重金屬污染水體的植物凈化研究進(jìn)展

陳進(jìn)樹

(漳州城市職業(yè)學(xué)院園林園藝系， 福建漳州 363000)

0 引言

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，伴隨產(chǎn)生的含有重金屬的工業(yè)廢水、生活污水等被排放到環(huán)境中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也存在大量施用含有重金屬的化肥和殺蟲劑，這些重金屬會對環(huán)境生態(tài)和人身健康產(chǎn)生嚴(yán)重的影響.重金屬是一類密度在5g/cm3以上的金屬和類金屬[1]，包括金、銀、銅、鐵、汞、鉛、鎘等，環(huán)境污染方面所說的重金屬主要是指汞(水銀)、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的重元素.重金屬污染可存在于空氣、土壤和水體中，其中，空氣、土壤中的大部分的重金屬通過雨水的沉降或者農(nóng)業(yè)澆灌等作用，最終進(jìn)入到水體，并長期存在于水體和底部的淤泥中.重金屬在自然界中具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性，難以自然降解，可在環(huán)境中長期存在，通過食物鏈進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，對各種生物的生命及生理活動產(chǎn)生影響[2-9]，從而危害生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和穩(wěn)定性，并最終進(jìn)到人體內(nèi)，對人類的健康產(chǎn)生嚴(yán)重的危害[10,11].所以對水體重金屬的監(jiān)測及去除研究，顯得日益重要.

1 植物對水體重金屬污染的監(jiān)測

水體中的重金屬污染通常具有擴(kuò)散性、持久性和難治理的特點(diǎn)，尤其是其通常具有一定的聯(lián)合生物致毒效應(yīng)[12]，一旦進(jìn)入環(huán)境中，由于其難以自然降解，與其他污染(如富營養(yǎng)化、抗生素污染等)相比，對環(huán)境的危害更甚，處理也更麻煩.因此，減少其危害首先是減少重金屬的排放，及時監(jiān)測環(huán)境中重金屬含量.對水體重金屬的定量監(jiān)測主要采用化學(xué)分析，但水樣中重金屬的濃度具有可變性，因此直接通過水樣檢測水體中重金屬元素濃度的方法效率較低[13].因此，科學(xué)家利用一些動植物對重金屬脅迫比較敏感的特點(diǎn)，對環(huán)境重金屬進(jìn)行生物監(jiān)測.可進(jìn)行重金屬監(jiān)測的生物種類多樣[14,15]，植物相對于其他生物，具有比較容易實(shí)驗(yàn)觀察研究，對環(huán)境中重金屬的脅迫比較敏感等特點(diǎn)，成本效益高，是一種很好的重金屬水體污染生物監(jiān)測材料[16,17]，因此更常被采用.運(yùn)用植物監(jiān)測環(huán)境重金屬的研究中應(yīng)用較多的是苔蘚.苔蘚個體小，種類繁多，生境分布也多種多樣，多數(shù)苔蘚植物耐受重金屬的能力強(qiáng)于陸地上其他高等植物[18]，利用苔蘚植物進(jìn)行重金屬環(huán)境監(jiān)測是一種比較經(jīng)濟(jì)便利的方法，薄網(wǎng)蘚(Leptodictyumriparium(L.))現(xiàn)已成為重金屬監(jiān)測的模式生物[19].以往利用苔蘚植物主要是進(jìn)行大氣和土壤環(huán)境重金屬監(jiān)測.劉潤等[20]應(yīng)用樹附生蘚類監(jiān)測晴隆二十四道拐地區(qū)的重金屬污染.王慧慧等[21]應(yīng)用銀葉真蘚(Bryumargenteum) 監(jiān)測黔滇高速公路重金屬污染.應(yīng)用苔蘚進(jìn)行重金屬監(jiān)測的方法主要有化學(xué)分析法、移植比照法、生態(tài)調(diào)查法、大氣凈度指數(shù)法和苔袋法[22].這些方法，現(xiàn)在有的也應(yīng)用到水體重金屬的監(jiān)測上.張轉(zhuǎn)玲等[23]運(yùn)用苔袋法(MossBag)監(jiān)測貴州草海湖泊因大氣沉降受7種重金屬的污染狀況，為草海的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).由于苔蘚植物大多生長在陸地，水生苔蘚種類較少，分布也較稀疏，目前在水體重金屬的監(jiān)測應(yīng)用還有待于進(jìn)一步的研究.除苔蘚之外，一些水生植物也常被用于水體的重金屬監(jiān)測研究[24-25]，也取得較好的監(jiān)測效果.另外，重金屬引起水體或者植物性狀的改變，這種變化可為高光譜遙感監(jiān)測感知，遙感監(jiān)測能高效、無損、實(shí)時獲取水體重金屬變化的信息，能為評價修復(fù)效果提供有力的技術(shù)支撐[26-28].

