第7卷第6期年12月 环境科学进展水环境中生物膜对污染物环境化学行为的影响王文军 1、2 王文华2 张学林1 徐盈中国科学院长春地理研究所,长春中国科学院生态环境研究中心环 境水化学国家重点实验室,北京中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室,武 汉摘 要本文综述了近年来关于水环境中生物膜对污染物环境化学行为影响的研究成果,包括水环 境中生物膜对污染物的吸附作用,以及生物膜不同组分对污染物的吸附作用。关键词:生物膜 污染物 吸附微生物是自然界产生地球化学变化的主要因素之一1。微生物 的个体小,分布普遍,表面面积大,代谢活动速率极高,并且具有灵敏的生理反应性,遗传的易适应性, 潜在的快速生长速率,以及专属的酶和营养物的多样性,使微生物成为生物圈循环的动力因子。微生 物的生长和生存是地球上元素的生物地球化学循环动力之一,提供了基本的营养物质,维持着生物圈 的其它寄居者生存所需的条件。在土壤、沉积物、海洋、河流、湖泊、地下水中微生物进行的活动 对环境质量、农业和全球气候变化有重要的影响。自然界中大多数微生物组织是以附着状态,而不是以游离状态存在于生长环境中2。微生物附 着到固体基底(Substratum)表面形成生物膜,在水、土壤和生物环境中生物膜的重要性已经逐渐得 到认识。在河流、湖泊等湿地环境的所有固体表面上都有生物膜形成,如岩石和沉积物是地球上微 生物组织的主要载体3。生物膜是一个开放的动力学系统,在这个系统中,各种成分被合成、聚结、 转化、降解,并且随生物膜的脱落进入到水环境中 http:/www.boshilunwen.com/dxwlyxgcslw/ 3-7。在水环境中,污染物的传输、转移和最终归宿可能受到污染物同生物膜的相互吸附作用,以 及生物膜再移动作用的重要影响。原因之一是由于生物膜形成了隔离层,污染物接触到支撑生物膜 的固体基底之前,必须首先到达并且穿过这个隔离层。生物膜在环境中普遍存在,它同污染物的相互作用也普遍发生。颗粒物表面吸附作用在河水中污染物的迁移过程中起着决定性作用。悬浮颗粒物和沉积物不仅 是重要的污染物的汇,也是一种潜在源。在水环境中,绝大部分矿物颗粒表面国家自然科学基金资助 项目中国科学院武汉水生所淡水生态与生物技术国家重点实验室开放基金资助覆盖着有机外壳,它 们将强烈地改变矿物颗粒的吸附行为4。这些有机外壳由腐殖酸物质和生物膜组成。腐殖酸物质 的吸附作用已有相当大量的文献报道。与腐殖酸类非活性基质(Matrix)相比,活性的生物膜积极地 影响着污染物的吸附、解吸和分解,生物膜的吸附行为相当复杂,因为在其中的生物吸附过程之后, 生物体的生理反应是多种多样的5。实际上,河流沉积物中污染物的部分积累是由于微生物外壳的吸附作用。生物膜上重要的吸附 和解吸过程,涉及到河流沉积物中污染物含量的时空变化,是非常复杂的动力学过程。但是,这些过 程对于理解水环境中污染物的汇、负荷和转移却是十分关键的。环境条件的改变能引起微生物种群 及其生理学上的变化。生物膜的脱落以及胞外聚合物基质上结合位的破坏能导致污染物的重新移动 或产生一种新的污染源。一、水环境中生物膜对无机污染物的吸附研究了德国西部的Trier南部地区River Mosel4,该 地区的小型工业和来自唯一农场的废水影响着河流水质。在天然水域,从矿物颗粒或植物表面采集 生物膜样品是不可能的,因为在不改变或干扰它们原始吸附特征的情况下,不能从基底表面分离得到 生物膜外壳。因此使用化学性质为惰性的人工硅酸盐板采集生物膜样品,这种采样板的粗糙度和化 学特征同天然固体表面相似。将硅酸盐板置于河水中近沉积物的表面。生物膜在采样板上发育形成 的滞后时间为几天到几周,采样板在河水中放置5周,如此长的时间使生物膜充分发育形成并且污染 物逐渐在采样板上积累。5周后取回采样板,分析生物膜样品,并且在随后的六个月时间里连续每周 取采样板进行监测。