關(guān)于人工濕地植物去除廢水中重金屬的作用機(jī)制研究進(jìn)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(dòng)物組成的復(fù)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(guò)物理、化學(xué)和生物反應(yīng)三重協(xié)同作用來(lái)處理污水，從而達(dá)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(guò)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(jī)物，供其自身的生長(zhǎng)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(xué)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在人工濕地凈化污水的過(guò)程中，植物的作用可以歸納為3個(gè)方面：直接吸收、利用污水中的營(yíng)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(qiáng)和維持介質(zhì)的水力傳輸。

　　中國(guó)水體重金屬污染問(wèn)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(zhǎng)足發(fā)展，特別是對(duì)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(fù)廢水的攔截、凈化等有十足優(yōu)勢(shì)。

　　1人工濕地處理含重金屬?gòu)U水的現(xiàn)狀

　　人工濕地最初是用來(lái)處理城市生活污水或二級(jí)污水處理廠的出水，如今應(yīng)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(guó)外，應(yīng)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(shí)例。例如，位于美國(guó)薩凡納河場(chǎng)地的人工濕地于2001年開(kāi)始運(yùn)行，該人工濕地面積約777km2，被用來(lái)處理工藝技術(shù)設(shè)施廢水中的銅污染，進(jìn)出水中的銅質(zhì)量濃度分別為31μg/Land9μg/L，該人工濕地對(duì)廢水中銅的去除率高達(dá)70.9%[10]。在實(shí)驗(yàn)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(lái)濃度的25%后，以0.029m3/d的流量，停留時(shí)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(lái)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(duì)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(duì)廢水中的重金屬有很強(qiáng)的富集能力。藻類植物凈化重金屬?gòu)U水的能力，主要表現(xiàn)為對(duì)重金屬的吸附力，石莼(Ulvalactuca)對(duì)Cu、Pb、La、Cd和Hg重金屬離子的去除率達(dá)到80%～90%;馬尾藻(Sargassumhorneri)和鼠尾藻(Sargassumthunbergii)通過(guò)吸附重金屬，同樣具有很強(qiáng)的去除重金屬的能力，它們對(duì)Cu、Zn、Pb和Hg的去除率都大于70%;金魚藻對(duì)Cu2+的吸附在20min內(nèi)達(dá)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(duì)Zn2+和Cd2+有較高的去除率;蘆竹、燈心草和蘆葦對(duì)Cu、Pb、Zn和Cd有很好的去除效果。浮萍和水葫蘆能富集超過(guò)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(guò)其正常質(zhì)量比的1000倍;水力停留時(shí)間為7d時(shí)，蘆葦對(duì)污水中的Pb和Cd的去除率分別為90.2%和86.4%，梭魚草對(duì)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(jī)制

　　在人工濕地系統(tǒng)中，植物去除重金屬的機(jī)制主要為植物根系通過(guò)分泌某些代謝產(chǎn)物來(lái)改變根際環(huán)境，從而對(duì)廢水中的重金屬產(chǎn)生活化、鈍化或改變重金屬離子價(jià)態(tài)和降低毒性的作用;植物直接吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)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(guò)收獲植物地上部分來(lái)去除重金屬。

　　3.1根系去除廢水中重金屬的機(jī)制

　　植物一般是通過(guò)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(guò)植物根際分泌物與重金屬離子的物理、化學(xué)反應(yīng)來(lái)去除。濕地植物根系是一個(gè)動(dòng)態(tài)的微環(huán)境，水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在根系被攝取，同時(shí)植物根系不斷分泌氧、糖、有機(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(guān)，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(duì)重金屬的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)

　　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(yuǎn)高于莖和葉。在研究香蒲、蘆葦和鴨跖草對(duì)Pb的抗性時(shí)發(fā)現(xiàn)，3種植物根部的Pb的富集量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于葉和莖。在實(shí)驗(yàn)室中，在流動(dòng)和靜止溶液中，研究甜柚、水蔥和大米草(Spartinaanglica)對(duì)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(duì)4種重金屬的積累量更高。

　　大部分重金屬離子是通過(guò)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入植物根細(xì)胞的，并在植物體內(nèi)進(jìn)一步轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡貯存。植物對(duì)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，具有分子生物學(xué)機(jī)制。重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在整個(gè)調(diào)控過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，參與了吸收、螯合、區(qū)室化和代謝利用等關(guān)鍵步驟。近年來(lái)，眾多研究揭示并鑒定了植物細(xì)胞內(nèi)多種重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)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(xì)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(yùn)至細(xì)胞質(zhì)，吸收蛋白主要存在于植物根部細(xì)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(xì)胞質(zhì)，或運(yùn)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(fù)能力中的應(yīng)用

　　近年來(lái)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(xué)技術(shù)水平的提升，使得基因工程技術(shù)日趨完善。植物對(duì)重金屬吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)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(duì)重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)成為可能。

　　從動(dòng)物器官中分離出的金屬硫蛋白(metallothionein，MT)基因轉(zhuǎn)移到藍(lán)藻時(shí)，提高了藍(lán)藻對(duì)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(wú)害的蛋白結(jié)合形式，使植物機(jī)體對(duì)有毒金屬離子表現(xiàn)出耐性。

　　從細(xì)菌中分離出來(lái)的merA基因編碼汞離子還原酶和merB基因編碼有機(jī)汞裂解酶已經(jīng)被學(xué)者轉(zhuǎn)移到植物中，用來(lái)提高植物對(duì)Hg的處理，merB使得Hg離子從2價(jià)變?yōu)?價(jià)，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(duì)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(shí)發(fā)現(xiàn)，植株能去除土壤中84%的HgCl2，植株內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)能力提高了2倍，大部分Hg2+轉(zhuǎn)運(yùn)到葉片中，通過(guò)酶的作用還原為沒(méi)有毒性的0價(jià)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(dá)載體，通過(guò)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(duì)Cd脅迫具有很強(qiáng)的耐性，研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因株系10-10對(duì)Cd具有很強(qiáng)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(guò)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(cuò)的結(jié)合部，唯有通過(guò)植物的生長(zhǎng)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(wèn)題。

　　今后仍需要進(jìn)一步篩選富集能力強(qiáng)的濕地植物;深入研究濕地植物固定、吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的機(jī)制，并采用基因工程和分子生物學(xué)技術(shù)，來(lái)增強(qiáng)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(yīng)用中，結(jié)合填料選擇、抗性微生物菌種引種，來(lái)篩選優(yōu)勢(shì)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(fù)合緩沖系統(tǒng)，來(lái)提升系統(tǒng)去除重金屬的整體功能

【人工濕地植物去除廢水中重金屬的作用機(jī)制研究進(jìn)展論文】相關(guān)文章：

植物氣孔的作用08-23

HDACs作用于細(xì)胞凋亡的機(jī)制研究02-24

淺談員工激勵(lì)機(jī)制論文（精選16篇）08-30

碧護(hù)與PBO植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)桃樹凍害的作用論文03-21

植物的三大作用03-30

口述史學(xué)及其對(duì)史學(xué)發(fā)展的作用論文09-14

地質(zhì)工程勘察作用探討論文05-26

名言名句在議論文中的作用04-27

植物蒸騰作用的主要器官02-25

植物保護(hù)論文04-23