藻类与高等植物中植物螯合肽(PCs)的研究进展

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植物中螯合肽物质的研究方法综述

分离得到最多的一种重金属结合肽，是一种富含－ＳＨ的多肽，只等人发明的。能在植物体内形成。植物体内诱导形成植物螯合肽后，通过－－ＳＨ镉螯合肽１９９９年，Ｔｅｎ — ＹａｎｇＹｅｎ等运用ｎａｎｏ－ＥＳＩ－ＭＳ／ＭＳ络合过量的重金属，避免了重金属以自由离子的形式在细胞内循和ＬＣ／ＥＳＩ－ＭＳ／ＭＳ同时检测到ＰＣ和ＰＣ — Ｃｄ的存在，并且第一次环，从而减少了重金属对细胞的伤害。研究报道了植物组织中Ｐｃ — ｃｄ的大小和特性。ＳｔｅｆａｎＤｒｉｎｇ等，多种金属物质比如Ｎｉ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ｈｇ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｂｉ的硝酸１９９９年运用ｍＢｒＢ和ＨＰＬＣ在镉处理的黄瓜幼苗中检测到ＰＣ，盐和硫酸盐或ｓｅ、Ａｓ的阴离子都可以诱导植物螯合肽的产生。植并且通过比较得出运用ｍＢｒＢ和ＨＰＬＣ从植物中检测植物ＰＣｓ是物螯合肽在高等植物中普遍存在，但存在形式与植物种类有关。种快速、可靠、灵敏的方法。
一
２植物螯合肽的结构
植物螯合肽是由谷氨酸（Ｇｌｕ）、半胱氨酸（Ｃｙｓ）、甘氨酸（Ｇｌｙ）３２０ｍｇ／Ｌ）、在２０天龄的紫羊茅（ＦｅｓｔｕｃａｒｕｂｒａＣＶ．Ｍｅｒｌｉｎ）根中分离种氨基酸组成，一般化学式为（＾ｙ — Ｇｌｕ — Ｃｙｓ）ｎ — Ｇｌｙ（ｎ＝２ — １１）纯化了一个铜结合肽。Ｇｒｉｌｌ等人研究发现，某些植物与重金属接触，可以产生一系

烟草植物螯合肽合成酶PCS1基因的电子克隆和序列分析

烟草植物螯合肽合成酶PCS1基因的电子克隆和序列分析作者：付强钟晓武邹颉林世锋郭玉双赵杰宏王轶任学良来源：《江苏农业科学》2014年第06期摘要：为了研究烟草中重金属镉的代谢转运基因，以马铃薯的植物螯合肽合成酶phytochelatin synthases 1（PCS1）基因的全长cDNA序列（GenBank登录号：AJ548472.1）为信息探针，通过电子克隆的方法从烟草栽培品种中克隆到1个植物螯合肽合成酶基因（NtPCS1），并对其进行了序列分析。

序列分析结果：NtPCS1包含完整的开放读码框，编码531个氨基酸，含有2个保守域Phytochelatin_C和Phytochelatin；通过同源比对和进化分析发现，NtPCS1氨基酸序列与番茄PCS1的序列一致性达到85%，与已报道的树烟草NgPCS相比，在N端多出30个氨基酸。

以上结果表明NtPCS1是栽培烟草中新发现的金属镉代谢转运基因。

关键词：栽培烟草；植物螯合肽合成酶；镉转运中图分类号： Q785；S572.01文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0034-04收稿日期：2013-09-11基金项目：贵州省科技厅农业攻关项目（编号：黔科合NY字[2011]3047号）；中国烟草总公司重点项目（编号：中烟办[2010]221号）；中国烟草总公司重大专项（编号：中烟办[2012]146号）。

作者简介：付强（1984—），男，贵州赤水人，博士，助理研究员，主要从事烟草遗传育种与蛋白质组学研究。

E-mail：nesta1984fu@。

通信作者：任学良，男，博士，研究员，研究方向为烟草基因组学。

E-mail：renxuel@。

当环境受到镉污染后，镉便在生物体内富集，并通过食物链进入人体而引起慢性中毒。

镉被人体吸收后，可在人体内形成镉硫蛋白，并选择性地蓄积在肝、肾中，其中肾脏可吸收近1/3，是镉中毒的“靶器官”。

镉在人体内的生物半衰期达到30年之久，往往会引起慢性毒性[1]。

藻类在环境污染治理中的应用及其作用原理

藻类在环境污染治理中的应用及其作用原理集团档案编码：[YTTR-YTPT28-YTNTL98-UYTYNN08]藻类在环境工程中的应用及其作用原理一、引言我国是个多湖泊国家，大于lkm2的天然湖泊有2300余个，湖泊总面积为70988km2，总贮水量为708亿m3，其中淡水贮水量为225亿m3，是我国最重要的淡水资源之一，具有水利防洪、通水供水及气候调节等多种功能，对社会和经济的发展起到了不可估量的作用，是人民生活不可缺少的宝贵资源。

因此，湖泊水资源与我国的经济持续发展以及人民生活休戚相关。

但自70年代以来，随着我国工农业的迅速发展和城镇化进程的加速，工业废水和生活污水排放量日益增加，加之人们环境意识淡薄，将湖泊用作工业废水、生活污水受纳场所和农业灌溉退水的归宿，最终导致了许多湖泊水体污染及富营养化。

2004年《中国环境状况公报》指出，2004年监测的27个重点湖库中，满足II类水质的湖库2个，占7．5％；Ⅲ类水质的湖库5个，占1 8．5％；Ⅳ类水质的湖库4个，占14．8％；V类水质湖库6个，占22．2％：劣V类水质湖库lO个，占37．0％。

其中“三湖”(太湖、巢湖、滇池)水质均为劣V类，主要污染指标是总氮和总磷。

大型湖泊如太湖、巢湖、洪泽湖、洞庭湖、鄱阳湖等因富营养化和水污染严重，导致一些水域已经失去其资源价值，无法利用，且情况仍在恶化，因此湖泊的治理成为当务之急。

目前的污水处理工艺较多，可以根据不同的进水水质和处理要求选择相关的工艺。

这些在工艺上各具特色的处理系统有一个共同的特征，即都需要比较繁杂的设备，较高的日常运行费用，复杂的管理维护操作，并且对微生物生存的环境条件十分敏感。

因此，研究新的污水处理工艺成为必然。

而此时藻类便得到了科学家、学者们的亲睐。

一、藻类的介绍藻类泛指具同化色素而能进行独立营养生活的水生低等植物的总称。

是一类(有些也为，如的藻类）。

主要水生，无维管束，能进行光合作用。

长喙田菁植物螯合肽合成酶PCS1的原核表达及纯化

ＳｎｔｓｌｉｃｒｃｉｏｉｏｓａａｒｓｒａｙｈａｅｎＥｓｈｅｉｈａｃｌｆＳｅｂｎｉｏｔａｔ
ＬＩ — ｉｇ．ＤＥＧｎ — ｕＡｎｒｎ，ＮＱｉｇｙｎ，ＬＩ — ｕｕＤｅｈａ
（ｈｏ．ｆｃｅｅｎｄＢｉｅｈｎｏ【ｙ，ＸｉｏｎＳｃｏｌｏｆＩｉｅＳｉｎｃｓａｏｔｃｏｇａｇａＵｎｖｅｓｔｉｒｉｙ，Ｘｉｏａｎ４３００ａｇ２０，Ｈｕｂｉｅ，Ｃｈｎｉａ）
ＡｂｔａｔＩｒｒｔｂｔｉｕｒｆｅＳｅｂｓｒｃ：ｎｏｄｅｏｏａｎｐｉｉｄｓａｎｉｏｔａａＩｙｏｈＩｔｎｓｎｔａｅａｒｓｒｌｐ１ｔｃｅａｉｙｈｓｌ，ｔｒｋｒｔｅｈｅｐｏａｙｏｉｅｒｓｉｇｖｃｏｘｐｅｓｎｅｔｒｐＡＭ５ｃｎｔｉｉＰＣＳ１ｐｅｅｄｉｒｍｅｗａｃｎｓｒｃｅｂｓｄ６ｏａｎｎｇＳｒｏｎｒａｎｇｆａｓｏｔｕｔｄａｅｏｎｈｔｅｖｃｏｒｐＭＡＬｃｎｄｔａｆｒｅｎｔｃｌｅｔ２ＸａｒｎｓｅｒｄｉｏＥ．ｏｉＢＩ２１（ＤＥ３）ａｎｄｅｔｕｓｏｒｔｉＢＰ— ｒｎｄｉｕｃｈｅｆｉｎｐｏｅｎＭＳ～ＰＣＳ１Ｔｈｕｉｎｐｏｔｉａｈｅｄｎｉｉｄｙｗｅｔｒｏｔｎａｕｒｆｅｈｒｕｇａｔｓ．ｅｆｓｏｒｅｎｗｓｔｎｉｅｔｆｅｂｓｅｎｂｌｔｉｇｎｄｐｉｉｄｔｏｈＭｌｏｅＢｉｄｎｇｃｌｍｎ．ＴｈｅｒｓｔｕｎｉｏｕｅｕｌｓｓｇｇｅｔｄｔａｈｅｓｌｌｒｅｎＭＢＰ— ＰＣＳ１ａｎｃｄｔｘｓｅｈｔｔｏｕｂｅｐｏｔｉＳｒＷｓｉｄｕｅｏｅ～

