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关于人工湿地植物去除废水中重金属的作用机制研究进展论文

论文 时间:2019-10-02 我要投稿
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  人工湿地是由基质、水体、水生植物、好氧或厌氧微生物种群、水生动物组成的复杂生态系统。人工湿地主要由植物、基质、微生物与自然生态系统,通过物理、化学和生物反应三重协同作用来处理污水,从而达到污水净化的目的。

  植物作为人工湿地系统的重要组成部分,在废水处理过程中有非常重要的作用。一方面,植物可以直接吸收、利用废水中的有机物,供其自身的生长发育,吸收并积累离子态的重金属,使得废水中各种污染物浓度降低;另一方面,植物的合理配置还具有一定的生态美学与经济价值。在人工湿地净化污水的过程中,植物的作用可以归纳为3个方面:直接吸收、利用污水中的营养物质,吸附和富集重金属和一些有毒、有害物质;为根区好氧微生物输送氧气;增强和维持介质的水力传输。

  中国水体重金属污染问题十分突出,传统的处理方法成本较高且适用范围有限,因此,人工湿地作为一种生态型、低成本的治理方式得到长足发展,特别是对于垃圾渗滤液净化、工业废水的深度处理、重金属矿山修复废水的拦截、净化等有十足优势。

  1人工湿地处理含重金属废水的现状

  人工湿地最初是用来处理城市生活污水或二级污水处理厂的出水,如今应用人工湿地处理含重金属的特种废水的研究也日益增多。

  在国外,应用人工湿地处理含重金属的废水已有大量研究和较多的实例。例如,位于美国萨凡纳河场地的人工湿地于2001年开始运行,该人工湿地面积约777km2,被用来处理工艺技术设施废水中的铜污染,进出水中的铜质量浓度分别为31μg/Land9μg/L,该人工湿地对废水中铜的去除率高达70.9%[10]。在实验室中,建立人工湿地模型种植黄泽(Limnocharisflava),用以处理垃圾渗滤液中的重金属Fe和Mn,将垃圾渗滤液稀释至原来浓度的25%后,以0.029m3/d的流量,停留时间24.1h和9h的条件下,铁和锰的去除效率分别为99.2%~91.5%和99.8%~94.7%。在接纳马来西亚西海岸炼油厂污水的潟湖中,种植了大面积水葫芦(Eichhorniacrassipes),用以处理油脂、酚类、硫化物和重金属,结果表明,其对Cd、Cu、Pb、Ni、Zn、As、Hg和Cr(III)的处理效果都十分理想。

  2能富集重金属的湿地植物多种湿地植物都对废水中的重金属有很强的富集能力。藻类植物净化重金属废水的能力,主要表现为对重金属的吸附力,石莼(Ulvalactuca)对Cu、Pb、La、Cd和Hg重金属离子的去除率达到80%~90%;马尾藻(Sargassumhorneri)和鼠尾藻(Sargassumthunbergii)通过吸附重金属,同样具有很强的去除重金属的能力,它们对Cu、Zn、Pb和Hg的去除率都大于70%;金鱼藻对Cu2+的吸附在20min内达到平衡,其最大吸附量为7.79mg/g;香蒲能净化高浓度含铅废水,在铅质量浓度为50mg/L的含铅废水中,香蒲中铅的富集量为132.2mg,富集系数为2.64;浮萍能有效富集Zn、Fe和Mn,芦苇能有效富集Pb、Mn和Cr,而宽叶香蒲和黑三棱(Spargniumsp.)是吸收富集Pb和Zn的较适宜植物种类;凤眼莲对Zn2+和Cd2+有较高的去除率;芦竹、灯心草和芦苇对Cu、Pb、Zn和Cd有很好的去除效果。浮萍和水葫芦能富集超过其0.5%干质量的重金属,它们富集Cd和Cu的质量比范围分别是6000~13000mg/kg和6000~7000mg/kg,超过其正常质量比的1000倍;水力停留时间为7d时,芦苇对污水中的Pb和Cd的去除率分别为90.2%和86.4%,梭鱼草对Pb和Cd的去除率分别为89.7%和86.0%。

  3植物去除废水中重金属的机制

  在人工湿地系统中,植物去除重金属的机制主要为植物根系通过分泌某些代谢产物来改变根际环境,从而对废水中的重金属产生活化、钝化或改变重金属离子价态和降低毒性的作用;植物直接吸收、转运离子态的重金属,使重金属在植物地上部分中得以积累,通过收获植物地上部分来去除重金属。

