水生植物在重金屬污染治理中的應(yīng)用

張黎黎， 劉海龍

(1.廣東技術(shù)師范學(xué)院 天河學(xué)院，廣東 廣州 510540； 2.吉林省地質(zhì)調(diào)查院，吉林 長春 130061)

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水生植物在重金屬污染治理中的應(yīng)用

張黎黎1， 劉海龍2

(1.廣東技術(shù)師范學(xué)院 天河學(xué)院，廣東 廣州 510540； 2.吉林省地質(zhì)調(diào)查院，吉林 長春 130061)

指出了相對于傳統(tǒng)的重金屬污染治理方法，利用水生植物結(jié)合微生物處理技術(shù)，有成本低，處理面積大等特點，介紹了水生植物在重金屬污染治理中的研究現(xiàn)狀，分析了水生植物修復(fù)重金屬污染的機(jī)理，提出了水生植物與微生物聯(lián)合治理重金屬污染的方法，并對其進(jìn)行了總結(jié)與展望。

水生植物；重金屬；污染

1　引言

水體重金屬污染已被列入全球四大污染公害之一，主要是在重金屬開采、冶煉、加工過程中，產(chǎn)生的鉛、汞、鉻、鈷等重金屬進(jìn)入大氣、水體、土壤，造成嚴(yán)重的污染。其很難降解，容易聚集，又具有不可逆轉(zhuǎn)的毒性，歷史上的水俁病和骨痛病就是重金屬污染的慘痛教訓(xùn)。傳統(tǒng)水體重金屬污染治理方法，利用化學(xué)試劑及生物方法處理能力有限，又容易造成二次污染。相比于傳統(tǒng)的重金屬污染治理方法，利用水生植物結(jié)合微生物處理技術(shù)，有成本低、適用于低濃度廢水處理、處理面積大等特點。本文將對重金屬廢水的植物治理技術(shù)的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景進(jìn)行綜述[1]。

2　水生植物在重金屬污染中的研究現(xiàn)狀

重金屬污染的防治措施在環(huán)境、生態(tài)及生物化學(xué)等領(lǐng)域的研究自20世紀(jì)60、70年代以來就在世界各污染地區(qū)得到重視，我國自2009年以來發(fā)生過30多起重金屬污染事件，重金屬污染防治更被提上了十二五規(guī)劃中。針對重金屬污染修復(fù)技術(shù)，黃永杰、劉登義等在八種水生植物對重金屬富集能力的比較研究[2]中發(fā)現(xiàn)浮萍、香蒲、水鱉、中華慈菇、蘆葦、空心蓮子草等植物有著較大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。王謙等在大型水生植物修復(fù)重金屬污染水體研究進(jìn)展[3]中對水生植物去除重金屬的影響因素做了較詳盡的敘述，包括植物生活型、生物量、株齡、處理時間、重金屬種類、初始濃度、溫度、pH 值、其他離子等。彭克儉、秦春等在沉水植物龍須眼子菜(Potamogetonpectinatus)對鎘、鉛的吸附特性中[4]對龍須眼子菜吸附重金屬的吸附特征及吸附過程做了具體解釋。易鋒對復(fù)合污染下大藻(Pistiastratiotes)和鳳眼蓮(Eichharniacrassipes)對重金屬的吸收和富集特征[5]有深入研究。

3　水生植物修復(fù)重金屬污染的機(jī)理

根據(jù)植物修復(fù)技術(shù)的類型，C．N．Mulligan等將水生植物治理重金屬污染的機(jī)理分為植物穩(wěn)定或固化、植物揮發(fā)、植物吸收和植物吸附等四種類型[6]，修復(fù)過程概括為地下和地上兩個階段(圖1)。

圖1　植物處理重金屬過程

3.1植物根系吸收重金屬并運(yùn)輸?shù)降厣喜?/p>

近年來，利用超富集植物吸收土壤、水體中的重金屬元素是許多專家關(guān)注的，這些植物的根莖葉、腐殖質(zhì)、分泌物都可以與重金屬結(jié)合，從水體、土壤中吸收轉(zhuǎn)移至地上部分。

3.2超積累植物對重金屬離子的螯合和貯存

在運(yùn)送過程中，植物利用自身的特殊物質(zhì)，或者添加劑與重金屬發(fā)生螯合作用，使重金屬暫時固定，或者向上遷移，再通過多次收割去除。為了使植物吸收速度更快、吸收量更多，添加螯合劑[7]是提高植物修復(fù)效率的最佳方法。利用螯合劑的離子交換作用，與物理化學(xué)過程相結(jié)合，吸附[8]去除重金屬。這些螯合劑包括EDTA、DTPA、EGTA、檸檬酸等，但是不能不面對的就是二次污染的問題。到了最上部利用植物揮發(fā)，將吸收的重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)槎拘孕〉膿]發(fā)性物質(zhì)，從植物表皮組織空隙中揮發(fā)出去。目前在這方面研究最多的是類金屬元素硒和金屬元素汞，如將從水體中吸收的汞還原成揮發(fā)性的單質(zhì)汞[9]。

