人工濕地植物去除廢水中重金屬的作用機制研究進展論文

關于人工濕地植物去除廢水中重金屬的作用機制研究進展論文

　　人工濕地是由基質(zhì)、水體、水生植物、好氧或厭氧微生物種群、水生動物組成的復雜生態(tài)系統(tǒng)。人工濕地主要由植物、基質(zhì)、微生物與自然生態(tài)系統(tǒng)，通過物理、化學和生物反應三重協(xié)同作用來處理污水，從而達到污水凈化的目的。

　　植物作為人工濕地系統(tǒng)的重要組成部分，在廢水處理過程中有非常重要的作用。一方面，植物可以直接吸收、利用廢水中的有機物，供其自身的生長發(fā)育，吸收并積累離子態(tài)的重金屬，使得廢水中各種污染物濃度降低;另一方面，植物的合理配置還具有一定的生態(tài)美學與經(jīng)濟價值。在人工濕地凈化污水的過程中，植物的作用可以歸納為3個方面：直接吸收、利用污水中的營養(yǎng)物質(zhì)，吸附和富集重金屬和一些有毒、有害物質(zhì);為根區(qū)好氧微生物輸送氧氣;增強和維持介質(zhì)的水力傳輸。

　　中國水體重金屬污染問題十分突出，傳統(tǒng)的處理方法成本較高且適用范圍有限，因此，人工濕地作為一種生態(tài)型、低成本的治理方式得到長足發(fā)展，特別是對于垃圾滲濾液凈化、工業(yè)廢水的深度處理、重金屬礦山修復廢水的攔截、凈化等有十足優(yōu)勢。

　　1人工濕地處理含重金屬廢水的現(xiàn)狀

　　人工濕地最初是用來處理城市生活污水或二級污水處理廠的出水，如今應用人工濕地處理含重金屬的特種廢水的研究也日益增多。

　　在國外，應用人工濕地處理含重金屬的廢水已有大量研究和較多的實例。例如，位于美國薩凡納河場地的人工濕地于2001年開始運行，該人工濕地面積約777km2，被用來處理工藝技術(shù)設施廢水中的銅污染，進出水中的銅質(zhì)量濃度分別為31μg/Land9μg/L，該人工濕地對廢水中銅的去除率高達70.9%[10]。在實驗室中，建立人工濕地模型種植黃澤(Limnocharisflava)，用以處理垃圾滲濾液中的重金屬Fe和Mn，將垃圾滲濾液稀釋至原來濃度的25%后，以0.029m3/d的流量，停留時間24.1h和9h的條件下，鐵和錳的去除效率分別為99.2%～91.5%和99.8%～94.7%。在接納馬來西亞西海岸煉油廠污水的潟湖中，種植了大面積水葫蘆(Eichhorniacrassipes)，用以處理油脂、酚類、硫化物和重金屬，結(jié)果表明，其對Cd、Cu、Pb、Ni、Zn、As、Hg和Cr(III)的處理效果都十分理想。

　　2能富集重金屬的濕地植物多種濕地植物都對廢水中的重金屬有很強的富集能力。藻類植物凈化重金屬廢水的能力，主要表現(xiàn)為對重金屬的吸附力，石莼(Ulvalactuca)對Cu、Pb、La、Cd和Hg重金屬離子的去除率達到80%～90%;馬尾藻(Sargassumhorneri)和鼠尾藻(Sargassumthunbergii)通過吸附重金屬，同樣具有很強的去除重金屬的能力，它們對Cu、Zn、Pb和Hg的去除率都大于70%;金魚藻對Cu2+的吸附在20min內(nèi)達到平衡，其最大吸附量為7.79mg/g;香蒲能凈化高濃度含鉛廢水，在鉛質(zhì)量濃度為50mg/L的含鉛廢水中，香蒲中鉛的富集量為132.2mg，富集系數(shù)為2.64;浮萍能有效富集Zn、Fe和Mn，蘆葦能有效富集Pb、Mn和Cr，而寬葉香蒲和黑三棱(Spargniumsp.)是吸收富集Pb和Zn的較適宜植物種類;鳳眼蓮對Zn2+和Cd2+有較高的去除率;蘆竹、燈心草和蘆葦對Cu、Pb、Zn和Cd有很好的去除效果。浮萍和水葫蘆能富集超過其0.5%干質(zhì)量的重金屬，它們富集Cd和Cu的質(zhì)量比范圍分別是6000～13000mg/kg和6000～7000mg/kg，超過其正常質(zhì)量比的1000倍;水力停留時間為7d時，蘆葦對污水中的Pb和Cd的去除率分別為90.2%和86.4%，梭魚草對Pb和Cd的去除率分別為89.7%和86.0%。

