砷(As)是存在于土壤和自然水体中的有毒的类金属元素,大量含砷化合物进入环境导致水体砷污染越来越严重。蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)由于其丰富的营养价值被认为是人类的健康食品,而水体砷污染会对蛋白核小球藻的养殖造成威胁。蛋白核小球藻生长迅速、环保、低廉、有效的特点使其在生物修复含砷废水上有一定的应用潜能,对治理污水中的氮磷等污染物有良好的去除效果,然而其对含砷废水的治理还鲜有报道。氮(N)、磷(P)等无机营养盐是限制小球藻生长和繁殖的重要因子,关于氮磷浓度对蛋白核小球藻砷代谢的影响还未见报道。因此本文以蛋白核小球藻为研究对象,首先研究蛋白核小球藻对亚砷酸盐(As(Ⅲ))和砷酸盐(As(Ⅴ))的耐性、富集和代谢规律;然后研究不同N、P浓度对蛋白核小球藻生长的影响;在藻体生长不受影响的前提下,研究不同氮磷浓度对其砷富集和代谢的影响,以期为保障小球藻产品的品质安全、实现砷污染水体的生物修复提供理论依据。1.蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸收特性和毒性效应设置系列As(Ⅲ)和As(Ⅴ)浓度,对蛋白核小球藻进行72 h生长抑制试验,研究蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸收特性和毒性效应。毒理学试验结果表明,蛋白核小球藻对As的耐性较强,As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的EC50值分别为69.19和3847 mg·L-1;蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)吸收速率均随着砷处理浓度的增加而呈曲线增加,而且增加的幅度逐渐变小,能用米氏方程拟合,蛋白核小球藻对As(Ⅴ)的最大吸收速度Vmax是As(Ⅲ)的1.72倍,说明小球藻对As(Ⅴ)的吸收潜力大。此外蛋白核小球藻吸收As(Ⅴ)的米氏常数Km是吸收As(Ⅲ)的9.53倍,说明As(Ⅲ)对小球藻的亲和性大于As(Ⅴ)的亲和性。2.蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)富集、代谢的动态变化规律设置系列As(Ⅲ)和As(Ⅴ)浓度处理蛋白核小球藻,分别于6、12、24、48、72h收集小球藻,测定As总量和形态,研究蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)富集、代谢的动态变化规律。结果表明,蛋白核小球藻对As的富集量和吸收量随As(Ⅲ)和As(Ⅴ)浓度的增加而显著增加,其中小球藻对As(Ⅲ)的富集以吸收为主(67.5%～96.6%),吸附占较少部分,对As(Ⅴ)的吸收和吸附约各占一半;蛋白核小球藻对As的吸附量与As的形态和浓度有关,小球藻对As(Ⅴ)的吸附量显著高于对As(Ⅲ)的吸附量,且对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附量随As(Ⅲ)和As(Ⅴ)浓度的增加而显著增加。800 μg·L-1的As(Ⅲ)处理小球藻3 d,藻体内存在As(Ⅲ)和As(Ⅴ)两种砷形态,且As(Ⅴ)比例相对较大(48.3%-80.7%),说明小球藻体内存在较强的氧化作用,能够将毒性较大的As(Ⅲ)氧化为毒性较低的As(Ⅴ),800μg··L-的As(Ⅴ)处理小球藻3 d,胞内As都是以As(Ⅴ)的形态存在。蛋白核小球藻对As的吸收可以用动力学模型进行较好的拟合,由吸收动力学参数可以发现:50 μg·L-1的As处理时蛋白核小球藻对As(Ⅲ)的吸收能力大于As(V),200和800 μg·L-1的As处理时小球藻对As(Ⅲ)的吸收能力小于As(Ⅴ)。此外,随着As(Ⅲ)或As(Ⅴ)处理浓度的增加,蛋白核小球藻对As(Ⅲ)或As(Ⅴ)的吸收速率常数、外排速率常数和生物富集系数都呈现降低的趋势。3.不同N、P浓度对蛋白核小球藻As(Ⅲ)和As(Ⅴ)富集和转化的影响首先研究N、P浓度对小球藻生长的影响,然后选择不影响小球藻生长的N、P浓度组合,研究N、P浓度对小球藻砷富集和转化的影响。结果表明:N或P的浓度过高或过低都会影响蛋白核小球藻的生长,其中固定N为 247 mg·L-1 和 P 为 0.6、6 mg·L-1,以及固定 P 为 6 mg·L-1 和 N 为 24.7、247 mg·L-1 的浓度组合对蛋白核小球藻的生长没有影响;当P浓度为6 mg·L-1时,N浓度降低到24.7 mg·L-1不会影响小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的富集及其胞内As形态的转化,而当N浓度为247 mg·L-1时,P浓度降低到0.6 mg·L-1则会显著增加小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸收和富集,藻细胞内As(Ⅴ)还原、甲基化和外排也显著增强。通过上述研究,阐明了蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸收特性和毒性效应,同时从吸收动力学和氮磷营养的角度详细阐述了蛋白核小球藻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的富集和代谢过程,为揭示蛋白核小球藻砷代谢机制、保障小球藻的品质安全和砷污染水体生物修复提供了理论依据。