同时在同一地点采集沉积物样品进行分析。生物膜中重金属(铅、铜、锌、铁、锰)的时间变化 特征非常明显。生物膜中锌、铅、铜含量在五月最高,锌、铅、铜含量在六月中旬明显减少。七月, 洪水导致生物膜中重金属含量短期内降低。研究结果表明,生物膜中每种重金属的含量受排入河流的其它污染物质的影响,也受水文动力学条件的影响。生物膜中金属含量变化很大,表明生物膜对金属的吸附不仅依靠被吸附物质的数量而且依靠生 物膜的状态4。生物膜胞外聚合物的羰基和羧基官能团具有很高的吸附重金属的能力。在理论上, 少量的胞外聚合物能结合大量的金属,胞外聚合物的结合力随着金属的特性和微生物组织的状态而 改变。而且,胞外聚合物中各种组分的变化,也影响吸附的变化。不同时期,生物膜中金属达到最大 浓度之后的快速降低表明生物膜从基底的脱落可能也起着重要的作用。同沉积物中金属相比较,锌和铜强烈地富集在生物膜中4。然而,生物膜中铅含量不高,这是由 于不同的富集机制和生物膜的吸附特征所致。夏季,铜含量比铅和锌的含量表现了较慢的变化。5月 河流水位较低时,生物膜基质比较稳定的固着在基底上,生物膜脱落现象较少发生。据此推测,生物 膜影响着沉积物中污染物的含量水平,生物膜对重金属的吸附导致沉积物中污染物含量提高。如果 这种沉积物被再悬浮或者生物膜受外部条件干扰,沉积物就成为潜在的二次污染源。 二、水环境中生物膜对有机污染物的吸附在Marcell Schorer et al.的研究工作中,同时分析 了生物膜和沉积物样品中多氯联苯6期 王文军等:水环境中生物膜对污染物环境化 学行为的影响 (PCBs)和多环芳烃(PAHs)、蛋白质、碳氢化合物、糖醛酸和有机 物质的含量4。生物膜中有机物质的含量比沉积物中高大约3倍。碳氢化合物、蛋白质和糖醛酸的 变化表明了营养提供和群体发育的连续条件变化,以及在取样期间生物量中的变化。沉积物中含量 与其中有机物质和重金属含量有同样的时间变化趋势,但PAHs表现了不同的变化趋势。生物膜中 PAHs和PCBs浓度变化很大,在研究期间的5月到10月,总体上存在一个增高的趋势,10月突然降低。 PAHs单体之间的变化是相似的,但是在详细的结构中能观察到差别。 http:/www.boshilunwen.com/dxtxgcslw/ 生物膜中PCBs浓度变化较小,类似于沉积物的PCBs浓度水平。生物膜中有机污染物的时间行为 同重金属的时间行为不同。然而,对于生物膜与有机疏水性化合物的结合机制和吸附位研究很少4。污染物与颗粒物及溶 液的相互作用依靠分配平衡原理。与沉积物中PAHs相比较,具有较高的分子量和较高分配系数的 PAHs(如苯并?)比较低分子量的PAHs(如灭虫菊)更多地富集在生物膜中。结合比较牢固而且较弱的 微生物分解作用可能是这种现象的原因。八月和九月,生物膜中PAHs和PCBs的高浓度与生物膜的蛋 白质和糖醛酸的高含量相对应,表明了此时的环境条件有利于吸附过程。即微生物活动的提高导致 了生物膜对有机污染物吸附能力的提高。这时生物膜中重金属的含量也最高。10月份所有污染物的 降低不能用一种简单的生物膜脱落过程解释。一种可能的解释是生物膜基质的变化,由于季节的变 化,生物膜基质此时由大量的非活性物质组成。总之,生物膜和沉积物中污染物含量之间的差别是明显的4。由于暴露的时间不同,生物膜的 生长和吸附受到气候和水文条件的影响,生物膜生长的厚度和形态也不同。影响两者吸附的重要因素包括水体中污染物富集的时间,污染物的供给和水体的物理化学条件 (如pH值)。沉积物沉降期间,特别在枯水期,河流沉积物对污染物的富集过程中,沉积物或颗粒物表 面生物膜的吸附作用是一个重要的影响因素。污染物被吸附到沉积颗粒物上的数量不仅依靠特殊的 结合能力或河水中的溶解性污染物,而且极大地受生物膜本身变化的控制。三、生物膜对污染物的吸附速率和分配速率自然环境物质的循环过程中,吸附起着重要的作用。 