Toxicity, bioaccumulation and biosorption of lead, cadmium and zinc in charophytes

Abstract

The ability for the use of common freshwater charophytes, Chara aculeolate and Nitella opaca in removal of cadmium (Cd), lead (Pb) and zinc (Zn) from wastewater was examined. Living C. aculeolate was more tolerant of Cd and Pb than N. opaca. The relative growth rate of N. opaca was drastically reduced at high concentrations of Cd and Pb although both were tolerant of Zn. Both macroalgae showed a reduction in chloroplast, chlorophyll and carotenoid content after Cd and Pb exposure, while Zn exposure had little effect. The bioaccumulation of both Cd and Pb was higher in N. opaca (1544.3 μg/g at 0.5 mg/L Cd, 21,657.0 μg/g at 10 mg/L Pb) whereas higher Zn accumulation was observed in C. aculeolate (6703.5 μg/g at 10 mg/L Zn). In addition, high BCF values (> 1000) for Cd and Pb were observed in both species. C. aculeolate showed a higher percentage of Cd and Pb removal (> 95%) than N. opaca and seemed to be a better choice for Cd and Pb removal from wastewater due to its tolerance to these metals. The potential of dried C. aculeolate and N. opaca to biosorb Pb, Cd and Zn from a single-metal system, multiple-metal system and municipal wastewater were investigated. C. aculeolate and N. opaca performed well in the biosorption of all three metal ions, with preference towards Pb, followed by Cd and Zn. The process of Pb adsorption onto algal biomass followed the first-order rate kinetic (N. opaca) and intraparticle diffusion (C. aculeolate), in contrast to Cd and Zn whose biosorption kinetics fitted the second-order rate by both algae. According to the Langmuir isotherm model, C. aculeolata exhibited a slightly higher maximum uptake of Pb, Cd and Zn (106.4 mgPb/g, 36.1 mgCd/g, 15.2 mgZn/g) than those of N. opaca (102.0 mgPb/g, 27.6 mgCd/g, 13.4 mgZn/g). In the multiple-metal solution, an antagonistic effect by metal competition was observed. The ability of C. aculeolate to remove three metal ions was found to be high in real municipal water (81-100%). C. aculeolate in a continuous fixed bed column was capable of decreasing Pb and Cd concentrations from 10 to a value below the detection limit of 0.05 and 0.02 mg/L, respectively. Pb uptake capacity of C. aculeolate increased with increased bed depth and decreased flow rate. Cd uptake capacity increased with increased bed depth but remained constant at various flow rates. The Thomas model was found to fit with the experimental data for Pb and Cd (R2>0.90). It can be concluded that C. aculeolate is a good biosorbent for treating wastewater with low concentrations of Pb and Cd contaminants.

จากการศึกษาการกำจัดตะกั่ว แคดเมียม และสังกะสีที่ปนเปื้อนในน้ำโดยใช้สาหร่ายไฟสองชนิด พบว่า Chara aculeolata มีความทนทานต่อแคดเมียมและตะกั่วมากกว่า Nitella opaca อัตราการเจริญเติบโตของ N. opaca ลดลงอย่างมากในสารอาหารที่มีแคดเมียมหรือตะกั่วความเข้มข้นสูง สาหร่ายทั้งสองชนิดมีความ ทนทานต่อสังกะสี การศึกษาผลของโลหะหนักต่อปริมาณเม็ดสีพบว่าสาหร่ายทั้งสองชนิดมีปริมาณคลอโร- พลาสต์ คลอโรฟิลล์ และแคโรทีนอยด์ลดลงเมื่อเลี้ยงในสารอาหารที่มีแคดเมียมและตะกั่ว สังกะสีมีผลกระทบ น้อยต่อปริมาณเม็ดสี N. opaca มีการสะสมแคดเมียมสูงถึง 1544.3 ไมโครกรัมต่อกรัม และตะกั่วสูงถึง 21,657 ไมโครกรัมต่อกรัม ส่วน C. aculeolata มีการสะสมสังกะสีสูงถึง 6,703.5 ไมโครกรัมต่อกรัม สาหร่ายทั้งสอง ชนิดมีค่า biocon-centration factor ของแคดเมียมและตะกั่วสูงกว่า 1,000 C. aculeolata มีอัตราการกำจัดแคดเมียม และตะกั่วในน้ำมากกว่า N. opaca (มากกว่าร้อยละ 95) ดังนั้น C. aculeolata จึงเป็นสาหร่ายที่เหมาะสม ต่อการกำจัดแคดเมียมและตะกั่วที่ปนเปื้อนในน้ำ และยังมีความทนทานต่อโลหะเหล่านี้ด้วย จากการศึกษาการดูดซับตะกั่ว แคดเมียมและสังกะสี โดยสาหร่ายไฟแบบชีวมวลแห้งพบว่า C. aculeolata และ N. opaca สามารถดูดซับตะกั่วได้ดีที่สุด รองลงมาคือแคดเมียมและสังกะสีตามลำดับ N. opaca มีกลไกดูดซับตะกั่วแบบ first-order rate kinetic สาหร่าย C. aculeolata มีกลไกดูดซับตะกั่วแบบ intraparticle diffusion สาหร่ายทั้งสอง มีกลไกการดูดซับแคดเมียมและสังกะสีตาม second-order rate kinetic C. aculeolata มีค่าการดูดซับสูงสุดของตะกั่วที่ 106.4 มิลลิกรัมต่อกรัม แคดเมียม 36.1 มิลลิกรัมต่อกรัม และสังกะสี 15.2 มิลลิกรัมต่อกรัม ซึ่งมากกว่า N. opaca ที่มีการดูดซับสูงสุดของตะกั่วที่ 102 มิลลิกรัมต่อกรัม แคดเมียม 27.6 มิลลิกรัมต่อกรัม และสังกะสี 13.4 มิลลิกรัมต่อกรัม ในการศึกษาในสารละลายโลหะหนักผสมสามชนิดพบว่า สาหร่ายมีการดูดซับโลหะหนักน้อยลง C. aculeolata สามารถกำจัดโลหะหนักทั้งสามชนิดได้ร้อยละ 81-100 ในน้ำเสียชุมชน จากการศึกษาการใช้ C. aculeolata แบบตรึงในคอลัมน์เพื่อบำบัดน้ำเสียพบว่า C. aculeolata สามารถลดปริมาณตะกั่วและแคดเมียมจาก 10 มิลลิกรัมต่อลิตร เหลือต่ำกว่า 0.05 และ 0.02 มิลลิกรัมต่อลิตร ตามลำดับ C. aculeolata สามารถดูดซับตะกั่วเพิ่มขึ้นเมื่อความสูงของชีวมวลแห้งในคอลัมน์เพิ่มขึ้นที่อัตรา การไหลของน้ำต่ำ ส่วนการดูดซับแคดเมียมจะเพิ่มขึ้นเมื่อความสูงของชีวมวลแห้งในคอลัมน์เพิ่มขึ้นที่ช่วงอัตรา การไหลของน้ำ 20-40 มิลลิลิตรต่อนาที จากการทดลองสามารถสรุปได้ว่า C. aculeolata เป็นสาหร่ายไฟ ที่มีชีวมวลเหมาะสมต่อการบำบัดน้ำเสียที่มีตะกั่วและแคดเมียมปนเปื้อนได้