重金屬汙染水體植物修複研究進展

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 3月21日周二,農曆二月二十四,大家早安!!


重金屬汙染物在水體中具有相當高的穩定性和難降解性,大量重金屬的存在給水體生物造成了嚴重危害,甚至威脅著人體健康 


水生植物資源豐富,利用植物修複重金屬汙染水體具有很大的前景......文章綜述了近年來國內外水生植物修複重金屬汙染的研究進展,著重介紹了各類水生植物對重金屬的去除效果及植物對不同重金屬的選擇性吸收特點; 討論了水生植物修複重金屬的影響因素; 總結分析了目前研究中存在的問題,並提出了今後的發展方向...


文章來自:《應用化工》2016年第10期。


全文共3818,閱讀大概需要 5分鍾。


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   蔣雪,溫超,曹珊珊,程剛 

西安工程大學 環境與化學工程學院,陝西 西安 710048 


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水體重金屬汙染已成為國內外

亟需解決的環境問題

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近年來,由於工業廢水過度排放大量汙水農灌,以及不合理使用化肥殺蟲劑和塑料薄膜等因素,使得環境重金屬汙染日趨嚴重調查顯示,我國七大水係均遭受到一定程度的重金屬汙染,且水體中各種重金屬含量呈現逐漸上升的趨勢重金屬汙染物在水體中具有相當高的穩定性和難降解性,大量重金屬的存在給水體生物造成了嚴重危害,甚至威脅著人體健康


因此,水體重金屬汙染已經成為國內外亟需解決的環境問題植物修複法作為生物法處理重金屬汙染水體的一種延伸 ,它主要通過水生植物根濾 揮發 吸收和富集等作用去除水環境中的重金屬離子,或降低汙染物中的重金屬毒性,以達到降低汙染程度修複或治理水體的目的。相比物化法 ,植物修複被認為是一種更為綠色的修複方法


一般來說 ,用於生態修複的水生植物是指生態學範疇下的水生維管束植物 ,包括挺水 漂浮 浮葉和沉水四種生活型 學者對各類水生植物在重金屬汙染治理方麵做了大量研究,並取得了一定的效果

本文將從去除效果和影響因素兩個方麵總結近年來水生植物修複重金屬的相關研究成果,為水環境汙染的生態修複提供參考 

以下為文章主體內容

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1


水生植物對重金屬汙染的修複效果研究

1.1

水生植物去除重金屬的效果及特征


一般而言,不同生活型的水生植物對重金屬的去除能力表現為沉水植物 漂浮浮葉植物 挺水植物


許多研究也表明,沉水植物對水體重金屬有更好的吸附和富集效果,因為相比於其他生活型植物,沉水型植物更多地依賴其莖葉從水中吸收重金屬 

同一生活型的不同水生植物對重金屬的吸收和富集效果存在差異。Peng 等研究比較沉水植物蓖齒眼子菜和馬來眼子菜對複合汙染水體中重金屬的累積能力,結果顯示蓖齒眼子菜重金屬積累能力為馬來眼子菜的 2 ~ 3 倍,其葉內積累的 Cd、Pb、Mn及 Zn 含量分別達 596,318,16 000,6 590 mg/kg( DW) 。Keskinkan 則通過驗證指出狐尾藻和金魚藻對重金屬的吸附符合朗繆爾模型,由兩者的最大吸附量看出狐尾藻有更好的重金屬吸附能力任珺發現,3 種挺水植物經 50 mg / L ZnCl處理 15d後 ,菖蒲地下部分 Zn 2 + 累積量達 1646 . 57 m g / k g ,別為水蔥和蘆葦地下部分累積量的 3. 3 4. 8


不同植物轉運重金屬的能力有所不同


研究發現大薸主要靠根部積累 Cd,而鳳眼蓮更多地將根係吸收的 Cd 轉移到莖和葉對於具有發達根係的挺水植物來說,由於根係對重金屬的滯留效應,植物根部富集係數一般高於莖葉的富集係數。 

例如蘆葦經 50 μmol/L 高濃度 Cd2 + 處理21 d,其根部 Cd2 + 累積量達 3. 69 mg/g( DW) ,而葉部Cd2+累積量隻有0.08mg/g(DW)。但也有與此相反的情況,比如香蒲莖葉的Cd、Pb、Mn富集係數以及蘆葦莖葉的Mn富集係數均高於根部對應的富集係數,這可能與重金屬在植物體內的遷移率有關。