　　3植物去除廢水中重金屬的機制

　　在人工濕地系統(tǒng)中，植物去除重金屬的機制主要為植物根系通過分泌某些代謝產(chǎn)物來改變根際環(huán)境，從而對廢水中的重金屬產(chǎn)生活化、鈍化或改變重金屬離子價態(tài)和降低毒性的作用;植物直接吸收、轉(zhuǎn)運離子態(tài)的重金屬，使重金屬在植物地上部分中得以積累，通過收獲植物地上部分來去除重金屬。

　　3.1根系去除廢水中重金屬的機制

　　植物一般是通過生物吸附和表面吸附作用，去除廢水中的重金屬元素，濕地系統(tǒng)中的一部分重金屬可以通過植物根際分泌物與重金屬離子的物理、化學反應來去除。濕地植物根系是一個動態(tài)的微環(huán)境，水和營養(yǎng)物質(zhì)在根系被攝取，同時植物根系不斷分泌氧、糖、有機酸、氨基酸、酶、內(nèi)源激素和一些次生代謝產(chǎn)物。植物根系分泌物中的有機酸具有重金屬解毒作用。研究發(fā)現(xiàn)，植物根系在質(zhì)量濃度為10～50μmol/L的Al脅迫下，根尖檸檬酸合成酶活性增加，分泌大量檸檬酸，形成檸檬酸-Al的螯合物，以解除鋁毒[35]。實驗證明，水稻根系中積累的Cr含量與根際pH以及草酸、蘋果酸、檸檬酸的分泌密切相關，根際pH增大，促使根系草酸、蘋果酸、檸檬酸分泌增多，水稻根系的Cr積累量增加。

　　3.2植物對重金屬的吸收與轉(zhuǎn)運

　　人工濕地系統(tǒng)中的植物各部分的重金屬含量研究發(fā)現(xiàn)，植物根部的重金屬含量遠高于莖和葉。在研究香蒲、蘆葦和鴨跖草對Pb的抗性時發(fā)現(xiàn)，3種植物根部的Pb的富集量遠遠大于葉和莖。在實驗室中，在流動和靜止溶液中，研究甜柚、水蔥和大米草(Spartinaanglica)對Pb、Zn、Cu和Cr的積累，結(jié)果表明，3種植物的地下組織明顯比地表組織對4種重金屬的積累量更高。

　　大部分重金屬離子是通過金屬轉(zhuǎn)運蛋白進入植物根細胞的，并在植物體內(nèi)進一步轉(zhuǎn)運至液泡貯存。植物對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運是一個復雜的過程，具有分子生物學機制。重金屬轉(zhuǎn)運蛋白在整個調(diào)控過程中發(fā)揮著至關重要的作用，參與了吸收、螯合、區(qū)室化和代謝利用等關鍵步驟。近年來，眾多研究揭示并鑒定了植物細胞內(nèi)多種重金屬轉(zhuǎn)運蛋白：吸收蛋白(metaluptakeproteins)和排出蛋白(metaleffluxproteins)兩大類。吸收蛋白主要有YSL蛋白家族(yellowstripe-likeproteinfamily)、鋅鐵蛋白(ZIP)家族(ZRTandIRTlikeproteinfamily)和天然抗性巨嗜細胞蛋白(Nramps)家族(naturalresistanceassociatedmacrophageproteinfamily)等。植物吸收蛋白的主要功能是吸收環(huán)境中的重金屬并轉(zhuǎn)運至細胞質(zhì)，吸收蛋白主要存在于植物根部細胞;排出蛋白包括P1B型ATPases、CDF蛋白家族(Cationdiffusionfacilitatorfamily)等，其功能是將重金屬排出細胞質(zhì)，或運載至液泡，在植物耐受重金屬脅迫中起到積極的防御作用。