污染物富集在水体中的悬浮固体或沉积物上,极大地影响了污染物在岩石圈的转移6。最近几年关 于吸附机理方面的研究进展已经促进了对水环境中吸附现象和吸附过程的理解。吸附过程中分子的 行为用吸附平衡和速率描述。水相中的吸附平衡关系溶液组分的疏水性越大,越容易被吸附到固体表面。有机分子的疏水 性能可从亲脂性的基团,如烷烃、芳香基基团和极性基团,或者亲水性基团如羟基和羰基的平衡来判 断。物质的溶解性是亲水性的重要参数之一。基于浓度和平衡吸附量等参数,已经提出了许多不同的表示吸附平衡关系的方程。最简单的方程是Langmuir方程和Freundlich方程它们都包含两个参数。 Langmuir方程从一种均匀的表面吸附和解吸动力学上推导出来方程是比较经验性的,经常用于校正 相关的水相实验数据6。王文军等:水环境中生物膜对污染物环境化学行为的影响 7卷 2生物膜对污染物 的吸附速率和分配速率在John V. Headley et al.的研究工作中3,将生物反应器放置在德国地区 River Elbe无潮汐处,用泵抽河水连续地冲洗反应器。在这些条件下,原始的生物膜由多样性的微生 物菌种发育形成,其类似于存在River Elbe中的悬浮物质上的生物膜。反应器的重要参数,如流速、 营养物浓度、剪应力、pH和微生物的种类被调节到符合自然条件。考虑到混合物之间存在着潜在的 竞争作用,以及同天然河水中溶解的有机物质的组分存在着竞争作用,将成熟的生物膜暴露到八种污 染物的混合溶液中。生物反应器中污染物结合到生物膜的吸附速率常数等于河水中生物膜对污染物 吸附作用的有效速率常数(K)。K主要由K1(吸附到生物膜的速率常数)-K2(从生物膜脱附的速率常数)构 成。吸附和脱附过程同时发生,吸附作用的开始速率比脱附速率大得多。有效的吸附速率K依赖于污 染物的测定值和生物膜的物理-化学特征。反应器用河水冲刷,河水中包含四丁基锡、p,p-DDT、甲基二氯苯氧基苯基丙酸、野麦畏、六丙 体六六六、阿特拉津、甲基对硫磷、乐果八种有机物。第一组实验在每个组分为靏/L含量水平上进 行,第二组实验在每一组分10靏/L含量水平上进行。由于准一级动力学产生的吸附,在最初的5-10分 钟内,除了乐果,其它所有的污染物从水相中快速地消耗掉。总体上,K(10-4min-1)的平均值随污染 物的水溶解度而增加,对于、甲基二氯苯氧基苯基丙酸、野麦畏、四丁基锡、六丙体六六六、阿特 拉津和甲基对硫磷分别为8、70、110、180、230、370和100。logKd值随logKow值线性地增高,并且 随着水溶解度的对数值而线性地降低。总之,Kow值明显地大于Kd的相应值。有关生物膜对杀虫剂吸附方面的机制了解甚少,但已提出了有机污染物的竞争吸附作用类似于 金属的过程6,然而,由于胞外聚合物含有大量的蛋白质,所以可能存在着其它的位置,在杀虫剂的 非极性或亲脂性的区域之间相互作用。因此,除了杀虫剂的溶解度作为溶解的有机物吸附到生物膜 上的一个关键参数,污染物的亲脂性也是一个重要因素。四、生物膜不同组分对污染物的吸附生物膜微环境中,细胞的富集数量在109与1011cells/mL生 物膜质量之间。总的来讲,生物膜主要为水(85%90%,湿重)、胞外聚合物(1%2%,湿重)和缩多氨酸 聚合物。这种胞外聚合物基质是由细菌产生并且使细菌适应在固体表面或者在界面上生长。胞外聚合物基质中镶嵌了绝大多数的生物膜细菌。胞外聚合物在细菌生长和存活方面具有广泛 的功能,包括附着作用、微小群落构成、絮凝物形成、防止重金属、防止细菌被捕食和环境的波动, 对微生物试剂有很强的阻抗作用并决定胞外酶的定位等。研究结果已经表明胞外聚合物的网络结构 非常活跃,例如可以选择性地从环境中结合金属3。 生物膜不同组分对无机物的吸附胞外聚合物对铅的吸附在生物膜反应器系统中,用铅作为一 种模型化合物,研究了在寡营养的淡水环境中微量金属与微生物分泌的胞外聚合物质之间的相互作 用机制