工業(yè)水鉻污染修復(fù)潛力研究

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[摘要]為了能更好的對鉻污染環(huán)境治理，綜述了近年李氏禾(LeersiahexandraSwartz.)對鉻的富集特性、耐性機(jī)理、解毒機(jī)制、富集效率提高的相關(guān)研究。得出結(jié)論李氏禾在修復(fù)污染環(huán)境，特別是大面積低濃度的污染水體方面有著可觀的潛力，并對其今后的研究方向進(jìn)行展望。

[關(guān)鍵詞]李氏禾；鉻；重金屬；污染水體

通常重金屬污染是指Pb、Hg、Cd、As、Cr等重金屬對自然環(huán)境造成危害，從而對動植物和人類造成生命威脅[1]，鉻是一種顏色銀白的金屬，不溶于硝酸和水，能溶于硫酸等生成鹽類，鉻是一種環(huán)境污染危害極大的源[2]。另外，鉻物質(zhì)是重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于電鍍業(yè)、染料業(yè)等行業(yè)，這些行業(yè)都會產(chǎn)生大量鉻廢水排放，造成嚴(yán)重的鉻水體污染[3]，比如2009年湖南婁底雙峰縣的鉻污染飲用井水事件、2011年云南曲靖鉻污染大面積水體事件，都極大的影響了當(dāng)?shù)氐娘嬘盟畣栴}。而且，鉻還是公認(rèn)的致畸形和致癌物質(zhì)[4-6]，在中國，根據(jù)第一個(gè)“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》，鉻被列入了五個(gè)重點(diǎn)治理的重金屬污染元素之一；美國環(huán)境保護(hù)署把鉻(Ⅵ)列為對人體危害極大的17中化學(xué)物質(zhì)之一[7]。鉻污染治理是一項(xiàng)艱巨的過程，但是傳統(tǒng)的鉻污染方法：吸附法、化學(xué)還原法、離子交換法治理手段普遍都有處理成本高，能耗大，工藝復(fù)雜，容易二次污染問題而限制了其應(yīng)用[8-10]。探討如何采用經(jīng)濟(jì)低、環(huán)保綠色的植物修復(fù)技術(shù)成為了熱門研究[11]，植物修復(fù)技術(shù)是指采用具有超積累能力的植物把污染環(huán)境的重金屬轉(zhuǎn)移到植物的根莖葉，然后收割植物，減少污染物對環(huán)境的污染，取得修復(fù)目的[2]。但是對于鉻的超富集植物卻很少，而我國目前唯一發(fā)現(xiàn)的并報(bào)道的濕生植物李氏禾(LeersiahexandraSwartz.)就是鉻超積累植物[12]。植物修復(fù)的綜述不少[13-15]，但是單純的利用植物修復(fù)重金屬污染問題依然存在很多限制，譬如修復(fù)植物的生長速度和生長量低，重金屬轉(zhuǎn)移率低以及重金屬污染濃度高低等都會影響植物修復(fù)效率，這就限制了植物修復(fù)的實(shí)際應(yīng)用[16]。有研究表明，李氏禾人工濕地對鉻(Ⅵ)超標(biāo)150倍(7.50mg/L)的水體修復(fù)依然有很好的效果[17]，但是李氏禾直接吸收去除鉻的貢獻(xiàn)率不到10%[18]，如何提高李氏禾對鉻環(huán)境污染的富集效率是應(yīng)用李氏禾治理環(huán)境的重點(diǎn)。

1李氏禾的發(fā)現(xiàn)

李氏禾是多年生禾本科的濕生植物，也是我國發(fā)現(xiàn)并且報(bào)道的唯一一種鉻超富集植物[19]。在濕生的環(huán)境中，李氏禾繁殖迅速、能高密集生長使得單位面積內(nèi)生物量大，提高了其對重金屬污染環(huán)境的修復(fù)效率。一開始，李氏禾是作為一種危害稻田雜草而受到關(guān)注，相關(guān)的農(nóng)業(yè)學(xué)者便開始對其進(jìn)行研究[20-21]；后發(fā)現(xiàn)李氏禾具有耐旱耐澇的生物學(xué)特點(diǎn)，便有學(xué)者對其在水土保持和植被恢復(fù)領(lǐng)域進(jìn)行潛力探索研究[22-23]；因?yàn)槔钍虾踢€對其他的重金屬有相當(dāng)好的吸收效果，所以不少學(xué)者也將李氏禾用于重金屬污染土壤、人工濕地修復(fù)重金屬污染水體、多種重金屬混合生活污水水體的研究[3,24-25]。本文探討了近年來李氏禾對鉻富集能力，以及影響李氏禾富集鉻等方面的相關(guān)研究，以期能為李氏禾修復(fù)大面積、低濃度的污染水體提供理論依據(jù)。