2 植物對水體重金屬的凈化作用

2.1 利用人工濕地去除重金屬

重金屬進(jìn)入水體后，雖然會隨時間的推移而逐漸減少、毒性或活性也會逐漸降低，但由于重金屬本身的理化特性，這個自然修復(fù)的過程能力較弱，所需要的時間也較長，它們大多是在水生生物和沉積物中積累下來[29].當(dāng)水體中積累下來的重金屬含量達(dá)到危害生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定時，對水體重金屬污染的治理就顯得刻不容緩.水體重金屬的人工去除方法，按照處理方式不同，主要有物理，化學(xué)，生物等方法[30].生物方法主要是利用植物對重金屬的吸附凈化，包括人工濕地和人工浮床等.人工濕地是人為設(shè)計和建造的，以基質(zhì)、植物及微生物協(xié)同作用，通過物理、化學(xué)和生物作用進(jìn)行污水處理的生態(tài)系統(tǒng).根據(jù)處理污水的流動方向，可分為表面流和潛流人工濕地系統(tǒng)兩種類型[31].人工濕地具有凈化成本低廉及增加景觀效果的特點(diǎn)，越來越受科學(xué)家的關(guān)注[32].葛光環(huán)等[33]研究表流人工濕地中蘆葦對重金屬的吸收，結(jié)果顯示Zn、Cu和Cr在濕地蘆葦中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿著濕地入口的前3個采樣點(diǎn)呈下降趨勢.余關(guān)龍等[34]構(gòu)建水平潛流人工濕地去除人工配制重金屬的研究，結(jié)果顯示該系統(tǒng)對Cd2+和Zn2+的去除效果明顯.趙丹慧等[35]模擬人工濕地研究4種植物對污水中4種重金屬的去除效果，結(jié)果表明Cr、Pb、Cu、Zn含量在減小，但不同植物對不同重金屬的去除效果不一樣.另外，不同植物的組合栽種方式(單一或混合)對不同的重金屬凈化效果不同[36].

2.2 利用生態(tài)浮床去除重金屬

雖然人工濕地對重金屬的去除效果明顯，但其受植物種類(水生植物)及水體環(huán)境條件的制約.當(dāng)受污染水體的地理?xiàng)l件不適合建造人工濕地，或者沒有合適的水生植物時，建造人工生態(tài)浮床是一個很好方法.生態(tài)浮床又稱生態(tài)浮島，是一種人工設(shè)計建造的漂浮在水面用來種植植物的結(jié)構(gòu).其凈化水體的原理與人工濕地一樣，也主要是利用栽種的植物進(jìn)行污染物的吸收轉(zhuǎn)移.蔣麗娟等[37]在浮床栽種木本植物，研究其對重金屬污水的凈化作用，結(jié)果顯示，浮床栽種的3種木本植物對重金屬Hg、Cd、Cr、Cu具有較強(qiáng)的富集力，對Mn、Zn和Pb具有超富集潛力.生態(tài)浮床雖然對惡劣環(huán)境條件(如大風(fēng)浪)的抵抗力較弱，但建造成本較低，具有原位修復(fù)和增加景觀效果的功能，適合應(yīng)用在城區(qū)污染水體的凈化處理.隨著研究的逐步深入，今后將更好的應(yīng)用于重金屬污水的處理.

