水生植物去除廢水重金屬研究進(jìn)展

管東紅 管映兵 楊帆

摘要：指出了水資源重金屬污染是一種嚴(yán)重影響人類、植物和動(dòng)物的污染問題。植物修復(fù)是一種經(jīng)濟(jì)有效的重金屬污染修復(fù)技術(shù)，并能夠自然地恢復(fù)水生生物系統(tǒng)，該方法已成功地應(yīng)用于人工濕地（CWs）中。目前，學(xué)者們正在研究許多水生植物種類，以確定其在植物修復(fù)方面的應(yīng)用潛力和有效性，特別是生長(zhǎng)速度快的植物，即大型植物。結(jié)果表明：植物過濾是從水中去除重金屬主要作用，自由漂浮植物由于其獨(dú)特的形態(tài)和較高的生長(zhǎng)速度，比沉水植物和出水植物更能有效地吸收重金屬。綜述了多種水生植物去除重金屬的潛力，重點(diǎn)介紹了4種著名的水生植物（超富集植物）：水浮蓮（Pistia stratiotes）、水葫蘆（Eicchorniaspp）、浮萍（Lemna spp）、槐葉蘋（Salvinia spp）修復(fù)重金屬的機(jī)理和作用，并對(duì)水生植物修復(fù)重金屬的發(fā)展、方法和前景進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：植物修復(fù);植物過濾;吸收;水生植物;重金屬

中圖分類號(hào)：X51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）18-0080-02

1引言

水體生態(tài)系統(tǒng)中的重金屬污染會(huì)影響人類健康和水生生物。此外，為了提供充足的飲用水來源，重金屬的安全性也得到了提高。重金屬常作為農(nóng)藥、除草劑的成分以及應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的原材料或輔助材料。水體中常見的重金屬有砷、鉛、汞、鎘、鉻、銅、鎳、鋅，針對(duì)廢水中重金屬污染嚴(yán)重的問題，雖然傳統(tǒng)重金屬處理技術(shù)，例如混凝一絮凝、化學(xué)沉淀、離子交換、吸附、膜過濾、浮選、光催化降解和電化學(xué)等在許多研究中得到了廣泛的應(yīng)用，但這些方法對(duì)環(huán)境有負(fù)面影響，且成本昂貴。為了克服傳統(tǒng)處理技術(shù)的不足及從廢水中更有效去除重金屬。故開發(fā)性能高效、成本低、綠色環(huán)保的重金屬處理技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。與其它方法比較，由于植物修復(fù)技術(shù)是利用植物和植物根系相關(guān)微生物通過吸收、沉淀、富集等作用來降低重金屬離子濃度，適應(yīng)于各種不同的重金屬?gòu)U水，特別是低濃度廢水和廢水的深度處理，具有無二次污染、成本相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)。研究表明，水生植物或人工濕地被廣泛用于去除廢水中重金屬離子。從天然植物中篩選出用于廢水中重金屬處理主要有自由漂浮植物、沉水植物和挺水。為此，總結(jié)了近年來國(guó)內(nèi)外水生植物處理重金屬的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了水生植物修復(fù)重金屬的機(jī)理、方法和作用。

2植物修復(fù)機(jī)理與技術(shù)

利用植物進(jìn)行金屬去除技術(shù)已經(jīng)引起了越來越多的關(guān)注。不同植物在植物修復(fù)中都有其獨(dú)特的作用，重金屬的吸收機(jī)制也可能有所不同，包括積累、排斥、轉(zhuǎn)運(yùn)、滲透調(diào)節(jié)和分布。重金屬離子濃度在植物地上部主要發(fā)生富集、遷移。Nyquist和Gregerd指出，水生植物對(duì)金屬的吸收機(jī)制取決于植物的類型和廢水中重金屬濃度，廢水中重金屬通過直接從水中吸收到植物表面。研究認(rèn)為，植物對(duì)廢水中重金屬的吸收以被動(dòng)吸收、主動(dòng)的跨膜運(yùn)輸或者小規(guī)模的根系吸收。通過對(duì)沉水植物和自由漂浮植物根系發(fā)育不良的研究，尤其對(duì)沉水植物和自由漂浮植物根系發(fā)育不良的機(jī)理進(jìn)行了觀察，植物生長(zhǎng)速度和組織中重金屬的濃度直接影響植物的除金屬能力。漂浮水生植物的植物組織中重金屬的積累發(fā)生在沉水植物全身的根系中。漂浮的水生植物通過根部吸收重金屬，然后遷移到其他部位。若植物與廢水介質(zhì)直接接觸，就會(huì)發(fā)生被動(dòng)的金屬吸收、吸附過程，導(dǎo)致廢水中部分重金屬積聚。Vymzal表明永生植物的顯著優(yōu)勢(shì)是地上部生物量高和重金屬富集能力強(qiáng)。故重金屬的濃度通常在植物地下部分比地上部分要高很多，特別是在作為最初吸收點(diǎn)的根系中。