2李氏禾對鉻的超富集特征

在廣西北部某電鍍廠附近的濕生植物研究發(fā)現(xiàn)，植物李氏禾對鉻的吸收有超積累效應(yīng)。葉部吸收的鉻平均含量達(dá)1787mg/L，葉部鉻含量與根莖鉻含量之比為12，與土壤中鉻含量之比為57，與水中鉻含量之比518[12]。李氏禾對鉻、銅、鎳的混合污染水體也有很高的去除率，表1是李氏禾10天內(nèi)對不同濃度鉻、銅、鎳的去除效果統(tǒng)計(jì)[26]。在修復(fù)鉻、銅、鎳的重金屬污染水體上，明顯李氏禾具有很好的效果，根據(jù)實(shí)驗(yàn)顯示，鉻、銅、鎳最高的去除率分別達(dá)到了100%、93.8%、89.3%。李氏禾也能對重金屬污染土壤中的鉻、銅、鎳有很好的富集特征，在鉻、銅、鎳含量為8516、3442、2992mg/kg的土壤中，李氏禾依然能正常生長，對高濃度重金屬污染的土壤有很強(qiáng)的耐性[27]，這表明李氏禾是具有在修復(fù)重金屬污染土壤或者水體領(lǐng)域研究價(jià)值的。

3李氏禾的耐性機(jī)理和解毒機(jī)制

不同的金屬具有不同的生物活性，活性的高低決定了植物對其的富集效率。前文說到植物修復(fù)技術(shù)是利用超富集植物把污染環(huán)境的重金屬轉(zhuǎn)移到植物的根莖葉，然后收割植物達(dá)到修復(fù)目的。而鉻是屬于低生物活性，所以一些植物吸收之后無法對其進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部分或者轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)很低，所以無法達(dá)到植物修復(fù)技術(shù)的目的。譬如，西紅柿吸收的鉻有大約80%分布在根部，只有很少一部分能被轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部分[28]。李氏禾對鉻的富集能力可以表現(xiàn)在各部分組織中鉻的吸收含量，表2是李氏禾吸收不同濃度鉻后在各部的平均含量情況[29]。 從生物富集系數(shù)(各部分吸收含量與營養(yǎng)液之比)來看，經(jīng)計(jì)算根、莖、葉的平均值分別是474.86、123.52、40.97，可見李氏禾對鉻有很大的富集生物特性。在5、30、60mg/L的鉻濃度下，鉻轉(zhuǎn)移系數(shù)(葉含量與根含量之比)分別是90、21.24、9，可見隨著鉻濃度的增大，對鉻的轉(zhuǎn)移系數(shù)也在大幅度降低，所以利用李氏禾治理修復(fù)大面積，低濃度的鉻污染水體值得研究。許多植物能在重金屬污染的環(huán)境生存，很重要的一點(diǎn)是體內(nèi)重金屬的分布，植物將富集的重金屬隔離在高耐性的區(qū)域，避免有毒重金屬損害到重要的組織和細(xì)胞器[30]。一方面李氏禾的根部細(xì)胞壁和葉部的液泡是鉻的主要富集處，在鉻濃度增加的情況下，李氏禾根部對鉻吸收后轉(zhuǎn)運(yùn)至葉部，從根部隔離至葉部隔離的過程是李氏禾對鉻解毒的重要機(jī)制。另一方面，在重金屬脅迫下，植物產(chǎn)生大量的活性氧對細(xì)胞膜進(jìn)行破壞，不利于植物的生存。而植物的抗氧化酶SOD、POD、CAT能對活性氧進(jìn)行清除，有研究表明李氏禾在鉻脅迫下，SOD、POD、CAT三種酶含量會升高，有效的緩解了鉻對李氏禾的迫害[31]，所以抗氧化酶系統(tǒng)在李氏禾對鉻的耐性和解毒起著重要的作用。