4　水生植物與微生物聯(lián)用修復(fù)重金屬污染

植物輔助生物修復(fù)技術(shù)(植物促進(jìn) phytostimulation)：指通過植物活動刺激根圈內(nèi)的微生物的生物降解的植物修復(fù)過程。通常情況下，植物自身不能吸收重金屬離子，但是可以通過植物根部分泌的氨基酸、酶、糖等物質(zhì)刺激根部周圍的微生物活性和生化反應(yīng)，達(dá)到降解土壤中有機(jī)化合物和釋放重金屬的目的。桑樹、桑橙樹和蘋果樹的根部分泌物中含有黃酮類化合物和氧雜萘鄰?fù)?，常被用來刺激降解多環(huán)芳烴(PAH)和氯聯(lián)苯(PCBS)的微生物。張超蘭等在幾種濕地植物對重金屬鎘脅迫的生理生化響應(yīng)[10]中得出美人蕉和紅蛋在含鎘廢水人工濕地生態(tài)工程修復(fù)中具有很好的應(yīng)用前景。植物地上部分和地下部分的生物膜對于濕地中發(fā)生的所有微生物過程都具有重要作用(圖2)。

圖2　濕地水生植物氧的分布及植物吸氧過程

水生植物因其具有觀賞性被廣泛應(yīng)用于景觀與生態(tài)中，其生態(tài)景觀價值也隨著人們對生活質(zhì)量的要求與日俱增，儲榮華將水生植物處理重金屬的環(huán)境治理與藝術(shù)完美結(jié)合，以兩個景觀實例來證明水生植物的生態(tài)景觀價值[11]。

5　展望與總結(jié)

(1)一般來說植物修復(fù)技術(shù)節(jié)省投資、適應(yīng)性廣、耐受性強(qiáng)，通常情況下，植物只對部分重金屬進(jìn)行吸附，這就需要在不同環(huán)境選擇不同的植物類型，而一旦植物體內(nèi)累積過多的重金屬會出現(xiàn)植物中毒阻礙植物生長。重金屬污染的植物通常生長緩慢，生長周期長，矮小且生物量低，不易于大型機(jī)械清理作業(yè)。重金屬植物死亡腐爛和落葉等途徑會使重金屬重新進(jìn)入土壤，因此必須在植物死亡和落葉前收割并處理污染植物。目前由于植物富集在體內(nèi)的重金屬離子濃度很低，不易于分離，不利于重新利用。故今后應(yīng)重視處理成本和效率的雙重提高，一直困擾學(xué)術(shù)界的植物吸收重金屬后的植物處理與重金屬回收，如何才能避免二次污染也是水生植物修復(fù)重金屬污染的難題[12]。

(2)美國阿崗國家實驗室利用野生植物建立各種生物反應(yīng)器，凈化石油天然氣生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污水及其污染物，如Newman等(1997)用白楊樹來修復(fù)三氯乙烯(TCE)污染的地下水。在這些植物修復(fù)技術(shù)中，根際耐性微生物和化學(xué)添加劑的強(qiáng)化作用使修復(fù)效果更加理想，大大改進(jìn)了植物修復(fù)技術(shù)，故水生植物吸收與其他技術(shù)的連用是今后研究的一個方向[13]。

(3)水生植物去除水體中重金屬具有成本低、操作方便等特點，但是植物生長需要時間，達(dá)到富集轉(zhuǎn)移的過程同樣需要很長的過程，怎樣提高去除效率是今后要解決的重要課題。近幾年，分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)[14]的應(yīng)用可能將成為在提高效率方面的切入點。

[1]方云英,楊肖娥,常會慶,等.利用水生植物原位修復(fù)污染水體[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2008,2(19):407～412.

[2]黃永杰，劉登義，王友保，等.八種水生植物對重金屬富集能力的比較研究[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2006, 25( 5):541～ 545.

[3]王謙，成水平.大型水生植物修復(fù)重金屬污染水體研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2010,5(33).

[4]彭克儉，秦 春，游武欣，等.沉水植物龍須眼子菜(Potamogeton pectinatus)對鎘、鉛的吸附特性[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2007, 16(6):1654～1659.

[5]易鋒.復(fù)合污染下大藻和鳳眼蓮對重金屬的吸收和富集特征[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2011.

[6]C.N.Mulligan ，R.N.Yong，B.F.Gibbs.Remediation technologies for metal-contaminated soils and groundwater:an evauation [J]. Engineering Geology, 2001(60):193～207.

[7]李俊,李科林.水生植物處理污染水研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,35(34):11159～11161.

[8]Evaluation of remediation process with plant-derived biosurfactant for recovery of heavy metals fromcontaminated soils[J]. Kyung-Jin Hong a, Shuzo Tokunaga b, Toshio Kajiuchi. Chemosphere, 2002(49):379～387.

[9]吳建強(qiáng),黃沈發(fā),丁玲.水生植物水體修復(fù)機(jī)理及其影響因素[J]. 水資源保護(hù), 2007,4(23).

[10]張超蘭，陳文慧，韋必帽，等.幾種濕地植物對重金屬鎘脅迫的生理生化響應(yīng)[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2008, 17(4): 1458～1461.

[11]儲榮華.水生植物的生態(tài)和景觀應(yīng)用[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2010.

[12]林鴻，金晶，姚雄，等.水生植物對水體的處理作用及應(yīng)用[J]. 園林科技, 2010(3).

[13]梁帥，顏冬云，徐紹輝.重金屬廢水的生物治理技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2009,11(32).

[14]鮑桐，廉梅花，孫麗娜，等.重金屬污染土壤植物修復(fù)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2008, 17(2): 858～865.

2016-06-24

張黎黎(1987—)，女，廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院碩士研究生。

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1674-9944(2016)16-0144-02