采用植物萃取、植物降解、根際過濾、植物穩(wěn)定、植物揮發(fā)、植物脫鹽、植物過濾等多種方法進(jìn)行了植物修復(fù)技術(shù)研究。據(jù)Thakur等報(bào)道在這些方法中，植物萃取、根際過濾和植物穩(wěn)定在重金屬?gòu)U水處理應(yīng)用上很重要。植物過濾或根濾是目前唯一可用于廢水中重金屬凈化的修復(fù)技術(shù)。

3植物過濾

植物過濾被定義為利用沉水植物、浮水植物、挺水植物等水生植物的根系直接去除重金屬等污染物。為了評(píng)價(jià)這些植物對(duì)水體中重金屬的富集能力，進(jìn)行了一些研究。植物過濾可以是根濾（植物根系的使用）或種苗過濾（幼苗的使用）或嫩芽過濾（使用切除的植物芽）。與水生植物相比，由于陸生植物的根系更長(zhǎng)，增加了金屬吸附的大面積表面區(qū)域，并被視為根莖過濾的替代品。為了最大限度通過植物過濾技術(shù)吸收廢水中的重金屬污染物，植物應(yīng)具有植物根系密集和水培栽培特征，有利于生物吸附的過程，也有利于其生化機(jī)理性質(zhì)。植物吸收的效率在很大程度上取決于植物或光合表面微生物的物理化學(xué)特征。研究表明：采用植物濾池法去除重金屬不影響植物生長(zhǎng)速度，對(duì)根小、生長(zhǎng)速度慢的植物不宜進(jìn)行就地處理。例如，理想的植物應(yīng)該對(duì)金屬積累有很高的潛在耐受性，生物量的生產(chǎn)率很高，并且應(yīng)該以可行的方式獲取。各種環(huán)境因素影響植物生長(zhǎng)，如溫度、溶液中營(yíng)養(yǎng)平衡的維持以及實(shí)驗(yàn)室繁殖的缺陷，都是植物過濾的局限性。植物過濾法在除砷方面，具有生物機(jī)理特異性強(qiáng)、砷及亞砷酸鹽吸收效率高、操作成本低、可自由處理廢棄物、低光照條件下性能好等優(yōu)點(diǎn)。但是，在處理系統(tǒng)的運(yùn)行設(shè)計(jì)可能會(huì)受到一些現(xiàn)場(chǎng)條件的影響，如流量的變化，可以用經(jīng)濟(jì)的方法解決。

4利用人工濕地進(jìn)行植物吸收重金屬

人工濕地（CWs）是一種低成本、生態(tài)環(huán)境友好型的自然處理系統(tǒng)。隨著人工濕地處理技術(shù)的日趨成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸從過去主要針對(duì)市政污水處理廠尾水深度處理或生活污水的二級(jí)處理擴(kuò)展到對(duì)重金屬?gòu)U水的凈化處理。已有研究報(bào)道人工濕地植物吸收重金屬的效果。在人工濕地系統(tǒng)中.植物具有非常重要的作用，水生植物能直接吸收利用廢水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育，還能吸附、沉淀和富集一些有毒有害物質(zhì)，如重金屬鉛、汞、鎘、砷、鉻等。不同類型的植物對(duì)重金屬離子的吸收積累能力不同，沉水植物>浮水植物>挺水植物;植物不同部位，重金屬濃縮倍數(shù)不同，根>莖>葉。濕地植物對(duì)重金屬的去除率與植物生長(zhǎng)速度、植物種類重金屬在濕地系統(tǒng)停留時(shí)間和廢水中重金屬的濃度有很大關(guān)系。此外，金屬的分配、排斥和動(dòng)力學(xué)過程也受到植物成分的顯著影響，而植物成分在每種植物中可能有所不同。

