作用。多项研究表明，三价铬在调节哺乳动物新陈代谢过程中不可或缺，尤其是对人类而言，它是维持与碳水化合物、胆固醇、蛋白质和脂质相关的正常代谢过程所必需的微量元素[1]、[2]、[3]、[4]。相比之下，六价铬由于其潜在的致突变性和致癌性，长期以来被认为对公共健康的威胁更大。近几年来，大量研究显示，许多疾病，如小细胞性贫血、肺癌和皮肤癌、肝肾疾病、心脏功能障碍以及胃肿瘤等，都与六价铬的摄入有显著关联[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。

鉴于这些严重的健康风险，有效去除废水中的六价铬，并将其转化为毒性较低的三价铬，已成为消除六价铬对人类生活及自然环境造成的危害的关键措施。目前已有许多传统的铬去除方法，如离子交换、吸附、还原、膜过滤、电凝聚、化学沉淀以及电渗析等。然而，在处理污染物浓度较低的大体积废水时，这些方法往往效果不佳或成本过高。此外，它们还容易产生大量具有二次毒性的污泥，给处置和处理带来很大困难[10]、[11]。在过去的二十年里，利用植物、真菌、细菌和藻类等生物体对六价铬进行生物吸附或生物还原，已被视为替代传统方法、从工业废水中回收金属离子的一种具有潜力且经济可行的方法[12]、[13]、[14]、[15]。

虽然利用真菌和细菌进行金属离子的生物回收能够达到一定的去除效率，但这些微生物需要高成本的有机底物作为预培养物质。而微藻则是光合自养生物，无需外源有机物质。作为水生环境中的主要初级生产者，微藻因其易于培养和采集、较大的表面积与体积比以及较高的金属结合能力，成为极为高效的生物吸附剂。特别是当溶液中出现三价铬时，说明在微藻吸收六价铬的过程中，六价铬很可能会同时被还原为三价铬[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。不过，微藻种类繁多，其去除重金属的能力也差异较大。雨生红球藻是一种淡水绿藻，富含细胞内的虾青素和β-胡萝卜素，这使其具备较强的抗氧化能力和环境适应能力，有助于去除具有强氧化性的六价铬离子。因此，本研究选择该藻种来评估其去除六价铬的效率。此外，还采用了傅里叶变换红外光谱结合多元统计分析的方法，进一步探究重金属去除的潜在机制。

章节节选

藻类培养与生长条件

本研究使用的雨生红球藻菌株（FACHB-712）是从中国科学院淡水藻类培养物库获取的，其在Bold's基础培养基中培养，培养环境的光照周期为12小时光照 followed by 12小时黑暗，温度为25?±?0.5?°C，光照强度为50?μmol光子m^?2·s^?1，培养在带量子PAR光度计的照明培养箱中[21]。该照明培养箱可准确测量光合作用有效辐射强度

雨生红球藻中的虾青素及其生物合成

如图1所示，虾青素是一种红色次级类胡萝卜素，化学分子式为C₄₀H₅₂O₄，分子量为596.84?g/mol，它可在单细胞淡水绿藻雨生红球藻中大量生物合成。β-胡萝卜素在β-胡萝卜素加氧酶和β-胡萝卜素羟化酶的催化下，可作为虾青素生物合成的关键前体。虽然游离态的虾青素仅占5%，但它主要以

结论

雨生红球藻作为一种单细胞绿藻，在胁迫条件下能够积累大量虾青素。雨生红球藻的不同生命周期阶段具有不同的生理特征和色素组成。当与低浓度的六价铬共培养时，雨生红球藻中的虾青素和β-胡萝卜素等细胞色素可能会因六价铬的胁迫而发生改变。这些变化可以通过傅里叶变换红外光谱技术进行分析。通过研究雨生红球藻的傅里叶变换红外光谱振动特征

CRediT作者贡献说明

Jinghua Liu：研究设计、实验开展、数据整理、初稿撰写、正式分析。Xuanyi Ren：实验操作、结果验证、正式分析。Zhonghua Wang：方法设计、结果可视化、数据整理。Hanping Liu：方法设计、软件应用。Chenguang Zhu：实验操作、研究调查。Yudi Li：数据整理、结果可视化。Haoyuan Zhou：概念构建、结果验证、研究调查、资金筹集。Xueqin Liu：概念构建、研究监督、论文修改

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了菏泽大学博士科学基金（XY22BS22，XY22BS23）以及山东省自然科学基金（ZR2025QC402）的资助。