植物修复重金属污染土壤的机理及其应用前景_王鸣刚

植物修复重金属污染土壤的机理及其应用前景王鸣刚,任小换,刘晓风(兰州理工大学生命科学与工程学院,甘肃兰州730050)摘要:介绍了重金属污染土壤的传统治理方法,论述了重金属污染土壤植物修复的机理及其近年来的研究进展,提出了植物修复技术在今后的应用前景.关键词:植物修复;重金属污染;超累积植物;耐性机理中图分类号:X53文献标识码:A文章编号:1003-4315(2007)05-0108-06T he mechanism and prospects of phytoremediation toheavy metal contaminated soilWANG Ming-gang,REN Xiao-huan,LIU Xiao-feng(College o f Life Science and Eng ineering,L anzhou U niver sity of T echno lo gy,L anzhou730050,China)Abstract:T he tr aditional controlling technolo gies abo ut heavy m etal pollution in soil are intr oduced. The mechanism,r ecent research pr ogress and future dev elo pm ent pro spects of phytor em ediation technolo-g y ar e summ arized in detail.Key words:phy to remediation;heav y m etal pollution;hyperaccumulator plant;m echanism of patience近年来,由于工业迅速发展而导致的土壤污染,不仅造成了土壤耕地的退化,农作物产量和品质下降,而且已开始危及人类的生命和健康.重金属作为一类危害很大的环境污染物,它所产生的污染过程具有隐蔽性、不可逆性、长期性和后果严重性的特点.因此,土壤系统中重金属污染的治理目前是国际性的难题和研究热点.传统的重金属污染土壤的治理方法主要有:淋滤、客土、吸附固定、氧化还原、络合浸提等物理化学方法.这些方法往往投资大,需要设备复杂,只能暂时缓解重金属危害,对土壤性质破坏严重,而且容易造成二次污染,因此其应用受到了限制.因此许多科学家开始探索在不破坏土壤生态环境的情况下治理重金属污染的新途径.1983年,Chaney首次提出了作者简介:王鸣刚(1962-),男,博士,教授,研究方向为植物分子生物学.E-mail:mgw an g@资助基金:福建省自然科学基金(K32118);甘肃省自然科学基金(3ZS042-B25-011).收稿日期:2007-09-25利用某些能够富集重金属的植物来清除土壤重金属的设想.如今已成立了一个全球土壤修复网络,包括北美、拉丁美洲、澳大利亚、非洲、亚洲和欧洲6个区域中心,其核心任务就是利用植物-微生物系统原位治理污染环境,也就是植物修复(Phy to rem ed-i atio n)[1,2].与传统的方法相比,这项技术具有高效、经济和生态协调性等优点,易于被人们接受.植物修复一般分为4种类型:植物固化修复,植物根际过滤技术,植物挥发修复,植物提取修复,即利用重金属富集能力较高的植物的吸收和转运,将土壤中的一种或几种重金属转移并储存到地上部分,随后收获地上部分集中处理.1植物修复重金属污染土壤的机理超积累植物(H yper accumulato r)是指对重金属的吸收量超过一般植物100倍以上的植物.超累积植物对重金属的富集机理的研究近些年来取得了极大的进展,多数研究认为超累积植物对重金属的解毒机理主要包括:植物根部对重金属离子的吸收转2007年10月第5期108~113甘肃农业大学学报JOU R N AL OF GA N SU A GRICU L T U R AL U N IV ERSIT Y第42卷双月刊运,重金属在植物体内的转化、螯合和区室化,以及植物本身的抗氧化系统.许多与这些过程相关蛋白的基因已经被克隆和分离出来.1.1重金属离子的吸收及转运通常把土壤沉积物中重金属的存在形态划分为5类:可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态等,除残渣态外,其它形态的重金属都可以被直接或间接的吸收[3].土壤中的重金属只有转变为可吸收态,才能被植物吸收.如植物能够将体内产生的柠檬酸、苹果酸、尼克酰胺及富含巯基的多肽等次生代谢产物释放到土壤中,与重金属结合而提高其的可溶性,降低其毒性,同时促进根部对重金属离子的吸收[4,5].另外,植物根际土壤中的微生物、原生动物(如蚯蚓)等也可以促进重金属离子向可吸收态转化[6-8].重金属离子需要根部细胞膜上的转运蛋白从根部转运到木质部,它可以根据其与植物必须离子的相似性而进入植物体内.如砷酸盐可以通过磷酸盐转运蛋白进入植物根部,而硫酸盐转运蛋白可以转运硒酸盐[10,11].重金属离子在体内的转运是植物富集重金属的另一个重要的原因,重金属进入细胞质后,可能与有机酸、氨基酸、植物螯合肽(PCs)、金属硫蛋白(M T s)等结合,通过液泡膜上转运蛋白暂时储存于液泡并装载到木质部导管,然后在根压和蒸腾流的作用下,随导管向上运输[12].近年来,超累积植物对重金属的高吸收能力的研究在生理和分子水平有了相当可喜的进展.已确认出许多与重金属吸收相关的基因,一个广泛研究的金属离子吸收转运系统是锌铁转运蛋白(ZRT, IRT-like Proteins,ZIP)[13-15].如从褐蓝菜(T hlas-p i j ap onicum)中克隆出属于ZIP家族ZN T1和ZN T2基因的高效表达与该植物对Zn2+高亲和性的吸收及对Cd2+低亲和性的摄取密切相关[16].Ka-fumi M izuno等[17,18]研究表明,从褐蓝菜中克隆出的T j ZN T1和T j ZN T2基因分别在酵母中表达可以明显提高其Ni2+的耐性,它们对Ni2+的耐受性可达2.0mm ol/L和1.4m mo l/L;T jZNT1蛋白参与Zn2+,Cd2+和M n2+的转运,而TjZNT2蛋白参与Zn2+和Mn2+的转运.IRT1在对Fe3+的吸收过程中是必须的,同时它也能促进植物体高亲和性的对Cd2+和Zn2+的吸收[19-21],若剔除拟南芥I RT1基因则其表现出缺铁和锌的症[22].另一个参与植物吸收金属的蛋白家族是NRAMP(natural resistance asso ciated macro phage proteins,NRAM P).目前已经从细菌、真菌、植物和其他动物中都发现了nr am p相关基因.如从拟南芥中分离出的AtNramp3蛋白参与Fe2+在体内的平衡以及对Cd2+的吸收[23],从褐蓝菜中克隆出的T j N r amp3基因可以参与Ni2+在植物体内的转运[18].其他金属离子吸收转运基因如小麦中的L CT1基因,在酵母中表达可使其对Cd2+和Ca2+吸收活性增强[24].拟南芥的COP T1基因可使酵母Cu2+缺失突变体恢复吸收和转运Cu2+[25].烟草的N tCB P4介导Pb2+吸收的基因[26].汞转运蛋白基因mer T基因所编码的蛋白承担汞和镉离子在细胞内转运的功能,直接影响他们在生物体内的积累[27,40].可见,植物对金属离子的吸收和转运存在多个系统,但对具体某种金属而言,哪一个系统起主要作用还需进行遗传学研究.1.2重金属离子的螯合植物螯合肽(PCs)是一种低相对分子质量富含Cys的多肽,所含的巯基可与镉等重金属形成配体复合物而保护植株免受毒害[28].PCs不是由基因直接编码合成的,而是通过重金属的诱导,在植物螯合肽合成酶(PCS)的催化下,以谷胱甘肽(GSH)为底物合成的.而GSH是在GSH合成酶(g sh2基因编码)的催化下,以甘氨酸(Gly)和C-谷氨酰半胱氨酸为底物合成的.C-谷氨酰半胱氨酸又是在C-谷氨酰半胱氨酸合成酶(gsh1基因编码)的催化下,以谷氨酸(Glu)和Cys为底物合成的[29,30].拟南芥A tP CS1突变株cad1表现为PCs的缺失并对镉的超敏感,而其在叶绿体中表达可以增加其对镉的耐性和累积[29,31],AtPCS1基因在拟南芥叶片中表达可以减轻镉和砷对植物根的毒害作用[9].Zhu等将gsh1基因导入印度芥菜,在Cd2+的诱导下,转gsh1基因植株根和叶中PC含量均比对照增加了近30%,叶中Cd2+的含量增加了40%~90%[31]. Cintia等[32]在烟草(N icotiana tabacum L1)中导入PCs合成酶基因,并在含Cd2+的培养基中使其过量表达,转基因烟草对Cd2+的耐性和累积显著增加,109第5期王鸣刚等:植物修复重金属污染土壤的机理及其应用前景并且可以增加Cd在植株地上部的积累.另外金属硫蛋白(M Ts)也可以与重金属螯合而降低其毒性,MT s是指自然界中普遍存在的低分子量、富含半胱氨酸的多肽.目前也有人认为PC是第三类金属硫蛋白.M a等[33]在重金属耐性植物紫羊茅(F estuca r ubr a cv.Merlin)中克隆到mcMT1基因的全长cDNA,mcMT1基因在酵母MT基因缺失突变株中表达可增加其对重金属Cd2+、Cu2+、Zn2+、Pb2+和Cr2+的抗性.Akiko Ike[34]等研究表明,将M T L4与AtPCS1基因一起导入M esor hi-z obium huakuii中,则其对镉的累积可达到原来的3.5倍,他们还分别用此根瘤菌侵染野豌豆与水稻,与野生型植株相比,转基因植物对镉的累积均有明显的提高.目前已经证实M T基因存在于许多种植物中,但大多数植物对重金属都不表现耐性,因此它们在植物中的表达产物和功能仍然不清楚.1.3重金属离子的区室化吸收到体内的重金属通过隔离(如集中于液泡、胞壁连续区、叶表皮和表皮毛等特殊部位)使细胞免受毒性,从而达到高积累.Kupper,Lasat等[35,36]研究发现,表皮细胞的液泡化促进了Zn的积累,Lasat 的研究还认为,Zn的超累积植物T.caerulescens成熟叶片中的Zn主要积累在表皮细胞,叶肉细胞含量很低,前者比后者高5~ 6.5倍.镉超富集植物印度芥菜表皮毛中的镉含量比叶片组织高43倍,其主要的解毒机制就是把镉贮存在叶片的表皮毛中. Bro oks等[37]对A.ser p y llif olium的组织进行离心分离,发现72%的Ni分布在液泡中.Co nklin等[38]在酵母Sacchar omy ces cer ev isiae 中发现了CDF家族的两个成员Zr c1和Cot1基因,这两个基因过量表达时细胞耐Zn2+和Co2+的能力增强,而当这两个基因发生突变时,则导致细胞对Zn2+的高度敏感.从生理上分析表明,Zrc1和Cot1蛋白是Zn2+区室化相关的蛋白,可以把Zn2+运输到液泡中,从而起到解毒作用.从拟南芥中克隆出来的ZAT基因在拟南芥中过量表达可以提高Zn2+在液泡中的积聚,增加植株对Zn2+的耐受能力[39].酿酒酵母中存在的转运蛋白YCF1可以把植物螯合肽与镉、铅、砷、镉等重金属形成的的复合物运输到液泡中[30].Stepham等[5]将y cf1基因转入不含YCF1转运蛋白的酵母突变株后,表达此基因的酵母在118m mol/L铅和50L m ol/L镉存在的情况下可以正常生长.他们还证明y cf1基因在拟南芥的高效表达使之可以累积更多的重金属,与对照相比,转化植物累积铅和镉的含量分别提高了2倍和1.8倍. 1.4重金属离子的转化某些植物也可以通过改变重金属的存在状态来达到降低其毒性的目的.如某些细菌中存在的有机汞裂解酶(mer B基因编码)在植物中表达可将高毒的甲基汞转化为毒性稍低的H g2+和CH4,在汞离子还原酶(mer A基因编码)的作用下,由NADPH 供应电子,可将H g2+还原为毒性比其低约20%的H g而挥发出去[27,40].细菌的砷酸盐还原酶(Ar s C 基因编码)可将砷酸盐还原为毒性更大的亚砷酸盐.而植物体中的C-谷氨酰半胱氨酸合成酶(C-GCS)可参与合成大量的GSH和PCs,其巯基可与As3+结合而减轻其毒性[40,12].因此,可将细菌A r s C与C-GCS基因一起导入植物体中表达,以增加植物对砷的耐性和累积.1.5抗氧化系统的防御作用重金属胁迫能导致大量的活性氧自由基产生,但植物体内的多种抗氧化防卫系统能够清除氧自由基而保护细胞免受伤害,这个系统包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷光甘肽还原酶(GR)等酶(抗氧化酶)类和抗坏血酸(AsA)、谷光甘肽(GSH)、生育酚(Vit E)等非酶(抗氧化剂)类.SOD的作用是将超氧阴离子自由基(O-2)歧化成H2O2和O2,而CAT和POD进一步将H2O2转化成H2O,从而减少活性氧的伤害.APX和GR是抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统(A sA-GSH循环)的两个关键酶,对于清除H2O2起着重要作用[41]. Dix ix[42]的研究表明,豌豆在浓度为40L mo l/L的Cd中培养7d后,其SOD、CAT、APX的活性都有所增加,豌豆在20L mol/L的Cr培养基中培养7d 后其线粒体中SOD酶的活性比原来增加29%. Lom bardi等[43]报道了桃树的根在100L mo l/L铜胁迫下CAT活性比对照提高了5倍,SOD活性比对照提高了3~5倍.110甘肃农业大学学报2007年2植物修复重金属污染土壤的前景由于植物修复技术绿色环保,社会生态综合效益良好,易为公众所接受,尤其是治理费用比传统技术低一至几个数量级,对重金属污染土壤的治理成效具有永久性.因此,植物修复概念提出后很快成为环境领域的世界性前沿热点研究课题,普遍认为植物修复技术将成为环保领域的朝阳产业.然而,由于该项技术起步时间不长,在基础理论、修复机理及技术方面,还需进行大量研究.植物修复的近期研究工作主要集中于以下几个方面:1)寻找、筛选自然界中累积、超累积植物.经过培育驯化以满足实际应用需要.2)深化应用基础理论研究.如植物对重金属的超量吸收与积累及其解毒机理、根际作用及根际微生物群落的生态学和生理学特征、根际土壤环境条件对重金属的生物有效性制约机理等一系列基础理论问题有待深入研究,以指导基因工程技术、根际土壤处理和调控技术、合理耕作技术的应用.3)应用转基因技术,提高植物修复效率使其实用化.将自然界中超累积植物耐重金属相关的基因移植到生物量大、生长速率快的植物中去,寻找基因工程中特异的启动子,以指导与重金属吸收相关的基因在植物的特定部位表达,使重金属富集在植物的某一部位(如植物的地上部位).4)与传统的修复技术相结合,如:通过改变土壤的微生物环境,向土壤中施用螯合物等措施来提高植物对重金属的吸收效率.5)植物修复的后续处理,当重金属富集到植物后,如何和处理含重金属的植物并回收重金属也是今后需要研究的重点.6)增加田间试验的次数,以往的研究结论多数是由实验室人工实验得出的,而大田生态环境较实验室条件更为复杂,所以,目前实验室的研究成果还暂时不能应用于大田.参考文献[1]Chaney R L,M innie M,L i Y M.P hyto remediation ofso il metals[J].Cur rent Opinio n in Biotechno lo gy,1997,(8):279-284[2]A dr iano D C,W enzel W W,Blumw E H.Role of phy-tor media tion in the establishment o f a g lo bal so il 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基因工程改良植物对重金属污染土壤的修复