人工浮島（AFI）是屬于人工濕地類型，是由浮墊、漂浮水生植物、以沉積物為根的新型濕地植物及相關(guān)生態(tài)群落組成的無土種植結(jié)構(gòu)。在試點(diǎn)研究中，AFI通過去除有機(jī)物、懸浮物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和金屬，改善了污染水體的水質(zhì)。近年來，Chen等將水生植物根系墊層（水生植物形態(tài)）分為漂浮根系墊層（FHRMs）和非漂浮根系墊層過濾器（HRMFs）兩大類。在FHRMs中，生長(zhǎng)在水面上的挺水型水生植物，HRMFs是一種水經(jīng)根部流動(dòng)的非漂浮水培根系墊層過濾器。

5利用水生植物吸收重金屬

根據(jù)文獻(xiàn)，分析了4種水生植物水浮蓮（Pistiastratiotes）、水葫蘆（Eicchornia spp）、浮萍（Lemnaspp）、槐葉蘋（Salvinia spp）對(duì)去除重金屬的效果。其中水葫蘆（Eichhornia crassipes）、浮萍（Lemna minor）和水浮蓮（Pistia stratiotes）3種自由漂浮的水生植物在植物修復(fù)過程中占主導(dǎo)地位。

5.1浮萍（Lemna minor）

浮萍生長(zhǎng)迅速、收割比較容易、適應(yīng)能力強(qiáng)、對(duì)重金屬有一定累積能力等特點(diǎn)使其能去除廢水中重金屬，在廢水中重金屬處理領(lǐng)域，具有一定發(fā)展前景。研究表明：與其他水生大型植物相比，浮萍是較有效的植物修復(fù)植物，用于用于從生活和農(nóng)業(yè)廢水中回收氮、磷和有毒金屬的污染物，在許多研究中得到應(yīng)用。一些研究表明，浮萍可累積高濃度的鎳、銅、鎘、鋅、錳、硼、鈾、砷等多種金屬和類金屬。

5.2水浮蓮（Pistia stratiotes）

水浮蓮是一種漂浮多年生植物，漂浮的葉子下懸掛著水下結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)簡(jiǎn)單、適應(yīng)生存環(huán)境能力強(qiáng)，屬于天南星科。水浮蓮對(duì)各種溫度和酸堿度都有很高的耐受性，分布廣泛。Gupta等研究表明，大部分鐵、鉀、鎂、錳、鈣、鎘和鈷通過吸附作用附著在水浮蓮的根表面。水浮蓮能有效凈化重金屬污染的廢水，主要取決于水浮蓮生長(zhǎng)速度快、水面覆蓋率高、易收割等特點(diǎn)。

5.3水葫蘆（Eichhornia crassipes）

水葫蘆是一種有根自由漂浮的多年生大型植物，是世界上最普遍的入侵性水生血管植物之一。具有葉圓直立，根系深藍(lán)色，能快速適應(yīng)不同的水理化條件，積累較高的金屬含量。水葫蘆具有吸收大量污染物（重金屬）和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力，其使廢水中重金屬離子得到有效凈化。因此，水葫蘆對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、重金屬的再攝取與水葫蘆的生長(zhǎng)速率密切相關(guān)。水葫蘆對(duì)重金屬去除效果較好，發(fā)現(xiàn)這種植物可以能承受高濃度的重金屬，并能在極端條件下生存。研究表明，水葫蘆植物組織內(nèi)的頂葉堆積順序?yàn)槿~<莖<根。近年來研究結(jié)果顯示，水葫蘆是吸收、吸附水體中重金屬的理想生物材料，是凈化水質(zhì)效果最好的水生植物之一。據(jù)推測(cè)，水葫蘆的根系能吸附大量重金屬，可能是因?yàn)槠涓捣置诹艘恍┠軌虼罅课剿w中重金屬的分泌物質(zhì)。此外，重金屬通過與根系細(xì)胞壁表面的交換位點(diǎn)進(jìn)行離子交換或參與根系表面有機(jī)官能團(tuán)的配位螯合作用而被根系吸收。