3 增強(qiáng)植物凈化水體重金屬的方法

3.1 選擇合適的植物

植物只有在適應(yīng)環(huán)境的前提下才能去除凈化環(huán)境污染物，植物對水體重金屬的去除也是如此.因此，要發(fā)揮植物的凈化作用，首先要深入研究各種植物對各類重金屬的耐受機(jī)理，以及這些作用受其他因素的影響.據(jù)研究，當(dāng)水體重金屬較低時，植物生長基本不受影響，甚至有的還有促進(jìn)作用.而當(dāng)濃度超過一定值時，則會對植物的生命活動產(chǎn)生明顯的抑制作用，嚴(yán)重時甚至?xí)鹚劳鯷38，39].以往的研究表明，不同的植物對重金屬的耐受能力不同，因此，在不同的地區(qū)，不同的污染物，選擇合適的植物顯得非常重要.

3.2 添加菌根

菌根技術(shù)作為一種生物強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于重金屬污染的植物修復(fù)已引起研究者的廣泛關(guān)注.菌根是真菌侵染植物根系后在植物根部形成的共生結(jié)構(gòu).已有大量研究表明菌根能強(qiáng)化植物對重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)、富集及根系穩(wěn)定化過程,并通過促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用、穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡、調(diào)控抗逆性相關(guān)基因的表達(dá)以及改善根際微生態(tài)環(huán)境等方式提升寄主植物的抗逆性，對植物凈化修復(fù)重金屬有極其重要的輔助作用[40-43].栽培基質(zhì)不單影響植物根系的生長，也影響根系周圍的微生物種群，從而影響植物的生長，最終影響植物吸收凈化水體重金屬的能力.

3.3 選擇合適的基質(zhì)及添加物

以往的研究表明，不同的栽培基質(zhì)對植物吸收凈化水體重金屬影響顯著[44].另外，基質(zhì)中添加生物質(zhì)碳等材料的基質(zhì)有助于促進(jìn)植物生長和增強(qiáng)凈化水體重金屬的能力，這主要是因?yàn)樯镔|(zhì)碳是具有比表面積大、官能團(tuán)豐富、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，可直接吸附重金屬和促進(jìn)植物生長發(fā)育的作用[44-46].

4 展望

(1)加強(qiáng)研究植物對水體重金屬的監(jiān)測水平，及時發(fā)現(xiàn)水體重金屬的濃度變化，在重金屬對整個生態(tài)系統(tǒng)造成比較大的危害之前發(fā)出預(yù)警，減輕其危害性.這一方面應(yīng)當(dāng)進(jìn)行篩選和馴化植物，提高其對水體重金屬的監(jiān)測能力.另一方面應(yīng)當(dāng)加深研究植物對重金屬反應(yīng)的遙感監(jiān)測，提高監(jiān)測的實(shí)時性和便利性.

(2)加強(qiáng)受污染水體的凈化處理能力研究.植物凈化重金屬污染水體的能力受多種因素的影響，具有重金屬超富集能力的植物，其凈化能力較強(qiáng)，生長狀態(tài)良好的植物，其凈化能力也強(qiáng).所以，如何篩選、馴化重金屬超富集能力的植物，篩選適合植物生長基質(zhì)，添加生物基質(zhì)、新型納米材料的等方法，是增強(qiáng)人工濕地和生態(tài)浮床植物凈化去除水體重金屬的重要研究方向.

(3)利用分子工具更深入的研究理解植物和微生物對金屬的吸附、遷移、隔離和耐受機(jī)制，從分子水平進(jìn)一步了解植物和微生物對水生生態(tài)系統(tǒng)中的生物修復(fù)機(jī)理，從而提升植物凈化重金屬的能力.