  3.1根系去除废水中重金属的机制

  植物一般是通过生物吸附和表面吸附作用,去除废水中的重金属元素,湿地系统中的一部分重金属可以通过植物根际分泌物与重金属离子的物理、化学反应来去除。湿地植物根系是一个动态的微环境,水和营养物质在根系被摄取,同时植物根系不断分泌氧、糖、有机酸、氨基酸、酶、内源激素和一些次生代谢产物。植物根系分泌物中的有机酸具有重金属解毒作用。研究发现,植物根系在质量浓度为10~50μmol/L的Al胁迫下,根尖柠檬酸合成酶活性增加,分泌大量柠檬酸,形成柠檬酸-Al的螯合物,以解除铝毒[35]。实验证明,水稻根系中积累的Cr含量与根际pH以及草酸、苹果酸、柠檬酸的分泌密切相关,根际pH增大,促使根系草酸、苹果酸、柠檬酸分泌增多,水稻根系的Cr积累量增加。

  3.2植物对重金属的吸收与转运

  人工湿地系统中的植物各部分的重金属含量研究发现,植物根部的重金属含量远高于茎和叶。在研究香蒲、芦苇和鸭跖草对Pb的抗性时发现,3种植物根部的Pb的富集量远远大于叶和茎。在实验室中,在流动和静止溶液中,研究甜柚、水葱和大米草(Spartinaanglica)对Pb、Zn、Cu和Cr的积累,结果表明,3种植物的地下组织明显比地表组织对4种重金属的积累量更高。

  大部分重金属离子是通过金属转运蛋白进入植物根细胞的,并在植物体内进一步转运至液泡贮存。植物对重金属的吸收和转运是一个复杂的过程,具有分子生物学机制。重金属转运蛋白在整个调控过程中发挥着至关重要的作用,参与了吸收、螯合、区室化和代谢利用等关键步骤。近年来,众多研究揭示并鉴定了植物细胞内多种重金属转运蛋白:吸收蛋白(metaluptakeproteins)和排出蛋白(metaleffluxproteins)两大类。吸收蛋白主要有YSL蛋白家族(yellowstripe-likeproteinfamily)、锌铁蛋白(ZIP)家族(ZRTandIRTlikeproteinfamily)和天然抗性巨嗜细胞蛋白(Nramps)家族(naturalresistanceassociatedmacrophageproteinfamily)等。植物吸收蛋白的主要功能是吸收环境中的重金属并转运至细胞质,吸收蛋白主要存在于植物根部细胞;排出蛋白包括P1B型ATPases、CDF蛋白家族(Cationdiffusionfacilitatorfamily)等,其功能是将重金属排出细胞质,或运载至液泡,在植物耐受重金属胁迫中起到积极的防御作用。

  4基因工程在提升植物修复能力中的应用

  近年来发现的重金属超富集植物种类有所增多,但仍然有许多局限性。随着分子生物学技术水平的提升,使得基因工程技术日趋完善。植物对重金属吸收、转运由多种基因协同控制,所以利用转基因技术提升植物对重金属的吸收、转运成为可能。

  从动物器官中分离出的金属硫蛋白(metallothionein,MT)基因转移到蓝藻时,提高了蓝藻对Cd2+的结合去除能力,其主要是利用毒性金属离子与半胱氨酸的巯基结合,转变为无害的蛋白结合形式,使植物机体对有毒金属离子表现出耐性。

  从细菌中分离出来的merA基因编码汞离子还原酶和merB基因编码有机汞裂解酶已经被学者转移到植物中,用来提高植物对Hg的处理,merB使得Hg离子从2价变为0价,降低了毒性,并从植物中挥发。将merA转移到水稻中,发现转基因水稻对HgCl2的抗性为250μM,而普通水稻仅为150μM。研究转merA基因金盏菊(Calen?dulaofficinalis)的污染处理时发现,植株能去除土壤中84%的HgCl2,植株内转运能力提高了2倍,大部分Hg2+转运到叶片中,通过酶的作用还原为没有毒性的0价Hg离子,并挥发到空气中,因此植物体内富集的Hg含量较少,仅为非转基因植株的20%。用OASTL基因Atcys-3AcDNA构建表达载体,通过转基因技术转化到野生型拟南芥中,其中转基因株系10-10Cys和GSH含量明显提高,并表现对Cd胁迫具有很强的耐性,研究同时发现,转基因株系10-10对Cd具有很强的累积能力,且吸收的Cd主要累积在叶片的毛状体部位。

  5展望与建议

  在人工湿地处理含重金属的废水过程中,大部分污染物包括重金属并未移出系统,而是滞留在系统中基质与植物根系交错的结合部,唯有通过植物的生长吸收并收割植物的地上部分,才能将含有重金属的污染物移出系统。但是,如何高效地利用植物处理含重金属的废水,还存在一定问题。

  今后仍需要进一步筛选富集能力强的湿地植物;深入研究湿地植物固定、吸收和转运重金属的机制,并采用基因工程和分子生物学技术,来增强湿地植物去除重金属的功能;有必要在人工湿地技术的应用中,结合填料选择、抗性微生物菌种引种,来筛选优势植物,优化植物、微生物和填料的配置,构建植物—微生物—基质复合缓冲系统,来提升系统去除重金属的整体功能

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