1.2

植物對不同重金屬的選擇性吸收特征


各種水生植物對重金屬的吸收能力各有差異,同一植物對不同重金屬的富集也具有不同的選擇 

譚彩雲等通過水培實驗探討鳳眼蓮對鋅鉻短期的吸收富集能力,結果表明鳳眼蓮對 重金屬的耐受能力及富集能力均表現為 Pb( II) >Cr( III) > Zn( II) 。Dhirs 研究表明,槐葉萍能吸收複合汙染水體中多於一種以上的重金屬,但吸收不同重金屬的能力有所差異,其中對 Zn、Cu、Ni和 Cr 的去除率分別為 84. 8% ,73. 8% ,56. 8% 41. 4% 。

王芮等研究比較了蘆葦對 Pb2 + 、Mn2 +的生物吸附特征,擬合的吸附動力學曲線顯示,蘆葦對 Mn2 + 的吸附平衡時間為 35 min,而 Pb2 + 達到吸附平衡則需要50 min。


徐德福等實驗發現,燈心草可作為一種工程植物用於鋅汙染水體的植物修複野外調查顯示東方香蒲對 Pb 有很強的富集作用,其根莖葉的 Pb 富集量都遠遠高於對超富集植物的定義值(1000mg/kg)。夏丹研究發現,旱傘草在不同組合的重金屬汙染水體中對 Cd2 + 的吸收能力較為明顯,可作為 Cd2 + 和 Cu2 + 汙染水體的修複植物,但對於 Zn-Cu 複合汙染水體就不太適合


利用植物對重金屬的選擇性吸收特點可以針對性地修複某一類重金屬汙染水體 

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2


水生植物修複重金屬的影響因素

2.1

重金屬汙染物濃度

一般情況下,水生植物在重金屬濃度較大死閾值以下的環境下表現出更強的富集效率 

究表明,10mg/L銅離子脅迫處理10d,葫蘆根中可提取態的含銅量比經 0. 5 mg/L 銅處理高出 9. 9 ~ 13. 4 徐禮生等研究得出,菖蒲幼苗體內的鎘含量隨著鎘脅迫濃度的升高而顯著增加,當處理組脅迫濃度為 5,15,25 mg/L ,菖蒲幼苗根係的平均鎘含量分別約為對照組的 463,802 1 047 ,但同時隨著鎘濃度的升高,菖蒲植株的生長受到一定的抑製,其對鎘的耐性指數隨之降低

2.2

接觸時間

隨著植物與一定濃度重金屬汙水接觸時間的延長,植物體內重金屬富集量將持續增加,直到吸收飽和為止。Ahmed 模擬一定濃度的 Pb-Cr 合汙染水體對金魚藻和浮萍進行 12 d 水培,期間植物體內重金屬富集量不斷增加,第 12 d 達到最高然而在重金屬富集量達到一定程度後,植物對重金屬的持續富集能力將減弱錢建平等用0.5 mg/L Hg 處理水蓼,其根部 Hg 富集係數從第4 d的 274. 17 增至第 8 d 的 501. 58,當培養至第15 d後,水蓼根部 Hg 富集係數降為 426. 01。

2.3

重金屬離子間相互作用

水體中共存元素對植物吸收重金屬具有協同或拮抗作用某種重金屬離子濃度過高或過低均會影響植物對其他金屬離子的選擇性吸收例如在鋅鎘共存時,植株中的鋅含量減少而鉻含量明顯增加;缺鋅時鎘的吸收量增加,但缺鋅時施加鎘則使植株中的鋅含量提高。穀兆萍研究發現,複合汙染水體中 Fe2 + 濃度較低時,浮萍對銅的富集能力較。Zu 研究表明,Zn、Pb、As、Cd、Cu 間的交互作用會抑製植物對 As 的吸收,但能促進植物吸收和富集 Zn、Pb、Cd。

2.4

重金屬形態

研究表明,重金屬的賦存形態和其在多相體係間的分配情況影響著重金屬的遷移性質及其生物有效性溶解態重金屬是判斷水體重金屬汙染程度的常用依據之一水溶態和可交換態最易被植物吸收,其次是碳酸鹽結合態,具有較大的可移動有機結合態在氧化條件下易被分解釋放殘渣態屬於不溶態重金屬,隻能由化學作用轉變成可溶態物質才能被植物吸收利用