5.4槐葉蘋（Salviniaceae）

槐葉蘋是一種自由漂浮的水生生物，具有匍匐莖，分枝，有毛，生長(zhǎng)速度快和對(duì)高金屬濃度的耐受能力強(qiáng)的特點(diǎn)。選擇槐葉蘋進(jìn)行重金屬去除的主要原因是生長(zhǎng)速度快、耐受性好?；谥暗难芯浚比~蘋是一種已知的重金屬去除植物，但對(duì)吸收新的重金屬有限制。從根本上說，槐葉蘋植物的根與葉片相比，根積累了大量的鉻、鎳、鉛等重金屬。Fuentes等報(bào)道，槐葉蘋被認(rèn)為是鎳的超積累體，而在濃度高于（80M Ni）時(shí)，其生理性能會(huì)受到影響;槐葉蘋浸沒葉中鉻的積累量明顯高于漂浮葉。研究表明：槐葉蘋為不同重金屬的超蓄能器，而槐葉蘋葉子對(duì)重金屬的蓄積量大于其他部位。槐葉蘋是一種可行的替代生物吸附劑，用于濕地工業(yè)廢水的金屬去除處理過程。

5.5沉水植物和挺水植物

沉水植物和挺水植物具有凈化廢水中重金屬的潛力。沉水植物的表皮非常薄，可以通過整個(gè)水面去除重金屬，沉水植物根系主要為厚的細(xì)菌生物膜提供物質(zhì)支持，通過兼性和厭氧微生物吸收養(yǎng)分。研究表明，挺水植物結(jié)燈芯草和香蒲，根內(nèi)的金屬含量比枝上的要高。結(jié)果表明，挺水植物組織中重金屬的易位和遷移能力較弱。

Agnieszka等評(píng)價(jià)了水甜茅（Glyceriamaxima）、蘆葦（Phragmites australis）、寬葉香蒲（Typha latifolia）、虉草（Phalaris arundinacea）的葉片和根莖中鋅、鐵、錳、鎳和銅的含量，并比較了其在特定重金屬環(huán)境下的累積特性。水生植物芽中鋅、銅、鎳、錳、鐵的含量隨品種和芽的不同而有較大的差異。被試植物的重金屬積累主要集中在根狀莖中。結(jié)果表明，被測(cè)試的大植物中重金屬含量之間的關(guān)系是一致的，可以按照以下順序排列：葉片中，錳>鐵>鋅>鎳>銅，根莖中，鐵>錳>鋅>鎳>銅。

6結(jié)語

本文著重介紹了4種自由漂浮的大型植物：水浮蓮（Pistia stratiotes）、水葫蘆（Eicchornia spp）、浮萍（Lemna spp）、槐葉蘋（Salvinia spp）。在植物修復(fù)過程中，水浮蓮（Pistia stratiotes）是最有效的自由漂浮水生植物。因此，沉水植物和挺水植物從不同類型的重金屬?gòu)U水中吸收多種重金屬，但自由漂浮的水生植物更有效。植物修復(fù)技術(shù)中，植物過濾是從廢水中吸收重金屬的唯一方法。目前，植物對(duì)目標(biāo)重金屬的植物選擇正在研究中，這也有助于確定不同參數(shù)對(duì)植物凈化重金屬效率的影響。重金屬去除率與生長(zhǎng)速度、對(duì)重金屬的耐受性和對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性密切相關(guān)。盡管如此，在設(shè)計(jì)處理設(shè)備之前，必須考慮水生植物的選擇。

在今后的研究中，需要考慮多種植物修復(fù)方法的應(yīng)用，方便有效、成功地去除重金屬;轉(zhuǎn)基因水生植物可以作為未來研究的有用途徑;通過提高植物產(chǎn)量和污染物濃度，在合理的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行有效的植物修復(fù)是可行的?？梢酝ㄟ^培育快速生長(zhǎng)的高積累植物或具有高積累基因的基因工程植物來實(shí)現(xiàn)重金屬有效處理。此外，在未來利用生物技術(shù)技術(shù)，通過特定的金屬基因鑒定超蓄能器是高度推薦的。此外，研究人員還必須考慮環(huán)境條件以及水生植物的特性。