生态环境２００４，ｌ３（３）：４０３－４０５ＥｃｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｅｅｓｃｉ．ｃｏｍＥ—ｍａｉｌ：ｅｄｉｔｏｒ＠ｊｅｅｓｃｉ．ｃｏｍ基因工程改良植物对重金属污染土壤的修复邓文靖１，郑海龙２，陈新庚１１．中山大学环境科学与工程学院，广东广州５１０２７５；２．中国科学院南京土壤研究所，江苏南京２１０００８摘要：利用基因工程改良植物，调整植物吸收、运输和富集重金属的能力以及它们对重金属的耐受性，开拓了植物修复的新领域。

到目前为止，已有成功改变这些特性的少数例子。

例如，汞离子还原酶可以改善植物抵抗力和提取能力，金属巯基蛋白可增强植物对镉的耐受力，铁还原酶和铁蛋白可增加植物对铁的吸收量。

文章综述和讨论了这方面的研究进展及方向。

关键词：植物修复；重金属；基因工程中图分类号：Ｘ１７３文献标识码：Ａ文章编号：１６７２．２１７５（２００４）０３．０４０３．０３微生物和植物都拥有多种抑制重金属毒性的机制。

例如，金属活性消失（尤其在真菌中），类似金属巯基蛋白（ＭＴＳ）的金属键联缩氨酸的合成（在蓝绿藻、真菌、植株中），植物螯合（在植株和一些真菌中），液泡中的多价螯合作用（在真菌和植物中），细胞外沉淀和自由金属离子的螯合作用【１’２］ｏ在强重金属富集环境中生活的菌株或生态型物种能异常地进化为对重金属有较高耐受性的物种１３１。

在所有被检测的生物中，主要在细菌中探测到适应耐受性。

适应耐受性通常依靠质粒编码流出系统的存在【１，２１，或依靠金属还原酶活性的存在［４１。

目前还不清楚大部分植物和真菌耐受机制，但有直接证据表明，在ｚｎ和Ｃｄ存在下，液泡间传送物质的速度增加［５】。

已有很多技术用于修复污染土壤，但目前用于修复重金属污染土壤的方法费用昂贵、对环境有潜在危害以及耗费劳力。

发展低成本的且保护人类健康和环境的修复技术是非常必要的。

植物修复技术，引起了人们越来越广泛的重视【６】。

基因工程改良植物为植物修复重金属污染土壤开拓了新的前景。

植物对土壤中重金属的吸收效应研究

植物对土壤中重金属的吸收效应研究在世界范围内，重金属污染已引起社会各界的广泛关注，其防治和修复技术越来越成为实验研究的焦点。

镉污染是最常见的重金属污染之一，在土壤中具有较强的化学活性，与其他重金属相比，更易被植物吸收，存留在植物的可食用部分，并通过食物链富集在人体中，从而危害人体健康。

1955—1972 年，日本富山县的骨痛病就是镉中毒的很好例证，给人们敲响了重金属镉污染的警钟。

据报道，我国受镉污染的农田面积已达20000 hm2，并有逐渐恶化的趋势；另外，土壤重金属镉污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点，这将对农作物生长构成威胁，严重影响我国粮食产量。