2.5

植物生物量和植物株齡

植物生物量和個體株齡直接關係到植物對重金屬的去除效率植物生長密度偏小會使得單株重金屬累積量過高,影響植物生長生長密度偏大則使植物繁殖受到限製對於一定濃度的重金屬水體,物適當的生物量有利於淨化效率提高任安芝等研究表明,細綠萍生物量在8~12 g/L範圍內時對 15 mg/L 汞複合汙染水體淨化效果最佳。Lavid 等發現,成熟期的植株富集金屬鎘的能力比幼苗期植株高出 2. 1 ~ 2. 9 

2.6

溫度和光照

水生植物的生長代謝需要適宜的環境條件,中適宜的光強和溫度可促進水生植物細胞生長高細胞的活性,從而增強其對重金屬的富集能力李秋華等利用螺旋藻富集金屬 Ni,探究了溫度及光強對富集效率的影響,研究得出螺旋藻富集金屬Ni 的最佳溫度為 35 °C ,溫度低於 25 °C 或高於38 °C時都不利於其對 Ni 的富集而光照強度為3 000 lx,螺旋藻 Ni 富集量高於其他光照情況

2.7

pH

pH 值通過影響重金屬的形態從而間接地影響植物對重金屬的富集效率。Zhang 等發現重金屬的碳酸鹽結合態會在 pH 值升高的過程中形成碳酸鹽共沉澱,從而難被植物吸收當 pH 值由中性變為較低時,水體中的有機鉻含量會急劇下降當 pH值在 以下,Cd 的生物有效性隨 pH 值的升高而增加,而 pH >6 時則相反對於水生植物來說,一般最適宜 pH 值在 4 ~ 8。

2.8

Eh

重金屬在不同的氧化還原條件下有不同的形態且能夠互相轉化在還原條件下,有機結合態鎘最穩定,但在氧化條件下,有機結合態鎘則被轉化為生物可利用的水溶態可交換態或溶解絡合態而釋放到水體中,並隨 Eh 增大,其釋放量增多。Kelder-man 等研究得出,當環境氧化還原電位從- 150 mV上升至 200 mV,鉛和鋅的可交換態及碳酸鹽結合態濃度不斷提高,而其有機結合態濃度持續降低

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3


存在問題及展望


水生植物資源豐富,利用植物修複重金屬汙染水體具有很大的前景然而就目前研究情況來看,實現水生植物工程化並廣泛推廣還有待時日

究其原因:


首先,相比於物化處理,植物修複周期較長,重金屬去除速度慢再者,對於修複過程中水生植物的管理收獲及後處理問題,沒有一套可被廣泛接受的解決方案若不能及時收獲植物並處理或回收植物體內的重金屬,勢必會給環境帶來二次汙染 


另外 ,很多關於水生植物去除重金屬的研究局限於室內模擬階段,且都是在植物一定生長時期內展開的研究,對水生植物長期持續富集重金屬的能力及其修複過程的生長規律研究得不夠全麵,導致水生植物在實際應用時存在著不可預測性 


總之,從植物篩選到植物收獲從機理規律到實踐應用,關於重金屬汙染的植物修複還有很多問題需要進一步研究,有效地提高植物修複效率及實現植物修複的大規模工程化應用是今後研究仍需努力的方向


已有研究證明,采用各類水生植物協同組合的方式將有效地提高植物修複速度。


針對不同水體的重金屬汙染特征選擇吸收能力相對較強的植物,將有利於提高汙水生態修複效果  

值得注意的是,考慮到季節氣候的變化及植物自然生長代謝的關係,在研究中應當注意把握各類修複植物對重金屬長期的富集效果及變化規律科學的管理和轉化利用是治理的關鍵,在實際修複的同時不能忽略對水生植物的定期維護和修剪,並在必要時回收處理,及時控製其可能對環境帶來的不利影響另外,有很多 研究致力於基因工程技術 ,通過向植物體內導入抗性基因轉運蛋白基因等來增強其對重金屬的耐受性和富集能力,並與優勢作物雜交培育出遺傳性狀優良且能適應不同汙染水體的植物新品種在轉基因修複植物研究方麵,仍需從分子生物學的角度探究金屬的吸收轉運及定位機製,從實驗室研究轉到野外試驗,達到預期的修複效果


--END--


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