　　4基因工程在提升植物修復能力中的應用

　　近年來發(fā)現(xiàn)的重金屬超富集植物種類有所增多，但仍然有許多局限性。隨著分子生物學技術(shù)水平的提升，使得基因工程技術(shù)日趨完善。植物對重金屬吸收、轉(zhuǎn)運由多種基因協(xié)同控制，所以利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)提升植物對重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運成為可能。

　　從動物器官中分離出的金屬硫蛋白(metallothionein，MT)基因轉(zhuǎn)移到藍藻時，提高了藍藻對Cd2+的結(jié)合去除能力，其主要是利用毒性金屬離子與半胱氨酸的巰基結(jié)合，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的蛋白結(jié)合形式，使植物機體對有毒金屬離子表現(xiàn)出耐性。

　　從細菌中分離出來的merA基因編碼汞離子還原酶和merB基因編碼有機汞裂解酶已經(jīng)被學者轉(zhuǎn)移到植物中，用來提高植物對Hg的處理，merB使得Hg離子從2價變?yōu)?價，降低了毒性，并從植物中揮發(fā)。將merA轉(zhuǎn)移到水稻中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因水稻對HgCl2的抗性為250μM，而普通水稻僅為150μM。研究轉(zhuǎn)merA基因金盞菊(Calen?dulaofficinalis)的污染處理時發(fā)現(xiàn)，植株能去除土壤中84%的HgCl2，植株內(nèi)轉(zhuǎn)運能力提高了2倍，大部分Hg2+轉(zhuǎn)運到葉片中，通過酶的作用還原為沒有毒性的0價Hg離子，并揮發(fā)到空氣中，因此植物體內(nèi)富集的Hg含量較少，僅為非轉(zhuǎn)基因植株的20%。用OASTL基因Atcys-3AcDNA構(gòu)建表達載體，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)轉(zhuǎn)化到野生型擬南芥中，其中轉(zhuǎn)基因株系10-10Cys和GSH含量明顯提高，并表現(xiàn)對Cd脅迫具有很強的耐性，研究同時發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因株系10-10對Cd具有很強的累積能力，且吸收的Cd主要累積在葉片的毛狀體部位。

　　5展望與建議

　　在人工濕地處理含重金屬的廢水過程中，大部分污染物包括重金屬并未移出系統(tǒng)，而是滯留在系統(tǒng)中基質(zhì)與植物根系交錯的結(jié)合部，唯有通過植物的生長吸收并收割植物的地上部分，才能將含有重金屬的污染物移出系統(tǒng)。但是，如何高效地利用植物處理含重金屬的廢水，還存在一定問題。

　　今后仍需要進一步篩選富集能力強的濕地植物;深入研究濕地植物固定、吸收和轉(zhuǎn)運重金屬的機制，并采用基因工程和分子生物學技術(shù)，來增強濕地植物去除重金屬的功能;有必要在人工濕地技術(shù)的應用中，結(jié)合填料選擇、抗性微生物菌種引種，來篩選優(yōu)勢植物，優(yōu)化植物、微生物和填料的配置，構(gòu)建植物—微生物—基質(zhì)復合緩沖系統(tǒng)，來提升系統(tǒng)去除重金屬的整體功能

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