植物修复是一种成本低、适应性广、无二次污染的修复重金属污染土地的方法。

然而，目前传统的植物修复方法效率低下。

为了更好地控制土壤重金属污染，恢复生态环境，保障农业可持续发展和人类健康生存，我们迫切需要开发一种高效创新的植物修复方法。

因此，本文研究了植物抗镉的机理和分子机制，为利用植物基因工程技术创造高效的植物修复体奠定基础。

植物受镉的毒害植物镉中毒时，一般情况是细胞和整株植物的生长发育受到强烈抑制，线粒体和叶绿体受到极大破坏，呼吸作用和光合作用受到影响。

叶片变黄，植株生物量减少，干重减少；保卫细胞中水和离子的迁移受到很大影响，导致整个植株缺水萎蔫。

同时，植物细胞膜的通透性增加，体内游离脯氨酸的积累增加，严重时植物死亡。

镉主要影响植物的后续生理代谢。

1.抑制细胞生长和分裂。

镉胁迫抑制细胞分裂和植物生长发育。

实验表明，镉对生长素载体的影响与抑制细胞伸长生长有关。

刘东华在研究镉对洋葱根尖细胞分裂和生长的影响时，发现它通过影响钙调素参与纺锤体微管的组装和拆卸来抑制细胞分裂。

2.抑制植物光合作用。

植物吸收重金属镉后，体内叶绿素合成受抑制，最终导致光合作用受制。

用镉处理处于分蘖期的水稻植株，发现水稻叶片中叶绿素含量明显降低，而且叶绿素a 比叶绿素b 降低得少。

长喙田菁植物螯合肽合成酶PCS2的原核表达及纯化

长喙田菁植物螯合肽合成酶PCS2的原核表达及纯化李安明;邓青云;李德华【摘要】为了获得纯化的长喙田菁(Sesbania rostrata)植物螯合肽合成酶PCS2,以原核表达载体pMAL-c2x为基础,构建了含有SrPCS2开放阅读框序列的原核表达载体pAM57,将其转化表达菌株BL21 (DE3),对融合蛋白的表达进行了优化,通过Western blotting鉴定融合蛋白,并用麦芽糖亲和柱对MBP-SrPCS2融合蛋白进行纯化.结果表明:在15℃下,经0.2 mmol/L IPTG诱导16h可以表达出可溶性的MBP-SrPCS2融合蛋白,通过亲和层析得到了纯化的MBP-SrPCS2融合蛋白,为进一步研究SrPCS2的活性及PCS的催化机制奠定了基础.【期刊名称】《甘肃农业大学学报》【年(卷),期】2011(046)006【总页数】5页(P150-154)【关键词】植物螯肽合成酶;SrPCS2;原核表达;纯化【作者】李安明;邓青云;李德华【作者单位】孝感学院生命科学技术学院,湖北孝感432000;孝感学院生命科学技术学院,湖北孝感432000;孝感学院生命科学技术学院,湖北孝感432000【正文语种】中文【中图分类】Q786植物螯合肽（phytochelatin，PC）是一类由植物螯合肽合成酶（PCS）催化合成的小肽，具有（γ－Glu－Cys）n－Gly的结构，其中n＝2～11［1］，它们可以提高植物对重金属的抗性，以解除重金属对植物的毒害作用，维持细胞内环境中金属离子浓度的相对稳定［2］.自1989年第1次部分分离纯化得到PCS以来［3］，就开始对PCS的催化机制包括其被金属离子的激活过程的研究，但得到的研究结果不尽相同.Cobbett［4］提出保守的 N－末端具有催化活性，酶的激活来自于金属离子与该结构域，可能是半胱氨酸的相互作用，C末端结构域是PCS的重金属传感器，由于该结构域也有很多半胱氨酸，它们首先结合Cd2＋，然后去激活N末端结构域.随后研究人员又克隆到 PCS 基因［5－7］，加速了 PCS催化机制的研究.Vivares等［8］用原核生物蓝细菌的PCS（NsPC）建立了乙酰化条件下的立体结构，同时建立了PCS属于木瓜蛋白酶超家族和其催化机制与半胱氨酸蛋白酶相似的模型；通过比较，他们提出NsPC的Cys70、His183及 Asp201分别对应于 AtPCS1的Cys56、His162与Asp180组成1个类似于木瓜蛋白酶的三联体的催化结构域，突变体的研究表明其中的任何1个对AtPCS1的催化活性都是必不可少的［9］.已有通过原核生物表达PCS基因，研究其催化机制的报导［9－10］.与真核表达系统相比，原核表达系统操作简便，技术成熟，可以在短时间内得到大量重组蛋白.但是在原核生物中表达真核生物蛋白，常常形成包涵体，需要进行复性，但是蛋白质复性工作比较困难，失败的风险较大.作者已通过表达Sr－PCS2的酵母对该基因功能进行了研究［11］.本研究拟通过构建含有SrPCS2cDNA的大肠杆菌表达载体，通过原核表达与纯化得到SrPCS2，为体外研究SrPCS2的活性及催化机制奠定基础.1 材料和方法1.1 菌株和质粒大肠杆菌菌株：大肠杆菌（E.coli）DH5α，BL21（DE3）由本实验室保存.表达载体：pMAL－c2x（BioLabs）与pAM47（作者构建并保存）.1.2 主要试剂各种限制性核酸内切酶和连接酶购自大连宝公司（TaKaRa），Amylose填料、MBP单克隆抗体购自Novagen公司；辣根过氧化物酶标记山羊抗鼠IgG（H＋L）二抗购自Invitrogen公司；硝酸纤维素膜购自Amersham公司；其它为国产分析纯或分子生物学级产品.1.3 MBP－SrPCS2的构建重组表达载体的构建见文献［12］，作者已构建了含有SrPCS2的载体pAM47，BamHⅠ位于Sr－PCS2cDNA起始密码子的前面，XbaⅠ酶切位点在终止密码子的后面，用这2个酶双酶切纯化的产物插入到pMAL－c2x相应位点，构建成重组表达载体pAM57.1.4 重组子的筛选和鉴定将构建好的载体转化E.coll、BL21感受态细胞，抗性筛选后提取重组质粒，用BamHⅠ和XbaⅠ双酶切鉴定经过抗性筛选的质粒.1.5 融合蛋白的表达将检测正确的携带有质粒pAM57及pMAL－c2x的BL21（DE3）对照菌株37℃振荡培养过夜，第2d按1%的比例接种于MBP－SrPCS融合蛋白表达所用的培养基，在28℃摇2～3h至D600为0.6～0.8，加入0.2mmol/L IPTG诱导，不同时间收集1 mL菌，离心收集菌体，用9倍体积的PBS重悬菌体.融合蛋白经SDS－PAGE电泳检测.1.6 重组蛋白 MBP－SrPCS2的 Western blotting检测将已表达的融合蛋白 MBP－SrPCS2样品经SDS－PAGE分离后电转至硝酸纤维素膜上.用封闭液封闭2h后加一抗（在侧摆摇床上缓慢摇动2h，再用洗涤液洗3次）及二抗（在侧摆摇床上缓慢摇动1h，再用洗涤液洗3次），最后荧光显色检测.1.7 MBP－SrPCS2融合蛋白的纯化按前述的条件培养1L的菌液，4 000 g，4℃离心20min收集菌体，加入50mL MBP亲和缓冲液，然后冰浴中超声处理（参数为：1mm探头、工作4s、间隔4s、进行80次），超声处理完毕，4℃，14 000 r/min离心15min回收上清，用0.45μm滤膜过滤，得到可用于过柱纯化的蛋白样品.将体积2mL BioLab公司生产的树脂（Amylose Resin）灌入10 mL的柱子，用8倍体积的MBP亲和缓冲液洗柱，将蛋白样品上柱，控制流速1mL/min，用12倍柱床体积的MBP亲和缓冲液洗柱，再用洗脱缓冲液洗脱，按每管1mL收集开始的10管洗脱液.2 结果与分析2.1 重组表达载体的构建及鉴定将构建好的pAM57转化BL21，提取抗性平板上生长良好菌落的质粒用BamHⅠ和XbaⅠ双酶切鉴定，酶切片段的大小为1 500bp左右，符合预期大小，证明载体的构建是成功的，并且已经成功的导入了BL21（图1）.2.2 MBP－SrPCS2融合蛋白的表达及优化图1 表达载体酶切分析Fig.1 Restriction endonuclease analysis of expression vector对照菌和阳性菌分别于37℃振荡培养，至D600为0.6，加IPTG 至终浓度0.2mmol/L，诱导培养不同时间收集1mL菌液，离心收集菌体，制备样品并进行SDS－PAGE电泳分析.从图2可以看出，所得到的融合蛋白的大小为60ku，SrPCS2编码177个氨基酸，表明已表达出融合蛋白MBP－SrPCS2，诱导3h时的表达量最高.离心收集诱导3h的菌液，加入300μL超声裂解液，经超声破碎，离心后分别取上清和沉淀进行SDS－PAGE电泳（图3），结果表明MBP－SrPCS2融合蛋白在28℃表达主要以包涵体的形式存在.温度是影响大肠杆菌表达蛋白可溶性的主要因素.改变表达的温度，在15℃的条件下，表达16h，离心收集菌体，制备样品并进行SDSPAGE电泳分析，结果表明可以得到可溶性的MBP－SrPCS2融合蛋白（图4）.图2 MBP及MBP－SrPCS2融合蛋白的表达Fig.2 Expression of MBP－SrPCS2and MBP图3 诱导3hMBP－SrPCS2融合蛋白的表达Fig.3 Expression of MBP－SrPCS2after 3hours图4 在15℃经0.2mmol/L IPTG诱导16hMBP与MBP－SrPCS2融合蛋白的表达Fig.4 Expression of MBP and MBP－SrPCS2in E.coil BL21induced with 0.2mmol/L IPTG after 16hours at 15℃2.3 MBP－SrPCS2融合蛋白的检测将15℃条件下表达的样品经SDS－PAGE电泳后，用电转仪将蛋白质转移到硝酸纤维素膜上，进行Western blotting检测，表明经IPTG诱导，在15℃下表达得到了符合要求的蛋白（图5）.2.4 MBP－SrPCS2融合蛋白的纯化图5 MBP－SrPCS2的蛋白印迹分析Fig.5 Western－blot of MBP－SrPCS1按上面的条件用1L的MBP－SrPCS 2融合蛋白表达所用的培养基摇菌，培养基中必须加葡萄糖抑制大肠杆菌宿主菌染色体上麦芽糖酶基因的表达，它表达的产物是一种麦芽糖酶，能够降解麦芽糖亲和填料.16h后离心收集菌体，制备样品按照麦芽糖亲和层析柱的说明进行纯化，1mL每管收集洗脱样品，取10μL进行SDS －PAGE检测.从图6可以看出表达蛋白得到了初步的纯化，纯化的蛋白中主要是目的蛋白，集中在前3管中.图6 MBP－SrPCS2的纯化Fig.6 Purification of MBP－SrPCS13 讨论尽管大肠杆菌表达系统在表达真核基因时，表达后的蛋白质加工过程不同于真核生物，但大肠杆菌是第1个用于重组蛋白生产的宿主菌，它不仅具有遗传背景清楚、培养操作简单、转化效率高、生长繁殖快、成本低廉、可以快速大规模地生产目的蛋白等优点，而且其表达外源基因产物的水平远高于其它基因表达系统，成为基因工程中主要应用的表达系统［13］.但许多外源蛋白在细菌胞内是以包涵体形式表达，需经过变性、复性等复杂过程才能重新折叠成具有活性的可溶性蛋白质.因此如何在大肠杆菌中高效表达可溶性外源蛋白质，仍引起研究者们的关注.PCS是重金属的强螯合物，有助于重金属尤其是Cd2＋在液泡中的累积［14］.它们是以GSH或者含有巯基的相关蛋白为底物，在植物螯合肽合成酶的催化下合成的.将目的蛋白在大肠杆菌内高效表达，从而获得大量、高纯度且具有生物活性的目的蛋白是体外研究酶活性的重要方法.本研究选择MBP融合表达体系是因为MBP作为原核生物的组成蛋白，具有与分子伴侣相似的功能，可以辅助外源蛋白质在大肠杆菌细胞内的正确折叠［15］.而且也有试验证实，通常表达系统中只能以包涵体形式表达的许多蛋白质，在MBP融合表达体系中则能以可溶性形式表达［16－17］.同时，利用支链淀粉亲和层析，可以很方便地将融合蛋白从细菌裂解液中纯化出来.本研究在28℃诱导表达的融合蛋白MBP－SrPCS2，虽然表达量很高，但是绝大部分都是包涵体沉淀，可能是PCS蛋白本身含有较多的Cys残基，蛋白质合成速度太快，以至于Cys残基上琉基间二硫键的错误形成提高了蛋白本身错误折叠的机率［18－19］，而把诱导温度降至15℃时，可以明显提高可溶性目的蛋白的含量，并且表达水平较高，表明诱导温度可影响原核表达蛋白质的可溶性.经Amylose亲和层析得到了纯化的MBP－SrPCS2，为进一步研究其催化活性及PCS的催化机制奠定了基础.参考文献［1］Rauser W E.Phytochelatins and related peptides：structure，biosynthesis，and function［J］.Plant Physiol，1995，109（4）：1141－1149［2］Cobbett C S，Goldsbrough 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formation［J］.Science，1991，253（5015）：54－58。