4外源物質(zhì)添加對李氏禾富集鉻的影響

目前發(fā)現(xiàn)的超富集植物在富集重金屬過程中受到復(fù)雜環(huán)境中土壤、水體的影響，在實(shí)際應(yīng)用中只能去除少量的重金屬。因此，如何提高植物修復(fù)重金屬污染環(huán)境的效率是環(huán)境修復(fù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。氮、硫是植物必需的營養(yǎng)元素，對龍葵施加氮肥，促進(jìn)了龍葵生長量，提高了龍葵對Cd的積累量[32]；對李氏禾投加適量的亞硫酸鈉，也促進(jìn)了李氏禾對鉻的富集積累量，并且提高了轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)[33]。針對植物的必需營養(yǎng)元素添加外源物質(zhì)，可能是提高植物富集效率的手段。李氏禾在對含重金屬污水處理時(shí)，對總氮的去除表現(xiàn)出很好的能力[34]，可以認(rèn)為對李氏禾在修復(fù)環(huán)境時(shí)添加適量的氮肥是能提高李氏禾對重金屬的富集。植物通過MT、PCs、GSH、有機(jī)酸等方式結(jié)合重金屬，但是研究發(fā)現(xiàn)李氏禾對鉻的吸收不是通過前三種方式，而是與有機(jī)酸有關(guān)，而且可能是有機(jī)酸里的草酸與鉻配位形成鈍化將鉻固定在體內(nèi)，草酸可能是李氏禾葉片中鉻的主要螯合劑[35]。植物草酸一直被認(rèn)為是一種未明確生理作用的代謝產(chǎn)物，但是越來越多的研究證明草酸在植物適應(yīng)環(huán)境脅迫下有著重要作用，譬如E.crassipes葉片中的鉻可能與草酸形成草酸鹽沉淀[36]，T.careulescens根部Zn與蘋果酸和草酸密切相關(guān)[37]。乙醛酸作為草酸的合成前體物質(zhì)，在李氏禾鉻脅迫下，添加適量的乙醛酸，不僅促進(jìn)了植物的生長量和鉻積累量，還有效的促進(jìn)了草酸的合成[38]。所以，草酸可能是李氏禾能夠富集和耐受高濃度鉻的有效機(jī)制。生物量偏少和生長周期較短是李氏禾資源化限制的因素，在我們能有效的促進(jìn)李氏禾生物量和重金屬積累量的同時(shí)，還要能促進(jìn)其轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的提高，然后收割李氏禾才能達(dá)到修復(fù)污染土壤、水體的目的。其中添加外源物質(zhì)EDTA有機(jī)化合物，能夠強(qiáng)化李氏禾的抗氧化酶系統(tǒng)，促進(jìn)鉻從根部向地上部分轉(zhuǎn)移[39]。5展望不僅是植物修復(fù)，近年來微生物修復(fù)鉻污染的技術(shù)成為了研究者們的熱門課題[40-41]。這是一種利用微生物的表面結(jié)構(gòu)等吸附重金屬鉻，或者利用微生物產(chǎn)生的還原物質(zhì)、酶催化系統(tǒng)等將鉻(Ⅵ)轉(zhuǎn)為鉻(Ⅲ)[42]。更有學(xué)者將兩種技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行研究，比如將具有促生特點(diǎn)的Enterobacteraerogentes與Rahnellaaquatilis菌株接種印度芥菜可以增加對鉻、鎳的吸收[43]。微生物-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)吸取了植物修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)(低成本，環(huán)境友好等)，并且提高了植物富集效率，縮短修復(fù)周期[44-46]，并且研究表明該技術(shù)在治理環(huán)境污染方面有著巨大潛力[47-48]。除了研究添加外源物質(zhì)提高李氏禾對重金屬積累，研究有關(guān)李氏禾與微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)更是一個(gè)很好的研究方向。

作者：林志毅 單位：桂林理工大學(xué)