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藻类对砷等污染物的生物净化作用受其自释放胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)的影响,然而,水体中主要形态无机砷(Inorganic arsenic,iAs)等在藻细胞内的生物累积规律及EPS对砷吸附吸收的影响尚有待探索。本研究选取典型能自释放EPS的绿藻类蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa,C.Pyrenoidosa),探讨水体两种主要无机砷形态As(Ⅲ)和As(Ⅴ)在藻-水微界面的吸附吸收规律及其对蛋白核小球藻的毒效应,从表面结合角度分析蛋白核小球藻EPS的作用和影响。主要研究结果如下:(1)EPS提高了蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)毒性效应的耐受能力。在0-1500 μmolL-1暴露浓度下,利用紫外分光光度计测定藻细胞密度,发现当砷暴露浓度高于300 μmol L-1时As(Ⅲ)和As(Ⅴ)均抑制蛋白核小球藻细胞生长,其96 h IC50 值分别为 613.0、707.2 μmol L-1;在 1000 μmol L-1 As(Ⅲ)和 As(Ⅴ)暴露水平下,采用流式细胞仪、多功能酶标仪和浮游植物荧光仪,分别测定藻细胞内活性氧(Reactive oxygen species,ROS)水平、超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)活性和光合系统 Ⅱ(Photosynthetic system Ⅱ,PSⅡ)荧光参数,发现 As(Ⅲ)和As(Ⅴ)胁迫引起了蛋白核小球藻细胞的氧化胁迫、应激反应和光合活性抑制,其中藻细胞ROS和SOD水平均显著升高,而叶绿素a含量显著降低(P<0.05),PSⅡ中最大光量子产量(Fv/Fm)、最大相对电子传递速率(ETRmax)、初始斜率(α)和半饱和光强(Ik)值在暴露6 h后也明显减小;与完整细胞相比,As(Ⅲ)和As(V)对脱除EPS(-EPS)的藻细胞毒性进一步增强,其96 h IC50值和chla含量分别降至522.0、640.6 μmolL-1和0.71、0.84mgL-1,而胞内ROS相对百分含量和SOD水平增加至296%、247%和25.53、21.44个单位每毫克蛋白;通过SEM-TEM形貌分析,还观察到脱除EPS的藻细胞表面破裂、胞内蛋白核无序化及类囊体片层结构破坏程度增加,从而证实EPS可以有效提高藻细胞对无机砷毒作用的耐受性。(2)As(Ⅲ)和As(Ⅴ)胞内吸收符合Bio-dynamic动力学方程,EPS提高了蛋白核小球藻对无机砷的生物累积能力。0-1000 μmol L-1无机砷暴露24 h后,利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定胞内总砷含量。结果显示,藻细胞内砷吸收量随其暴露浓度的升高而增加,As(Ⅴ)暴露下最大吸收量达到1.23 μmol g-1,显著高于 As(Ⅲ)的 1.08 μmol g-1(P<0.05)。在 As(Ⅲ)和 As(Ⅴ)短期暴露(0-8 h)下,藻细胞内砷吸收规律均满足Bio-dynamic动力学方程(R2>0.95),其中不同As(Ⅴ)暴露浓度下拟合得到的吸收速率常数Ku值为10.89-22.23 Lg-1h-1,均大于As(Ⅲ)的Ku值3.45-14.12L g-1 h-1,表明无机砷胞内吸收能力差异与其界面传质速率正相关。另外,0-24 h内采用ICP-MS同时测定有无EPS(±EPS)的藻细胞内外砷含量变化,揭示As(Ⅲ)和As(Ⅴ)暴露下的最大胞内砷吸收量比其胞外吸附量低3个数量级。与脱除EPS的藻细胞相比,10000 μmolL-1As(Ⅲ)和As(Ⅴ)暴露下,完整藻细胞最大砷吸附量分别增加39.4%、42.2%,而胞内吸收量显著降低43.1%、20.5%(P<0.05)。蛋白核小球藻EPS可以通过减少胞内吸收提高细胞耐砷能力,并通过增加表面吸附作用进一步提高绿藻对无机砷的生物累积和修复潜力。(3)蛋白核小球藻EPS与As(Ⅲ)和As(Ⅴ)交互作用的主要功能基团是C-O-C,C-O-H和-NH2。三维荧光光谱(3D-EEM)识别出蛋白核小球藻EPS中的荧光组分为酪氨酸类(Tyrosine-like substances)和色氨酸类物质(Tryptophan-like substances)两种,其中酪氨酸类活性组分参与EPS-无机砷交互作用。进一步在288K、293K、298K 和 303K 四个温度下开展 As(Ⅲ)和 As(Ⅴ)(0-10.0 mmol L-1)荧光淬灭滴定试验,结合Stern-Volmer和van’t Hoff方程拟合参数,揭示EPS-无机砷界面交互作用是热力学自发的静态淬灭过程(AG<0,Kq>1.0×1010 Lmol-1 S-1)。利用傅里叶红外光谱FTIR和X射线光电子能谱XPS联合表征技术对藻EPS表面官能团进行定性和半定量分析,最后明确EPS中的活性基团为C-O-C,C-O-H和-NH2三种,其主要来自EPS多糖和蛋白组分。因此,蛋白核小球藻自释放EPS对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)毒效应及其界面吸附吸收的生物介导作用与其多糖和酪氨酸类组分密切相关,它们为无机砷界面吸附提供了重要结合位点。