多肽与植物螯合素

多肽与植物螯合素多肽是由短链氨基酸通过肽键连接而成的分子，广泛存在于生物体中，参与各种生物学功能，包括作为信号分子、激素、酶和抗体等。

在农业领域，多肽因其生物活性而被用作生物刺激剂，促进植物生长和增强植物对逆境的抵抗力。

植物螯合素（Phytochelatins，简称PCs）是一种由谷胱甘肽（Glutathione，简称GSH）通过γ-谷氨酰胺键缩合形成的低分子量肽。

它们的一般结构公式为（γ-Glu-Cys）n-Gly（n=2-11），其中γ-Glu表示γ-谷氨酸，Cys表示半胱氨酸，Gly表示甘氨酸。

植物螯合素在植物体内主要起到螯合重金属离子的作用，帮助植物抵抗重金属毒性。

多肽与植物螯合素都具有与金属离子结合的能力，但是它们的来源、结构和功能有所不同。

1. 来源：多肽可以从多种生物源提取，包括微生物、动植物等。

而植物螯合素主要在植物细胞内合成，尤其是在受到重金属胁迫时，植物会大量合成植物螯合素以减轻重金属的毒害。

2. 结构：多肽的种类繁多，长度和序列可变，这决定了它们具有多样的生物活性。

相比之下，植物螯合素的结构相对简单，主要由重复的γ-谷氨酰胺-半胱氨酸单元组成。

3. 功能：多肽的功能依赖于其序列和三维结构，可以作为信号分子调节植物生长发育，也可以直接作为营养物质被植物吸收利用。

植物螯合素则主要作为螯合剂，与重金属离子形成稳定的螯合物，降低这些离子的毒性，并有助于其在植物体内的转运和分布。

在农业实践中，多肽和植物螯合素都被认为具有促进植物生长和增强植物抗逆性的潜力。

例如，它们可以通过提高植物对干旱、盐害、重金属等逆境的耐受性，来增加作物产量和质量。

此外，它们也可以作为生物肥料的一部分，提高肥料利用率，减少化学肥料的使用。

在应用这些物质时，需要考虑到它们的来源、纯度、浓度以及与植物相互作用的具体机制，以确保其安全有效地应用于农业生产中。

烟草中重金属的分布·影响及控制措施

烟草中重金属的分布影响及控制措施赵明香;保志娟【摘要】The distribution of heavy metals in tobacco was introduced, including heavy metal absorption pathways in tobacco, distribution of heavy metals in different organs,growth stages and leaf positions,the distribution of heavy metals in tobacco plants,the effects of varieties and geographical factors on the accumulation of heavy metals in tobacco.The effects of heavy metals on tobacco were analyzed, including the effects on seed and mesophyll cell structure, the effects on tobacco enzyme system, the effects of photosynthesis and carbon and nitrogen me-tabolism on tobacco growth and development,yield and quality.Finally,the control measures were put forward from aspects of the remediation of contaminated soil, agronomic measures, and biological engineering technology.%介绍了重金属在烟草中的分布,包括烟草中重金属的吸收途径,重金属在不同器官、生育期和叶位间的分布,重金属在烟株内的形态分布、品种和地域因素对烟草累积重金属的影响.分析了重金属对烟草的影响,包括对种子和叶肉细胞结构的影响、对烟草酶系统的影响、对烟草光合作用和碳氮代谢的影响、对生长发育及产质量的影响.最后从修复污染土壤、农艺措施、生物工程技术几方面提出了控制措施.【期刊名称】《安徽农业科学》【年(卷),期】2018(046)007【总页数】4页(P30-32,102)【关键词】重金属;烟草;分布;影响;控制措施【作者】赵明香;保志娟【作者单位】云南农业大学烟草学院,云南昆明650201;云南农业大学烟草学院,云南昆明650201【正文语种】中文【中图分类】TS41+1重金属污染主要指Hg、Cd、Pb、Cr及类金属As等生物毒性显著的元素污染。

植物对重金属污染的生理适应机制研究与应用

植物对重金属污染的生理适应机制研究与应用在当今的环境中，重金属污染已成为一个严峻的问题。

随着工业的快速发展、采矿活动的增加以及农业中化学物质的不合理使用，大量的重金属如镉、铅、汞、铬等进入土壤、水体等生态系统，对生物的生存和生态平衡构成了严重威胁。

在这一背景下，深入研究植物对重金属污染的生理适应机制不仅有助于揭示植物的生存策略，还为环境污染的治理和生态修复提供了重要的理论基础和实践指导。

植物在长期的进化过程中，形成了一系列复杂而精妙的生理适应机制来应对重金属的胁迫。

首先，植物可以通过细胞壁的吸附和沉淀作用来限制重金属进入细胞内部。

细胞壁作为植物细胞的第一道屏障，其主要成分如纤维素、半纤维素和果胶等富含带负电荷的官能团，能够与重金属离子结合，从而减少重金属向细胞内的运输。

细胞膜在植物抵御重金属污染方面也发挥着关键作用。

细胞膜上的转运蛋白可以调节重金属离子的吸收和排出。

例如，一些阳离子转运蛋白可以将过量的重金属离子排出细胞，以维持细胞内的离子平衡。

同时，细胞膜的脂质组成和流动性也会影响其对重金属的通透性，从而间接影响植物对重金属的耐受性。

植物体内的抗氧化系统在应对重金属胁迫时也会被激活。

重金属离子会诱导植物体内产生活性氧（ROS），如超氧阴离子、过氧化氢和羟基自由基等。

这些活性氧物质如果大量积累，会对细胞造成氧化损伤。

为了消除活性氧的危害，植物体内的抗氧化酶系统，包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等会协同作用，将活性氧转化为无害的物质。

此外，非酶类抗氧化物质，如抗坏血酸、谷胱甘肽等，也能够直接清除活性氧，保护细胞免受氧化损伤。

植物还可以通过螯合作用来降低重金属的毒性。

植物体内的一些有机物质，如金属硫蛋白（MTs）和植物螯合肽（PCs），能够与重金属离子结合形成稳定的复合物。

这些复合物被隔离在液泡中，从而减少了重金属对细胞内重要细胞器和生物大分子的损伤。

重金属进入植物细胞后，还会影响植物的基因表达和蛋白质合成。

微藻修复水体中重金属的机理

3.微藻修复水体中重金属的机理微藻修复水体中重金属的机理实为微藻对重金属的生物吸附。

3.1其主要过程：胞内的结合与沉淀胞外的吸收与转化1）微藻细胞内的金属络合物研究表明，重金属能诱导高等植物合成螯合重金属的蛋白，同超富集高等植物一样，金属硫蛋白（MT）、植物螯合肽（PC）等重金属结合蛋白也陆续在藻类中发现.藻类通过诱导产生金属络合物把有害的离子形式转变为无害的蛋白结合形式，从而能够耐受环境中的重金属。

（藻类中也含金属硫蛋白（MT）、植物螯合肽（PC）等重金属结合蛋白，将有害的离子形式转变为无害的蛋白结合形式，）2）胞外产物的吸附作用除了细胞壁的特殊结构外，藻类通常还会向周围水体中排泄或分泌大量有机物藻酸盐，藻类胞外产物主要由糖类、果胶质等大分子物质组成•与细胞壁内的有机物一样，该胞外产物也能络合金属离子，即通过与重金属形成缔合物或络合物，附着在群体细胞的胶质外鞘上被改变形态，使金属离子不能进入细胞内部，从而降低污水中游离态的重金属离子含量，实现解毒功能。

（藻类胞外产物：藻酸盐。

与重金属形成缔合物或络合物，附着在群体细胞的胶质外鞘上被改变形态，使金属离子不能进入细胞内部，从而降低污水中游离态的重金属离子含量。

藻酸盐是由B -D甘露糖醛酸(M)及a -L -古洛糖醛酸(G)两种酸性单糖无序排列的线型缩合高聚物。

其中所含的羟基、氨基、羧基等在络合中起重要作用。

COGHCa) 露糖醉残墓(M)HO(b) a-L^古洛糖醛酸残基(G))表面络合作用32物理化学作用:离子交换氧化还原微沉淀物理吸附1)微藻细胞结构与功能的相适应性：①藻类细胞壁是由纤维素、果胶质、藻酸铵岩藻多糖和聚半乳糖硫酸酯等多层微纤维组成的多孔结构(有利于物理吸附)，具有较大的表面积。

②细胞壁上的多糖、蛋白质、磷脂等多聚复合体给藻类提供了大量可以与金属离子结合的官能团（如氨基、硫基、巯基、羧基、羰基、咪唑基、磷酸根、硫酸根、酚、羟基、醛基和酰氨基等）这些官能团能合理排列在具有较大表面积的藻类细胞壁上，与金属离子充分接触.其中有些可以失去质子而带负电荷，靠静电引力吸附金属离子进行离子交换；有的带孤对电子，可与金属离子形成配位键而络合吸附金属离子。

藻类在环境污染治理中的应用总结归纳及其作用原理

精心整理藻类在环境工程中的应用及其作用原理一、引言我国是个多湖泊国家，大于lkm2的天然湖泊有2300余个，湖泊总面积为70988km2，总贮水量为708亿m3，其中淡水贮水量为225亿m3，是我国最重要的淡水资源之一，具有水利防洪、通水供水及气候调节等多种功能，对社会和经济的发展起到了不可估量的作用，是人民生活不可缺少的宝贵资但自70年代以来，量日益增加，加之人们环境意识淡薄，2004年《中国环境状况公报》指出，20042个，占7．5％；Ⅲ类水质的湖库5个，占1 8．56个，占22．2％：劣V类水质湖库lO个，占37．0V类，这些在工艺较高的日常运行费用，复杂因此，研究新的污水处理工艺成为必然。

一、藻类泛指具同化色素而能进行独立营养生活的水生低等植物的总称。

是原生生物界一类真核生物(有些也为原核生物，如蓝藻门的藻类）。

主要水生，无维管束，能进行光合作用。

体型大小各异，小至长1微米的单细胞的鞭毛藻，大至长达60公尺的大型褐藻。

一些权威专家继续将藻类归入植物或植物样生物，但藻类没有真正的根、茎、叶，也没有维管束。

一些藻类与其他真核生物一样有细胞核，有具膜的液泡和细胞器(如线粒体)，大多数藻类於生活过程中需要氧气。

用各种叶绿体分子(如叶绿素、类胡萝卜素、藻胆蛋白等)进行光合作用。

地球上的光合作用90％由藻类进行，据信在地球早期的历史上藻类在创造富氧环境中发挥重要作用。

藻类植物的种类繁多，目前已知有3万种左右。

藻类分布的范围极广，对环境条件要求不严，适应性较强，在只有极低的营养浓度、极微弱的光照强度和相当低的温度下也能生活。

不仅能生长在江河、溪流、湖泊和海洋，而且也能生长在短暂积水或潮湿的地方。

从热带到两极，从积雪的高山到温热的泉水，从潮湿的地面到不很深的土壤内，几乎到处都有藻类分布。

大多数藻类都是水生的，有产于海洋的海藻；也有生于陆水中的淡水藻。

在水生的藻类中，有躯体表面积扩大（如单细胞、群体、扁平、具角或刺等），体内贮藏比重较小的物质，或生有鞭毛以适应浮游生活的浮游藻类；有体外被有胶质，基部生有固着器或假根，生长在水底基质上的底栖藻类；也有生长在冰川雪地上的冰雪藻类；还有在水温高达80℃以上温泉空间。

藻类富集重金属的特点及其应用展望_陆开形

藻类富集重金属的特点及其应用展望*陆开形1,2唐建军2蒋德安2**(1宁波大学生命科学与生物工程学院,宁波315211;2浙江大学生命科学学院,杭州310029)=摘要> 以藻类植物为主要对象的水体重金属修复已成为环境科学领域的研究热点.由于其特殊的细胞壁结构、较高的重金属富集能力、简便的解吸附方法等特点,藻类被认为是理想的生物吸附材料.文中简述了藻类适宜高富集重金属的结构及代谢特点,包括具有较高富集重金属能力的细胞壁功能基团、胞外产物、细胞内重金属螯合蛋白,以及生活藻类、死亡藻体及固定化处理后所表现出的高富集能力及简便的解吸附方法等,并对其用于污染水体修复的优缺点及应用趋势进行分析.关键词藻类重金属生物富集生物修复文章编号 1001-9332(2006)01-0118-05 中图分类号 Q647.3,Q 949;X 75,X835 文献标识码 A Characteristics of heavy metals enrichment in algae and its application prospects.L U K aix ing 1,2,T A NG Jian -jun 2,JIAN G De .an 2(1School of L if e Science and Biotechnology ,N ingbo Univer sity ,N ingbo 315211,China;2College of Lif e Sciences ,Zhej iang Univer sity ,H angz hou 310029,China).-Chin.J.A pp l.Ecol .,2006,17(1):118~ing algae to bio -remedy heavy metals -contaminated waters has become an available and practical approach for environ -mental restorati on.Because of its special cell wall structure,high capacity of heavy meta -l enrichment,and easy to desorp -ti on,algae has been consider ed as an ideal biological adsorbent.T his paper briefly introd uced the structural and metabolic characteristics adapted for heavy metals enrichment of algae,including functional group s on cell wall,ex tracellular prod -ucts,and intracellular heavy metal s -chelating proteins,discussed the enrichment capability of living,dead and immobilized algae as well as the simple and convenient ways for desorption,and analyzed the advantages and disadvantages of using algae for bioremediation of polluted water ,and its application prospects.Key words A lgae,Heavy metal pollutio n,Bioenr ichment,Bioremediation.*国家自然科学基金项目(39970440)、浙江省科学技术协会国际合作项目(200401)和宁波大学基金资助项目(200599).**通讯联系人.2005-02-21收稿,2005-07-13接受.1 引言随着人类活动的加剧,各种人类生产生活活动向环境中释放的重金属量(离子或化合物)日益增多,严重污染了土壤和水体,给环境和人类健康造成极大危害.关于土壤重金属污染及其生物修复的研究较多[2,2,51],而对水体重金属污染生物修复的研究相对较少.除可利用水生维管植物修复重金属污染的水生态系统外[53],低等的藻类植物由于个体小、生长速度快、代谢迅速、吸附作用快、净化效率高等特点,对水体重金属污染的修复也具有较好应用前景.与其它生物修复方法相比,利用藻类修复重金属污染水体具有投资小、针对性强、吸附量大、污染小、效率高等特点,而且可以选择性去除低浓度重金属,尤其是低浓度及一般方法不易去除的金属,具有显著而独特的环境生态效益.用于生物修复的藻类应具有以下特点:对重金属有较强的耐性;足够的生物量;较强的富集能力;简便的解吸附方法等.本文从藻类吸附重金属的特点,高吸附性能及简便的解吸附方法等方面进行简述,并分析藻类生物修复技术的优缺点及今后的发展趋势.2 藻类植物吸附重金属的内在机制211 结构基础藻类细胞壁是由纤维素、果胶质、藻酸铵岩藻多糖和聚半乳糖硫酸酯等多层微纤维组成的多孔结构,具有较大的表面积.同时,细胞壁上的多糖、蛋白质、磷脂等多聚复合体给藻类提供了大量可以与金属离子结合的官能团(如氨基、硫基、巯基、羧基、羰基、咪唑基、磷酸根、硫酸根、酚、羟基、醛基和酰氨基等)[22],这些官能团能合理排列在具有较大表面积的藻类细胞壁上,与金属离子充分接触.其中有些可以失去质子而带负电荷,靠静电引力吸附金属离子;有的带孤对电子,可与金属离子形成配位键而络合吸附金属离子.同时,细胞壁上还带有一定电荷和粘性,更增加了其对金属离子的吸附能力.在所有官能团中,以多糖提供的羧基最为重要[40].褐藻之所以比其它藻类有更高的重金属吸附性能就是由于其细胞壁多糖的主要成分藻酸盐能提供大量的羧基基团[9],该藻酸盐和岩藻依聚糖对重金属的螯合起主要作用[10].研究发现,多糖在藻类细胞壁中的含量相对较高.如在螺旋藻(Sp ir ulina sp.)中,多糖是除蛋白质外的第二类主要组分,在盐泽螺旋藻(S.sabsalsa )中含量达18%~23%,在钝顶螺旋藻(S.p latensis )和极大螺旋藻(S.max am )等藻株中含量占6%~9%[50].小球藻(Chlor ella sp.)细胞壁含24%~74%(m #m -1)的多糖,2%~16%(m #m -1)的蛋白质和1%应用生态学报 2006年1月第17卷第1期 CHIN ESE JO UR NAL OF A PPL IED ECOLO GY,Jan.2006,17(1)B 118~122~24%(m#m-1)的糖醛酸[49].大量研究表明,藻类细胞壁上的功能基团对提高藻类的重金属吸附性能起主要作用.Dav i s等[10]通过对马尾藻(Sar gassum sp.)藻酸盐多聚糖的提取、纯化发现,影响重金属吸附的主要因素是藻酸盐的含量和组成,其中糖醛酸残基起主要作用.Yun等[54]发现,马尾藻对镉的高吸附能力是由于其细胞壁上的羧基和磷酸基团起主要作用,它们分别通过离子交换和配位反应作用于重金属.Raize等[39]通过对非活性马尾藻细胞壁上结合重金属的主要成分)))褐藻酸和硫酸多聚糖等的研究发现,该藻对金属阳离子的吸附是一个表面过程,起主要作用的化学基团有羧基、氨基、巯基、磺酸酯等,分别通过螯和、离子交换、还原反应等起作用.Sheng 等[41]发现马尾藻、团扇藻(Padina sp.)显示出较高的重金属吸附能力,主要是由于细胞壁表面的羧基、乙醇基、氨基的作用.Garden等[13]通过对5种不同藻类的研究发现,当把细胞壁中的羧基脂化后,它们对Cu2+与Al3+的吸附能力显著下降.Chojnacka等[4]用化学方法对螺旋藻细胞表面的主要官能团进行修饰后发现,该藻失去了对重金属的吸附能力.李建宏等[26]在对极大螺旋藻富集重金属的机理研究中比较了藻体与细胞外壁多糖对Co2+、N i2+、Cu2+、Zn2+的吸附量后发现,多糖的吸附量为藻体的8倍左右,从而认为藻细胞对4种离子的吸附主要是多糖的作用.赵玲等[57]通过对海洋原甲藻(Pr ar ocentr um micans)吸附重金属离子的研究发现,从原甲藻中分离出来的多糖对金属的吸附量是藻体对金属吸附量的5倍,认为海洋原甲藻对金属离子的吸附主要在于多糖的作用,其中-OH和-CONH2基是吸附的活性中心. 212代谢基础21211胞外产物的吸附作用除了细胞壁的特殊结构外,藻类通常还会向周围水体中排泄或分泌大量有机物(胞外产物),藻类胞外产物主要由糖类、果胶质等大分子物质组成.与细胞壁内的有机物一样,该胞外产物也能络合金属离子,即通过与重金属形成缔合物或络合物,附着在群体细胞的胶质外鞘上被改变形态,使金属离子不能进入细胞内部,从而降低污水中游离态的重金属离子含量,实现解毒功能.研究表明,许多蓝藻胞外具有由多糖组成的胶鞘、胶被或粘液[12],有些藻类在培养过程中能分泌多聚糖,这些多糖是一些复杂的阴离子络合物,其中约80%含有6~10种多糖, 90%含有一种或更多的糖醛酸,这些胞外多糖能与重金属络合[11].聂国朝[33]研究发现,重金属Cd能刺激丝藻分泌细胞外聚合物,且生物膜去除水中Cd的效率与藻菌生物膜(丝藻与细菌共生体)胞外多聚糖的含量几乎是线性相关,由此认为多聚糖可能是丝藻分泌的胞外聚合物的主要成分.在考虑胞外产物分泌的同时,还应充分利用细菌的降解作用,通过加强菌藻共生研究提高生物修复的效率.21212藻细胞内的金属络合物研究表明,重金属能诱导高等植物合成螯合重金属的蛋白[53],同超富集高等植物一样,金属硫蛋白(M T)、植物螯合肽(PC)等重金属结合蛋白也陆续在藻类中发现.藻类通过诱导产生金属络合物把有害的离子形式转变为无害的蛋白结合形式,从而能够耐受环境中的重金属污染.目前,对不同金属对植物的诱导结果还存在一些差异和不同观点.如T suji等[45]认为,尽管Cd诱导高等植物产生的P C量要多于Zn诱导产生的量,但Zn诱导海洋绿藻杜氏藻(D unaliella ter tiolecta)产生的PC要多于Cd; M orelli等[32]发现三角褐指藻(Phaeodactylum tricor nutum)受Zn胁迫后,尽管藻体内的Zn含量有所升高,但不能诱导合成P C;T ur ner等[46]发现,Zn、Cd能诱导蓝藻内源M T的表达,而Cu没有这种效应;杨玉红等[56]从Cd处理过的蛋白核小球藻(Chlor ella py renoidosa)和斜生栅藻(Scenedesmus obliq uus)细胞可溶性成分中分离到Cd结合蛋白,而无镉处理的细胞中没有,该蛋白的形成使Cd以无毒形式存在; Gekeler等[14]从重金属胁迫的水藻中分离到PC.至于PC产生的机理,不少研究发现重金属-PC复合物的形成与一些含-SH基团的多肽有关.Pawlik等[36]首次证明了谷胱甘肽(G SH)与As具配位作用,他们发现As能诱使绿藻杆裂丝藻(Stichococcus bacillar is)产生PC,藻体内的A s可与PC、GSH 的-SH基团形成各种复合体;Sato fuka等[43]为研究植物受Cd处理后通过PC的哪个化学基团与Cd形成复合物从而达到解毒作用,用化学方法合成一些富含Cys的多肽进行研究,结果发现,其中的-SH、-OH对重金属多肽复合物的形成起重要作用;T suji等[45]认为,Zn促进杜氏藻产生PC的原因可能是Zn通过刺激活性氧(ROS)的产生间接激活C-谷氨酰半胱氨酸合成酶(C-ECS)和谷胱苷肽合成酶(GS),从而促进GSH的合成,最终诱导P C的合成;P aw lik等[37]也发现,杆裂丝藻在吸收P b的过程中促进了富含-SH基多肽的合成,如PC、GSH,但把藻转到无Pb培养基后大约90%的多肽消失了,显示出藻类对毒性重金属的严密的调控功能,同时也说明PC和G SH是藻类在受到铅胁迫时的主要防御措施.3藻类对重金属的高富集能力311生活藻类具有修复能力的藻类应具备以下特点:既要有较强的重金属富集能力,又要对重金属有较高的耐受性和较大的生物量.大量研究表明,藻类对许多重金属表现出较强的富集能力[26,31,40].不同藻类对不同重金属的吸附性能不同,且活藻对重金属的富集能力比死藻好.原因是活藻具有旺盛的代谢能力,可促进其对重金属的化学吸附,提高重金属富集量.林荣根等[30]研究发现,室温下pH在410~510之间时,海黍子(Sargassum kj ellmanianum)对Cu和Cd单独存在于水中的饱和吸附量分别是大于1150和018mmol#L-1干重;相同条件下,海带(Laminaria j a p onica)对Cu和Cd单独存在于水中的饱和吸着量分别是大于1110和018mmol#L-1干重.李英敏等[28]发现叉鞭金藻(Dicr ater ia sp.)对Cu2+具有较强的富集能力.吴海锁等[52]发现,小球藻吸附重金属离子的速度快,吸附容量大,适宜的pH值在310~510之间,小球藻对Cd2+的吸附性能明显高于其它重金属离子.1191期陆开形等:藻类富集重金属的特点及其应用展望312死亡藻体研究发现,死亡的藻细胞比活的藻细胞具有更强的吸附能力,而利用死的藻体吸附微量元素比利用活体更为经济、高效[29].由于活藻体易受污水中有毒元素的影响,生长受到抑制,因而生长缓慢,处理周期长,而利用死亡藻体无上述缺陷,且不需在污水中添加营养源,可以反复使用.此外,活藻细胞膜具有高度选择性,一般只允许中性分子通过而离子不易通过,而死亡藻细胞壁破碎较多,有更多的内部功能团暴露出来与金属离子结合,且细胞膜失去选择透性功能而更容易让离子通过.死亡藻体主要通过与代谢过程无关的生物吸附来富集金属,虽然丧失了主动运输等富集途径,但蛋白质与多糖在这个过程中起重要作用,生物吸附能力显著提高,总的富集量有所增加[29].Hassen等[17]在用藻类活细胞和预先用热水杀死的细胞对Cu2+进行吸附对比实验中发现,尽管最终吸附量相同,但死亡细胞对Cu2+的吸附速度要大于活细胞.313预处理对藻体重金属富集能力的影响研究发现,藻体经化学修饰、固定化处理或适当诱变后可大大提高其对重金属的吸附能力,显示了利用藻类修复重金属污染水体的巨大潜力.Jalali等[20]发现,用亚铁氰酸盐处理S.glaucescens可使其对铯的吸附量达到最大;严国安等[55]在研究小球藻对含Hg2+污水的净化效率时发现,固定化藻对Hg2+的去除效果明显高于悬浮态藻,由于藻细胞表面的吸附作用,小球藻对Hg2+的去除主要集中在开始的1 ~2d内.浩云涛等[16]在电镀厂附近的水塘中分离筛选获得一株高重金属抗性的椭圆小球藻(Chlorella ellip soidea).研究发现,该藻对重金属具有很好的去除效果,尤其对Zn2+和Cd2+具有很高的耐受性,可用于含重金属废水的处理.刘红涛等[31]通过重金属诱变后分离筛选得到高Cu2+抗性的铜绿微囊藻,其去除铜的能力较野生株大大提高,在110@ 10-5mmol#L-1Cu2+的低浓度下处理96h,抗性株的Cu2+去除率为80177%,而野生株的Cu2+去除率则只有34129%.万利勤等[48]发现,亚心形扁藻(Platy monas sp.)对介质中的Cu2+有很强的吸收和蓄积能力,在含有014mg# L-1Cu2+的介质中对Cu2+的蓄积量可高达21855mg#g-1.表1比较了不同藻类对重金属的吸附能力.314重金属离子的解吸附在采取各种方法净化水体污染时,为避免二次污染,必须采取适当的解吸方法把藻细胞所吸附的金属洗脱下来.理想的解吸附应具有较高的洗提效率并能保持材料的吸附特性[4].因此,能否方便地回收吸附在藻体上的重金属也是判断其能否作为理想生物吸附材料的依据之一.利用藻类修复重金属污染水体的优势之一就是可用一般化学方法解吸被藻细胞吸附的金属离子,且经数次吸附解吸循环后还可保持较高的吸附能力.由于藻类细胞壁是吸附重金属的主要部位,重金属通常通过离子交换的方式被吸附,并以阳离子交换尤其多见,所以常用的解吸附剂是酸.即将吸附着重金属的吸附材料置于强酸性溶液中,通过H+与金属离子竞争细表1不同藻类对重金属的吸附能力Table1Absorptive capacity to heavy metals of different algaes重金属Heavym etal吸附能力Absorptioncapacity(mg#g-1)墨角藻Fuc us v esiulosus[29]Sn28@10-3Pb370无隔藻Vaucheria[29]Co156S r16172杆裂丝藻S tic hococcus bacillaris[29]Cd1117泡叶藻A scophyllu m nodosum[29]Cd100棒托马尾藻Sargassu m baccular ia[19]Cd83118马尾藻S argassum v ulgar is[34]Cd123164Ni58169石莼Ulv a lactu c a[25]Cu65154Zn49154Ni21100海百合Palmaria p almate[38]Pb15117Cu6165厚膜藻Pachy meniop sis sp.[24]Cr225小球藻Chlorella sor odiniana[21]Ni48108固定化小球藻M obilized C.sorodiniana Ni60138马尾藻S sargassu m sp.[24]Ni181酸处理马尾藻Ssargassum sp.tre ated by acid Ni250死马尾藻Dead Ssargassum sp.[5]Cd120化学处理江蓠Gracilaria f isheri treated by chemical[6]CdCu7018146108胞表面的结合位置,置换出重金属离子.常用的酸主要有盐酸、硝酸、硫酸等[5,15,21].用酸解吸被藻类吸附的重金属已得到很多研究者的验证.如Ofer等[34]用盐酸和EDT A(1B1)可将马尾藻吸附的Cd、Ni解吸下来,且经8~9次吸附解吸循环后,马尾藻的吸附率仅下降15%~35%.Jana等[21]用75 mmol#L-1HCl把Chlor ella sor ok iniana吸附的N i解吸下来,其恢复率可达98%,且经7次吸附解吸循环后,吸附率几乎不变.Volesky等[47]用pH为3的CaCl2/HCl(1%w/v)对固定床流动柱中马尾藻吸附的Cu进行解吸,且该流动床能连续使用41d,其生物量只减少2116%,对Cu的吸附能维持在38mg#g-1干重,证明该解吸剂的洗提有效率可达到100%.林荣根等[30]等研究发现,HCl和EDT A两种洗脱剂对Cu的洗脱回收率均接近100%.当然,不同的酸对不同藻类的解吸附效果不同.Chu等[7]发现,用EDT A解吸吸附在马尾藻上的镉比用HCl解吸效果好.此外,还有的重金属是通过阴离子交换的方式被藻细胞吸附.Lee等[24]发现红藻(Pachy meniop sis sp.)对Cr2+的吸附是基于阴离子交换,对阴离子交换的解吸附主要采用碱,即N aOH溶液.如用1mol #L-1NaOH可将Pachy meniopsis sp.吸附的Cr解吸下来.此外,还有盐解吸方法,即把吸附了金属离子的藻体置于某种盐溶液中或用盐溶液冲洗,使金属离子从吸附剂上解吸下来.如Jalali等[19]研究发现,用011mol#L-1CaCl2洗提被马尾藻吸附的铅的效果好于011mol#L-1硝酸,15min即洗提完全且重复性好,经10次循环后藻体生物量几乎没有损失,对铅的吸附能力仍保持在98%左右.4展望藻类对重金属的吸附具有高效、经济、简便、选择性好120应用生态学报17卷等特点,被认为是一种处理水体重金属污染的新型生物材料,有广阔的应用前景.但规模化应用前,首先要解决藻体的收集问题,藻类尤其是单细胞藻由于个体小,处理后不易收集,应用受到限制.但一些大型海藻,尤其是对重金属有较高吸附性能的马尾藻等褐藻门生物后处理相对方便,更适合于规模应用.理想的解决方法是通过藻类修复配套技术(如菌藻共生),利用分解菌将藻体吸附的有毒重金属经生物转化而解毒,解决藻类的收集困难的问题而实现规模应用,提高修复效率.同时,应加强分子生物学与环境科学研究领域的交流与合作,利用转基因工程培育高富集株系,开发修复效率高、运行费用低的新型藻类.如针对Hg的污染及其毒性,可运用分子生物学技术将细菌体内对汞的抗性基因(汞还原酶基因)转到藻类中,进行汞污染的藻类富集与提取.Sur asak 等[44]发现转基因衣藻对Cd的耐受力和吸附核辐射能力都大大增强;也可通过改良遗传特性来提高藻类对污染物的耐性、富集能力或提高超富集藻类的生长速度或生物量,除了直接用重金属诱导来获取高修复率的藻株外,还可通过诱变育种获得优良藻株.如陆开形等[32]通过亚硝基胍诱变雨生红球藻发现,适宜的诱变剂量有助于藻种的改良;通过转基因技术还可把相应的重金属结合蛋白基因,如PC、GSH等多肽基因转入生物量相对较大的藻类,提高其富集能力.如宋凌云等[42]将人肝金属硫蛋白突变体整合到集胞藻6803后,得到了能耐受铜的转基因藻.藻类细胞壁表面的活性基团对藻类的吸附性能起主要作用,通过对不同基团与各重金属相互作用机理的研究,结合对不同藻类细胞壁上不同组分的分析,可筛选出对特定重金属有高吸附性能的藻类,从而提高藻类的修复效率.而利用分子生物学手段,结合扫描电镜(SEM)和X-射线衍射分析技术,对金属在藻细胞内的沉淀位置和状态、金属与藻类细胞特定官能团结合的能量变化以及官能团结构和特性、藻类吸附重金属反应的动力学和热力学特性、藻类体内重金属结合蛋白的诱导机理等进行探讨,可深入了解调控金属超积累作用生理和分子机制.现有研究主要集中于藻类对单一重金属污染水体的吸附能力,对复合重金属污染水体的吸附研究则相对较少.由于自然污染水体中往往是多种重金属共存,而重金属之间的相互作用又会影响藻类对不同重金属的富集能力.如林荣根等[30]发现,当Cu和Cd在水中共存时,海黍子对两者的饱和吸附量均小于二者单独存在时的吸附量,海带对Cu的吸附量稍大于Cu单独存在时的吸附量,而对Cd的吸附量则大幅减少.加强藻类对复合重金属污染水体的富集能力的研究,可为开发具有实际应用价值的重金属污染水体修复藻种提供可靠的依据,并可促进其在含重金属废水处理和贵重金属回收方面的应用.参考文献1Akhtar N,Iqbal J,Iqbal M.2004.Removal and recovery of nickel (II)from aqueous solution by loofa sponge-immobili z ed biomass of Chlorella sorokiniana:Characterization studies.J H azard M ater,108(1~2):85~942Chen S-H(陈素华),S un 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藻类在环境工程中的应用与作用原理

藻类在环境工程中的应用及其作用原理一、引言我国是个多湖泊国家，大于lkm2的天然湖泊有2300余个，湖泊总面积为70988km2，总贮水量为708亿m³，其中淡水贮水量为225亿m³，是我国最重要的淡水资源之一，具有水利防洪、通水供水及气候调节等多种功能，对社会和经济的发展起到了不可估量的作用，是人民生活不可缺少的宝贵资源。

因此，湖泊水资源与我国的经济持续发展以及人民生活休戚相关。

2004年《中国环境状况公报》指出，2004年监测的27个重点湖库中，满足II 类水质的湖库2个，占7．5％；Ⅲ类水质的湖库5个，占1 8．5％；Ⅳ类水质的湖库4个，占14．8％；V类水质湖库6个，占22．2％：劣V类水质湖库lO个，占37．0％。

其中“三湖”(太湖、巢湖、滇池)水质均为劣V类，主要污染指标是总氮和总磷。

目前的污水处理工艺较多，可以根据不同的进水水质和处理要求选择相关的工艺。

因此，研究新的污水处理工艺成为必然。

而此时藻类便得到了科学家、学者们的亲睐。

一、藻类的介绍藻类泛指具同化色素而能进行独立营养生活的水生低等植物的总称。

是一类(有些也为，如的藻类）。

主要水生，无维管束，能进行光合作用。

体型大小各异，小至长1微米的单细胞的，大至长达60公尺的大型。

一些权威专家继续将藻类归入或植物样生物，但藻类没有真正的根、茎、叶，也没有维管束。

环境化学简答题

1、试述酸雨的主要成分、成因及危害，写出有关化学反应式。

主要成分：酸雨中绝大部分是硫酸和硝酸，以硫酸为主成因：酸雨的形成涉及一系列复杂的物理、化学过程，包括污染物迁移过程、成云成雨过程以及在这些过程中发生的均相或非均相化学反应等；危害：1.使水体酸化，造成江河湖泊的生态环境紊乱；2.使森林大片死亡。

酸雨侵入树叶气孔，妨碍植物的呼吸；3.造成土壤矿物质元素流失，导致土壤贫瘠化，使农作物大面积减产；4.使土壤的有毒金属溶解出来，一方面影响植物生长，另一方面造成有毒金属迁移； 5.腐蚀建筑物、文物等。

有关方程式：SO2 和NOx 的排放是形成酸雨的主要起始物SO2 NOx S O 2 + [O ] → S O N O + [O ] → N O 3 SO 3 3 +H 2 O → H 2 2 SO 4 2 2N O 2 +H 2 O → H N O +H N O2、写出光化学烟雾的链反应机制链引发自由基传递终止。

（附图）3、为什么排放到大气中的CFCs 能破坏臭氧层，写出有关化学反应式。

CFCs 在对流层中存在，是破外臭氧层的主要原因，CFCs 不溶水，稳定性高，被热空气带到平流层，CFCs 在平流层受强烈紫外线照射而分解产生氯，氯会与臭氧反应，生成氧化氯自由基(ClO)：Cl+O3→ClO+O2 ClO+O→Cl+O2 即O3+O3→3O2 由此可见，氯在分解臭氧的反应中作为催化剂以促使较臭氧反应成氧，而氯在反应中循环出现，因此少量的氯在重新分配的过程中，就能造成大量的臭氧分解。

4、汽车尾气最主要的成份都有哪些？分析各成份具有的潜在危害。

成份：CO、CHx、NOx、SO2、烟尘微粒(重金属化合物、铅化合物、黑烟及油雾)、臭气(甲醛等)。

最主要的危害：形成光化学烟雾。

CO：导致组织缺氧，引起头痛等；NOx：进入肺泡形成亚硝酸和硝酸，造成肺气肿。

亚硝酸盐造成高铁血红蛋白，引起组织缺氧。

CHx：多环芳烃、苯并芘等致癌物。

长喙田菁植物螯合肽合成酶PCS2的原核表达及纯化

Ｃｂｅｔ出保守的Ｎ一端具有催化活性，的ｏｂｔ＿提４末酶
螯合肽合成酶（Ｃ）ＰＳ催化合成的小肽，具有（ｌＧ
ＣｓｎＧｌｙ）— ｙ的结构，中ｎ￣１它们可以提高其＝２１Ｅ，植物对重金属的抗性，以解除重金属对植物的毒害
（孝感学院生命科学技术学院，湖北孝感４２０）３００
摘要：了获得纯化的长喙田菁（ｅ６ｒｍ）为ｓｓ口０植物螯合肽合成酶ＰＳ，Ｃ２以原核表达载体ｐＭＡＬｃ为基－２
础，构建了含有ＳＰＳｒＣ２开放阅读框序列的原核表达载体ｐＡＭ５，７将其转化表达菌株Ｂ２（Ｅ）对融合蛋白的表Ｌ１Ｄ３，
（ｃｏｌｆＬｉｃｅｃｓａｄＢｉｔｃｎｌｇ，ａｇｎＵｎｖｒｉｙＸｉｇｎ４２０Ｃｈｎ）ＳｈｏｆＳｉｎｅｎｏｅｈｏｏｙＸｉｏａｉｅｓｔ，ａａ３００ｏｅｏｉａ
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ＡｂｔａｔＴｈｔｒｅｔｅｏｅｂｎａｒｓｒｔｈｔｃｅａｉｙｔａｅ（ｒＳ）ｗａｕｃｏｅ — ｓｒｃ￣ｅｍａｕｅｐｐｉｆＳｓａｉｏｔａａｐｙｏｈｌｔｎｓｎｈｓ２ＳＰＣ２ｄｓｓｂｌｎｄｉｎｔＭＡＬｃｘｖｃｏｏｃｎｔｕｔｔｅｐｏａｙｔｘｒｓｉｎｖｃｏＡＭ５ＴｈｅｏｉａｔＤａｍｉｓｏｐ－２ｅｔｒｔｏｓｒｃｈｒｋｒｏｉｅｐｅｓｏｅｔｒｐｃ７ｅｒｅｍｂｎｎｌｓｄｗａ